一种输液器自动报警及关断装置的设计

苗玉刚，文家雄

一种输液器自动报警及关断装置的设计

苗玉刚，文家雄

（四川信息职业技术学院 智能控制学院，四川 广元 628040）

针对目前输液报警器液位检测不准确、不具备自动关断功能等问题，利用集成创新思想，设计了一种输液器自动报警及关断装置。其本体结构主要包括夹持模块、检测模块、关断模块等，控制系统主要有MCU单元、电源模块、液位传感器检测单元、电磁铁线圈控制电路，软件设计主要有主程序、中断程序和子程序。该装置以MCU为控制系统核心，采用非接触式柔性平面电容液位传感器检测药液，使用方形电磁铁实现自动关断输液，应用可充电锂电池进行供电，具有检测准确、止液可靠、声光报警、使用方便等优点，可以提高输液的安全性。

输液器；声光报警；液位检测；自动关断

市面上常用的输液装置有一次性重力输液器、输液泵、加压输血输液装置和便携移动式输血输液装置，其中一次性重力输液器因其结构简单、价格低廉，在临床上应用最为广泛[1]。静脉输液通常持续时间较长，需要患者、家属或医护人员随时观察输液状态。当输液完成时，如果未能及时更换输液瓶或拔针，会出现回血现象。回血后再输液需进一步排气，有时还会出现针头堵塞，需再次穿刺，增加了护理工作量及患者的痛苦。严重时会造成气体血栓，危及患者生命[2]。随着医疗条件的进步，出现了输液报警器自动监测输液状况，当药液输完后发出报警，提醒换液或者拔针，但它们不具备自动关断功能，若医护人员没有及时处理，依然会引起回血、排气、重新穿刺等不良后果[3]。

国内外常用的输液器自动报警装置根据检测原理主要分为光电式、称重式、光纤式、超声波式以及电容式等[4]。其中光电式采用红外对射传感器检测，发射管和接收管安装在输液软管的两侧，操作简单，但容易受自然光线干扰，对透明药液检测不灵敏。称重式利用胡克定律或压力传感器对输液瓶称重，在输液完成时触发报警，由于输液瓶重量和药液比重不统一，每次更换输液瓶都需要重新调整和固定，操作繁琐，适用性差。光纤和超声波式利用光的反射或折射检测药液是否输完，但易受支架晃动和光线变化等外界环境的影响，抗干扰能力弱，应用不便。传统的电容式将输液软管固定在电容器的两极板之间，利用电容量的改变触发蜂鸣器报警，检测方式简单，适应性强，但体积较大，安装不方便[5]。

随着技术的发展，市面上出现了具有自动止液和自动关断功能的输液器。自动止液输液器利用药液的浮力作用使浮标堵塞输液管实现自动止液，如果药液中有颗粒、杂质，不能保证百分百完成止液动作，安全性不高[6]。输液器自动关断装置主要是利用电机、推拉式电磁杆、丝杆滑台、气动等机械原理实现输液软管夹紧，从而实现止液，但这些关断装置大多结构复杂，止液效果不佳，一个装置只能关断一个输液器，应用成本高，工作效率低[7-8]。

针对上述问题，在国内外学者研究的基础上设计了一种结构紧凑、使用方便、低碳环保的输液器自动报警及关断装置。该装置应用到普通的一次性输液器上，使其有了自动报警和关断功能，从而提高静脉输液的安全性，减轻医护人员的劳动强度。

1 输液器自动报警及关断装置的设计

1.1 方案

装置整体方案如图1所示，主要包括输液杆、输液瓶、输液软管和自动报警及关断装置。报警及关断装置本体通过阻尼伸缩杆和蟹钳夹夹持固定在输液杆的合适位置上。蟹钳夹可以调节开口大小，以适应不同尺寸的的输液杆；阻尼伸缩杆可以调节输液软管和输液杆之间的距离，以适应不同患者的输液。

图1 输液器自动报警及关断装置整体设计方案

当输液软管内的液面低于液位传感器的标定位置，即药液即将输完，液位传感器将检测信号发送到MCU（Microcontroller Unit，微控制器），MCU控制电磁铁线圈得电，电磁力吸附衔铁拉动关断压板挤压输液软管，阻止药液继续向下流动。同时，MCU控制指示灯闪烁、蜂鸣器报警，提醒医护人员换液或者拔针，从而达到输液器自动报警及关断的效果。

该装置可同时和两个输液器配合使用，两个输液器工作时相互独立，且不受输液瓶形状和液体颜色影响，通用性强。当输液场地没输液杆时，也可悬挂在吊杆上使用，灵活方便。

1.2 结构

输液器自动报警及关断装置的本体结构如图2所示，主要包括夹持模块、检测模块、关断模块和其他模块等。

1.锂电池；2.Type-C充电接口；3.U型底座；4.蜂鸣器；5.前端盖；6.电源开关；7.上端盖；8.U型外罩；9.外罩连接板；10.LED指示灯；11.开始和复位按键；12.M2螺钉；13.控制盒；14.M3螺钉；15.U型支架；16.导杆；17.缓冲柱；18.方形电磁铁；19.衔铁；20.U型管夹固定支架；21.弹簧；22.关断压板；23.电容式液位传感器；24.U型管夹。

