智能监控静脉输液系统的应用研究

摘要：静脉输液是一种医疗护理中常见且重要的临床诊疗手段，因其可以达到快速治疗效果被广泛使用[1]。但目前医院在进行输液治疗时普遍采用人工监护的传统方式，依靠陪护或护士进行人工观察，在输液过程中，医务人员一般使用手动调节流量调节器来控制输液速度，药液温度受周围环境影响严重，对于输液的速度和温度无法精确控制[2]，从而导致患者的治疗效果得不到保障。因此，为了克服在输液时由患者、陪护或医护人员无法及时观察药液余量、耗费人力以及输液效果低的弊端，本研究研制了一套智能输液监控系统。该系统采用集合光电检测技术与单片机控制技术，由液面检测模块、按键控制模块、温度检测模块、流速检测模块、LCD显示模块、报警模块、流速控制模块以及液体加热驱动模块等模块构成硬件电路。该系统能够实现对输液过程的自动监控，保障了病人的治疗效果的同时，减轻了医务人员的工作量。

关键词：静脉输液;单片机;红外传感器;自动控制;监控

中图分类号：TP391        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）11-0105-02

1 前言

静脉输液是一种重要的临床治疗方法，主要通过向静脉输入药液进行康复治疗[2]。然而，在病人的治疗过程中，主要是依靠家庭成员和护士协同照顾与治疗，护士须频繁巡查、工作效率低。由于静脉输液是把药物直接送到静脉内，输液速度的快慢对治疗效果影响很大，当输液流速过快时，可能会导致血管胀大，患者感到疼痛。当输液过慢时，在相同的治疗效果下，浪费了多余的时间。尤其在冬天时，气温低下，药物长期室内放置，导致其温度低于人体温度，当把药物直接输送进血液后，会造成身体局部偏冷等不良反应，无法发挥最佳药效。另外，在输液过程中，会遇到滴速异常、堵针、药液滴完未拔针等情况，若未及时处理，不仅会影响预期治疗效果，甚至会危及病人生命[3]。在当代的医疗监护中，靠人为监护的传统方式已经不能满足信息化、多元化的监护需求。所以设计一款可以实现智能输液监测的系统是很有必要的。

本文针对人工监测输液过程存在的各种隐患，提出了一套智能输液监控系统，利用光电式检測技术与STC89C52单片机控制技术相结合进行实现。该系统不仅可以同时实现控制输液速度、提醒护士及时更换药液、对低温药液加热等功能，还可以减轻医护人员的工作强度，同时保障了病人的输液效果。

2 整体的设计方案

本设计采用光电技术与STC89C52单片机控制技术来实现，以STC89C52单片机为主控单元进行信号的控制与分析，设计原理方框图如图1所示。

本系统通过流速检测模块检测流速，在LCD显示模块显示实时流速，系统通过按键控制模块设定了流速的上下限值，当系统检测到流速不在设定流速上下值之间时，启动流速控制模块，控制步进电机正转和反转，进而拉动连接输液瓶的导线来调整输液瓶高低，实现控制点滴流速。通过液面检测模块检测液面，当液面低于设定液面位置时，报警模块启动发出声光报警。当温度检测模块检测到药液温度过低时，加热驱动模块自动打开对药液进行加热，并且可以通过按键模块手动开关加热装置。最终，实现对静脉输液的智能控制。

3 系统硬件设计与实现

3.1 主控单元

本设计系统主以芯片STC89C52为主控单元，STC89C52单片机是功能强大、性能好、性价比高、稳定性好的芯片。本模块是设计的主控制单元，用来接收与处理信号，给各个模块下达指令信号使其达到想要的功能。

