基于单片机的智能点滴监控系统*

2023-10-29马帅迪成锔昌姜伟峰董培廷

山西电子技术 2023年5期

马帅迪，成锔昌，姜伟峰，董培廷

(河南科技大学信息工程学院,河南洛阳 471000)

0 引言

如今生活的方方面面开始向信息化迈进,点滴监控信息化和智能化是医疗行业信息化,节省人力的趋势所在。目前静脉输液是临床中一种普遍的治疗手段,选用的依旧是人工监督的方式。病人和家属需要时时刻刻盯着输液瓶,疏忽大意容易出现一些异常情况,如输液时回血、输液管堵塞、液滴流速过快或过慢、输液完成不能及时发现等情况,可能会延误患者治疗,甚至造成严重的医疗事故[1-2]。先前前辈设计的滴液系统,例如齐齐哈尔大学徐凤霞等人设计的输液远程检测系统,以及刘世平、薛大磊、葛强等人设计的护士监测板和滴液报警系统等,这些系统存在系统复杂、造价昂贵,以及使用范围窄等缺点,我们旨在借鉴前人的理念,扬长避短,设计一款更为合适的智能点滴监控系统。

1 系统总体设计

系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

基于单片机的智能点滴监控系统可以实现滴速检测与调控、少液检测、回血检测、智能加热四大功能,由STM32F103ZET6主控模块、按键模块、加热模块、显示模块、继电器模块、电机驱动模块、温度采集模块、报警模块、回血检测模块、智能加热模块组成。

当输液开始时,智能点滴监控系统可以监测液滴速度,并显示在显示屏上,速度过快或过慢都会发出报警信息提醒用户,用户可自己按键调节,自动加快或减慢滴液速度;液体液面低于一定程度时,系统会发出报警信息,提醒用户换水或拔针;靠近扎针处,若出现回血情况,迅速夹紧输液管,并发出警报信息,提醒医护人员前来处理;系统会自动监测液体温度,若温度过低,自动开启加热功能,确保液体以较温和的温度流入体内。

2 系统硬件设计

智能点滴监控系统选用STM32F103ZET6最小系统为主控,系统主要由智能加热模块、滴速检测与调控模块、少液检测模块、回血检测模块构成。

2.1 STM32F103ZET6芯片介绍

系统设计选用STM32F103ZET6为主控芯片。STM32F103ZET6是STM32F1系列芯片中的一款,由ST公司开发,一共有144个管脚,其拥有的I/O口为112个。除此之外该芯片的程序内存容量为256 KB,运行速度达到了72 MHz,程序内存类型为闪存Flash,随机内存容量为48 K。其性能较为出色且价格较为低廉,是一款嵌入式微控制的集成电路[3],符合本设计要求。

2.2 智能加热模块

2.2.1 温度采集

设计选用DHT11温湿度传感器对药液温度进行采集,并将其温度显示在LCD1602显示屏上。DHT11温湿度传感器采集温度原理:DHT11把药液中的温度通过检测装置进行采集,然后会按照电信号或者其他形式信号传给系统进行转变或处理。DHT11的传感器不仅由一个电阻式感湿原件组成,还包括一个NTC测温元件,他们都与一个高性能8位单片机相连接。所以它具有超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT11温湿度传感器品质卓越,精确度符合本设计对药液温度的采集。

DHT11温湿度传感器原理图如图2所示。

图2 DHT11温湿度传感器原理图

2.2.2 继电器加热

通过DHT11采集到的温度信息,由单片机判断是否达加热要求,当温度低于设置温度时,单片机会控制加热系统,继电器进行对药液的加热。

继电器加热模块电路设计原理图如图3所示。

图3 继电器加热原理图

2.3 滴速检测与调控模块

2.3.1 滴速检测

液滴滴速检测选用红外对管。红外对管由红外发射管和红外接收管组成,当开启滴速检测模块功能时发射管会一直发出红外光,如果前方有障碍物遮挡,接收光管就会导通,产生一个电流,进而会产生电压。该电压信号通过电压比较器判断是否达最低电压感应要求,据此做出判断是否有障碍物。在本设计中,由于滴液速度较快,因而设计的红外对管性能更加灵敏。至此单片机会感应到红外对管的信息并由简单的计算公式对液滴速度进行计算并显示在LAD1602显示屏上。其原理图如图4所示。

2.3.2 电机驱动

电机驱动选用一个五线四相5 V步进电机对液滴滴速进行控制。因为驱动电机需要较大电流,无法直接通过GPIO进行控制,这里设计了一个驱动电路对电机进行驱动,增加GPIO的驱动能力,使得患者能正常对药液滴液速度进行控制,这里选择的是ULN2003芯片[4]。

电机驱动原理图如图5所示。

图5 电机驱动原理图

2.4 少液检测模块

当液面低于一定程度,发出警报信息,及时提醒用户换水或拔针。液面下降到一定高度时,红外对管间接收信号发生改变,会产生报警信息,蜂鸣器响起,对应LED灯亮起。对应原理图如图4所示。将红外发射管和红外接收管置于瓶口1 cm～2 cm处,红外发射管和红外接收管正对。红外发射管发射红外光,当液面没有到达预定点位时,由于水对红外光的漫反射、散射以及吸收作用,红外接收管接收较少的红外光,一旦液面下降到预定点位,失去了水对红外光的影响,红外接收管接收较强红外光,光强发生较大改变,红外接收管负极电压发生一定变化。红外接收管负极与LMV358正极连接,在LMV358负极设定门限电压。在LMV358作用下,液面未到达预定点位时,电路输出高电平,到达预定点位时,电路输出低电平。单片机检测到低电平信号时,进入对应模式,此时蜂鸣器报警,对应LED灯亮起。

2.5 回血检测模块

当出现回血情况时,红外对管间接收信号发生改变,驱动电机模块夹紧输液管,同时产生报警信息,蜂鸣器响起,对应LED灯亮起。回血检测电路如图4所示,电机模块如图5所示。

红外对管置于靠近扎针处,正常情况下,输液管流通药液时,红外接收到红外光,处于导通状态,LMV358正极电压小于负极电压,此时输出低电平。当输液管内产生回血时,红外光和血液同属于红色光谱,红外光被血液中红色吸收,红外接收管接收不到红外光,处于截止状态,LMV358正极电压大于负极电压,此时输出高电平[5]。单片机检测到高电平信号时,进入相应模式,此时电机模块夹紧输液管,蜂鸣器报警,对应LED灯亮起。