1.2.1 夹持模块

夹持模块主要由一对U型管夹组成，用于将输液软管固定在本体的合适位置上，以便关断压板挤压输液软管进行止液。与输液软管配合使用时，每根输液软管分别按压于U型管夹的U形槽内，U形槽开口略小于输液软管直径，以便将输液软管固定住，U形槽底部为圆柱形弧面，弧面直径略大于输液软管直径，以保证输液软管不会被挤压变形、药液能正常流通。

1.2.2 检测模块

随着边缘电场理论的不断发展与完善，基于该理论设计的平面电容传感器得到了快速发展。平面电容传感器是将平行板电容器两极板平行展开在同一平面，给驱动电极施加激励信号，驱动电极和感应电极之间产生边缘电场，电场线从驱动电极指向感应电极，穿透被测物体，并在两电极之间产生电容[9]，其结构示意图如图3所示。在没有液体接近极板时，极板对地存在一定的静态电容；当液体靠近极板时，在电场能量的作用下，感应极板与待测液体之间产生寄生电容，寄生电容耦合到静态电容上，使电极之间的电容值变大。通过检测芯片将电容的变化量转换成电信号的变化量，再通过算法判断信号变化量的大小，当变化量超过一定的阈值，就认为液位到达感应点，即液位高度通过电容的变化量展示出来[10-11]。

图3 平面电容器结构示意图

1.2.3 关断模块

关断模块主要包括电磁铁、衔铁、复位弹簧、关断压板、导杆、缓冲柱等。当检测模块检测到输液完成时，给MCU发送信号，MCU经过算法处理控制电磁铁线圈得电，衔铁吸合拉动关断压板夹紧输液软管，阻止药液继续流动。当按下复位按钮后，电磁铁线圈断电，衔铁在弹簧的作用下复位，关断压板松开输液软管，此时可以继续输液或者取走输液器。其中，导杆的作用是保证关断压板直线动作和均匀地施加压力，缓冲柱是为了降低关断压板复位时的震动和冲击。

输液完毕时，如果采用外部挤压的方式关断输液器，必须克服药液的压强和软管本身的弹性，才能将输液软管压扁阻断药液流动。因此，必须选择合适的电磁铁，以保证关断压力适中、止液效果可靠。本文选择的电磁铁型号为KK-P30/20/10，其采用优质的紫铜线圈，具有良好的稳定性和耐热性，断电表面无剩磁，防护等级达到IP68，经测试满足设计要求。

1.2.4 其他模块

其他模块主要包括声光报警模块、按键模块、电源模块等。声光报警模块包括指示灯、蜂鸣器。正常输液LED指示灯常亮，输液完成时LED指示灯闪烁，蜂鸣器发出滴滴报警声，提醒家属或医护人员。按键模块包括电源按键和复位按键，电源按键用于整个系统的上电和断电，复位按键用于输液完成后关断压板、指示灯和蜂鸣器的复位。电源模块包括锂电池、Type-C充电接口、硬件电路等。锂电池通过硬件电路为MCU、液位传感器、电磁铁线圈等供电，当电池电量较低时，可以通过Type-C接口快速充电。

2 系统电路设计

输液器自动报警及关断装置控制系统主要包括MCU单元、电源模块、液位传感器检测单元、电磁铁线圈控制电路，外围器件包括按键、声光报警模块和USB下载电路等，如图4所示。

2.1 MCU单元

MCU单元是整个控制系统的中心，负责整个系统的管理和控制任务。其主要功能是采集液位传感器的信号，对信号进行分析与处理，然后给电磁铁线圈控制电路和声光报警模块电路发送控制命令。选用AT89S51单片机作为MCU单元核心，它通过外接A/D、D/A转换电路及运放芯片实现对传感器信息的采集，工控能力强大，价格低廉，编程高效[12]。

2.2 电源模块

电源模块的设计主要考虑系统对电源特性的要求，包括电压等级、供电方式、电流大小、应用场景、电源的电气性能及质量等方面[13]。整个系统采用12 V电池供电，而MCU单元、液位传感器采用5 V电源供电，所以需要通过电源转换芯片将12 V电压转换为5 V，本系统选用PW2163电源转换芯片，它是一种高效的500 kHz同步降压DC－DC转换器，可以提供3A的输出电流以及编程可调的输出电压，满足系统供电要求。电源转换电路如图5所示。