3.2 流速检测模块

本模块由一对红外对管、LM393电压比较器、LED1、若干电阻组成。通过LM393电压比较器的引脚1与单片机STC89C52的引脚P33相连。依据红外线在药液中会发生折射，当药液滴下时，红外接受管接收不到红外线就会截止。当药液滴过时，红外接受管接收到红外线而导通。此模块采用了一对红外对管，红外接收管有两个端口，一端与GND连接，另外的一端与LM393电压比较器的IN+引脚连接，当液滴滴下时红外接收管截止，LM393电压比较器的IN+处电压小于IN-电压，OUT输出低电平“0” [4]。反之，没有液滴落下时，OUT输出端输出高电平“1”。当流速过快时LM393电压比较器输出端的高低电平变化频率加快，LED1的闪烁频率也会加快。同理，当流速过慢时高低电平交换频率变慢，LED1的闪烁频率变慢。单片机通过LM393电压比较器通过输出高低电平变化快慢来计算液体流速。可以通过观察LED1闪烁频率快慢来判断流速快慢。该模块在本系统中是实现滴速检测的功能。

3.3 流速控制模块

本模块采用ULN2003步进电机来进行流速的控制，ULN2003步进电机的引脚1、引脚2、引脚3、引脚4分别与单片机STC89C52的引脚IN1、引脚IN2、引脚IN3、引脚IN4相连接。单片机控制ULN2003步进电机的驱动模式为四相八拍驱动逻辑模式。如果P2.1端口至111000001，P2.2端口至000011111，P2.3端口至100000111，P2.4端口至001110000时，步进电动机正转，反之反转。

根据资料显示，适合人体的输液速度为40-60滴每分钟[5]。在系统模块中，以十秒为单位计算流速的范围为8-10滴每十秒。当流速检测模块检测液体滴落速度超过10滴每十秒时，此时单片机的P2.1端口至111000001，P2.2端口至000011111，P2.3端口至100000111，P2.4端口至001110000，从而控制电机正转，降低输液瓶高度，调节滴速变慢到正常速度;同理当流速检测模块检测液体滴落速度低于8滴每十秒时，此时单片机的P2.1到 P2.4端口输入相反指令，从而控制电机反转，提高输液瓶高度，使滴速加快到正常速度。本模块起到对流速控制的作用。

3.4 液面检测模块

本模块由一对红外对管，LM393电压比较器，LED2以及若干电阻组成。通过LM393电压比较器的引脚1与单片机STC89C52的引脚P32相连。本模块采用一对红外对管来实现液面检测，其原理和流速检测模块一样。系统采用了一对红外对管，红外接收管的两个端口，一端与GND连接，另外的一端与LM393电压比较器的IN+引脚相连，当液面处于距点滴瓶底部4CM以上时红外接收管不导通，LM393电压比较器的IN+处电压小于IN-电压，OUT输出低电平“0”，这时LED2就会亮。反之液面处于警戒线以下时，OUT输出端输出高电平“1”， LED2就会灭。通过LED2的亮灭可以得知液面是否到达警戒线。该模块在本系统的作用是检测警戒液面。

3.5 温度检测模块

在自动输液监控系统的设计中，需要对输液进行温度的检测，故加入一个温度传感器。温度检测模块由一个10K电阻和DS18B20温度传感模块组成。DS18B20温度传感器的2引脚与单片机STC89C52的引脚P22连接。DS18B20温度传感测温产生固定频率的脉冲信号传送给计数器对其计算，最后传到温度寄存器的数值就是所测温度。

DS18B20温度传感器内部通过读温度、写温度、温度存储转换操作程序来完成温度的检测，从I＼O口向单片机传送温度信号。DS18B20温度传感器的2引脚与单片机STC89C52的引脚P22连接，将采集到的温度信号传送给单片机，传输信号为数字信号无须A＼D转换，通过显示屏显示检测到的温度。同时接一个10k的R18上拉电阻，保证传感器在高电平时能完成正常的输入输出。这个模块主要作用就是检测液体的实时温度。

3.6 液体加热驱动模块

本模块由继电器Kj1、两个电阻R9，R10、一个LED3和一个三极管Q2组成。将加热模块的引脚2与单片机STC89C52的引脚P14相连。在本模块中，为解决加热片在启动时需要的电流高，导致整体电压变低，影响到单片机和其他模块的正常供电的问题，在这个系统里加入了继电器，用来控制加热片的控制电路[6]。三极管Q2的作用是控制继电器工作。当液体加热时LED3就会亮起。