电压转换计算为：

整个装置靠12 V的电池供电。工作过程中，如果电池电量耗尽，系统将无法正常运行。为此设计了低电量检测预警电路，如图6所示。电量检测采用LTC2943芯片，该芯片可测量3.6～20 V的多个单体锂电池，内部具有14位的ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器），能精确测量电池的电压、电流和累积的放电电量，采集精度达1%[14]。MCU单元通过I2C（Inter-Integrated Circuit，内置集成电路）总线通信接口对LTC2943芯片相应寄存器进行读取和写入，完成电池电量监测和报警功能。

图6 锂电池电量检测电路

2.3 液位传感器检测单元

传感器检测单元采用ZCT-YOF07型非接触式柔性平面电容液位传感器，该产品使用高速信号处理芯片，对检测液体的介质和容器的材质无特殊要求，采用柔性基材封装，抗干扰能力强、灵敏度高、安装简单方便，其接线如图7所示。当传感器检测到液体时，输出低电平信号；当检测到无液体时，输出高电平信号，MCU依据输入的不同信号控制报警电路和线圈电路进行工作。

2.4 电磁铁线圈控制电路

电磁铁线圈控制电路由光电耦合器、三极管、二极管、电阻、电容等组成，如图8所示。当液体输完时，MCU送一个低电平信号导通光电耦合器，然后光电耦合器驱动三极管导致电磁铁线圈得电使衔铁吸合。同理，当复位时，送高电平信号使衔铁复位。电路中续流二极管的作用是防止线圈失电瞬间产生的反向感应电动势击穿三极管，电容的作用是防止单片机在上电的初始化过程中使电磁铁线圈误动作。

VCC为电源电压。

3 软件系统设计

在硬件电路的基础上，通过Keil μVision5编写软件程序，实现输液器自动报警及关断装置的各项功能。软件设计主要由主程序、中断程序和子程序组成。主程序是整个软件系统的入口，其流程如图9所示。在系统开始前首先进行参数初始化，然后进行电量检测，如果电量低于10%，绿色LED闪烁、蜂鸣器长响，提醒更换电池；电量高于10%，则进行液位信号检测。液体流动正常时，绿色LED常亮，液体流动异常时，红色LED常亮，系统循环检测液位信号。当输液即将完成时，MCU对接收的液位传感器信号进行运算处理，将计算出的值与标定好的阈值相比较，如果低于阈值则没有液体流动，持续5 s没有液体流动则认为输液结束，发出声光报警，同时夹紧模块关断输液管。按下复位按键系统复位，若输液结束，拔针后按下电源键系统关闭；若继续输液，更换药液后按下开始键，系统循环运行。

图9 软件系统流程图

4 结论

设计了一种基于MCU的输液器自动报警及关断装置，有效解决了市面上输液报警器液位检测不准确、输液完成不能自动关断止液等问题。采用的柔性电容式传感器配合软硬件能够实现精确、稳定及灵敏的液位检测，不仅可以用于静脉输液液位检测，也可以用于血液透析机中静脉壶液位检测等，应用范围可以进一步拓展。具备的自动止液及报警功能能够克服换液或拔针不及时带来的不良影响，减轻医护人员和患者的心里负担，既保证了输液的安全性、准确性，又提升了临床治疗的现代化管理水平。另外，该装置许多方面有待进一步优化和完善，比如可集成无线通讯模块，将输液信息、设备状况等信息同步至护士站显示终端和病人家属手机上，后续将在网络化、智能化等方面加强研究。

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Design of an Automatic Alarm and Shutoff Device for Infusion Set

MIAO Yugang，WEN Jiaxiong

( Academy of Intelligent Control, Sichuan Vocational College of Information Technology, Guangyuan 628040,China )

Aiming at the problems of inaccurate liquid level detection and the lack of automatic shutoff function of the current infusion alarm, an automatic alarm and shutoff device of infusion set is designed with an innovative concept of integration. The main structure includes the clamping module, the detection module, the shutdown module, etc. The control system mainly includes the MCU unit, the power module, the liquid level sensor detection unit, the electromagnetic coil control circuit, and the software design mainly consists of the main program, the interrupt program, and the subroutine. The device takes MCU as the core of the control system, uses a non-contact flexible plane capacitance liquid level sensor to detect the drug liquid, utilizes a square electromagnet to automatically shut off the infusion, and applies a rechargeable lithium-ion battery to provide the power. It has the advantages of accurate detection, reliable liquid stop, audible and visual alarm, convenient use, etc., which can improve the safety of the infusion.

infusion set；audible and visual alarm；liquid level detection；automatic shutoff

R318.6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.009

1006-0316 (2023) 10-0049-06

2022-09-27

2021年AI科技平台项目——输液器自动关断装置研究与应用（2021KB01）；2021年广元市科技局项目——基于工业互联网的自动化设备控制技术应用研究（21ZDYF0038）

苗玉刚（1987－），男，安徽太和人，硕士研究生，讲师，工程师，主要研究方向为机电一体化技术，E-mail：yugangm@qq.com；文家雄（1956－），男，四川南充人，教授级高级工程师，主要研究方向为电子信息技术。