单片机通过控制三级管的导通而控制继电器，当温度检测模块检测到液体温度低于10℃时，单片机的P14端口将呈现低电平，三极管会导通，使LED3点亮，继电器闭合，从而驱动加热片进行加热工作;当温度检测模块检测到液体温度高于10℃时，单片机的P14端口将呈现高电平，三極管会截止，使LED3熄灭，继电器打开，从而加热片停止加热工作。工作期间，可以通过观察LED3的亮灭来判断是否加热。该模块在本系统的作用是驱动加热片工作。

3.7 LCD显示模块

本设计采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602液晶显示屏是由若干个5×7或5×11等点阵字符位组成，其中的每个点阵字符位都能实现显示一个字符。LCD1602液晶显示屏上的4、5、6引脚分别是RS、RW和RN，与单片机的P1.0、P1.1、P1.2 I＼O口一一对应相连。剩下7引脚至14引脚，分别与单片机的P0.0至P0.7共 8个I＼O口一一对应相连。单片机的P0.0至P0.7端口是向LCD1602液晶显示屏输入数据的I＼O口。其中RS为寄存器选择，接通高电平选择数据寄存器，接通低电平选择指令寄存器。RW为读写操作，高电平时进行读操作，低电平进行写操作。EN为使能端，显示屏可以执行命令的前提是EN引脚处于低电平。该模块在本系统的作用是显示信息。

3.8 报警模块

报警模块由LED4、蜂鸣器LS1、两个电阻R7，R8和一个三极管Q1组成，报警模块与单片机STC89C52的引脚P13连接。因为STC89C52单片机的I/O口不能直接驱动蜂鸣器，所以加入了PNP型三极管 。当液面处于距点滴瓶4CM下面时，液面检测模块的LM393电压比较器OUT端输出高电平信号给单片机，此时单片机发出指令让三极管导通，这时蜂鸣器的正极便会变成高电平，蜂鸣器就会报警，LED4亮起。反之报警模块不会工作，LED4熄灭。该模块对于液面低于警戒时进行报警提醒病人和医护人员。

3.9 按键控制模块

在本次设计中，只需要设置一下流速的上下限值与最低温度值，使用的按键数量不多。按键模块设置了4个按键分别是K1、K2、K3、K4，分别与单片机STC89C52的引脚P34、引脚P35、引脚P36、引脚P37相连接。其中K1按键起到减的作用，K2按键起到加的作用，而K3按键则是主菜单按键，可以打开控制最低温度和滴速的上下限临界值的界面。K4按键是控制加热的手动开关。通过这4个按键就可以实现对滴速临界值的上下限，菜单，温度下限值，加热等的设置。

4 系统软件设计与实现

系统软件设计的主程序部分首先对将单片机的各个模块进行初始化，对显示部分，按键部分，蜂鸣器部分进行相应的逻辑设计，具体主程序流程图如图2所示。

5 结论

本设计系统可以对静脉输液过程中的药物滴速以及温度实现实时检测与调整，并可通过显示器进行实时显示，让病人在输液时能实时掌握动态，保障治疗效果。与此同时，本系统的设计对滴液界面具有自动检测功能，一旦检测到输液界面低于设置的最低界面时，将会自动报警及时提醒护士进行处理。因此，本系统可以让护士实时地了解病人的输液状态，减轻护士人员的工作强度，同时也保障了病人的输液效果，能实现输液信息的数字网络化管理。

参考文献：

[1] 孙亮.基于电力线通信技术的病房输液监控系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2021.

[2] 钟朵莉.医院输液监控系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012.

[3] 阮太元.医院病房静脉输液监测系统[J].电子技术与软件工程，2017（14）：43.

[4] 江勇.基于光电传感器的输液报警监控系统的研究[J].医疗装备，2010，23（12）：9-11.

[5] 陈宇，王玺.基于光电技术智能输液监控系统设计[J].核电子学与探测技术，2009，29（5）：1149-1154.

[6] 付蓉，方安安，卢宗武，等.一种基于输液速度与温度实时监控的输液监护仪设计[J].科学技术与工程，2015，15（15）：183-188.

收稿日期：2021-10-08

基金项目：2019年湖南人文科技学院校级青年项目（项目编号：2019QN09）

作者简介：蔡蓉（1988—） ，女，湖南益阳人，讲师，硕士，主要研究方向为电子信息类教学。