输液自动报警系统

2024-01-16李瑞洁杨静茹刁美然张慧琳

电子制作 2023年24期

李瑞洁，杨静茹，刁美然，张慧琳

（安徽三联学院，安徽合肥，230601）

0 引言

现代医疗中，静脉输液是临床中一种非常普遍的治疗手段。目前临床静脉输液有两种方式。一种是传统的人工方式，其缺点是需要护士不断地巡视同时还必须有人陪护，占用了很大的人力资源同时也存在交叉感染的危险。另一种是新型自动化输液泵可以让患者得到休息，减轻医护人员的压力，提高医护人员的工作效率。点滴输液报警系统利用滴速传感器随时间同步检查测验，由显示屏上观察到的数据结果进行分析，并与预先设立的输液滴落速度限制进行比较，一旦输液滴落速度不在预设范围之内，则发动报警响应。本系统可以在一定程度上降低医护人员的工作负担，提升工作效率。

1 系统总体方案

点滴输液报警系统的总体硬件框架如图1 所示。OLED液晶屏用于显示当前信息和参数。水位传感器用于检测水瓶是否有水，如果没有水，蜂鸣器会声光报警。采用DS18B20 温度传感器，用于检测当前环境温度。ULN2003用于驱动步进电机实现正转，反转模拟控制滴速。加热片通过继电器控制加热片，当前温度低时，控制加热片加热。STM32F103CT6 单片机作为CPU 处理器，用于数据处理。按键用于设置滴速上下限值。光耦用于检测当前点滴的滴速，当滴速小时，电机正转，反之，电机反转。

图1 系统总体方案

2 系统硬件设置

■2.1 单片机

STM32F103 单片机是一款性价比高的微控制器，早期STC 公司生产用于工业控制。对于本次设计，我们选择的单片机是芯片为STM32F103C8T6 单片机。此单片机和51系列相比，其功能更加强大，性能更高，自带2 个AD 转换，方便在设计烟雾和CO 的时候免去了需要加外部ADC 进行转换。

■2.2 按键控制电路

按键开关的检测原理就是高低电平的检测。单片机按键的一端连接单片机的双向I/O 口，另一端接地。当按下按键时，当I/O 引脚接地时，此时为低电平状态，同时也向单片机返回一个低电平信号。当按键开关处于张开状态，此时该I/O 引脚处在高电平，电路未闭合，电流无法形成通路。按键开关由于其拨动时间，难免产生误差，所以在编写按键函数时，要额外写一个去抖函数，提高精确性。

■2.3 报警电路

本次设计采用蜂鸣器进行报警，当装置检测到温度和滴速高于预设上限或者低于预设下限时，蜂鸣器会声光报警。在此单片机电路中，蜂鸣器连接在三极管的引脚上，另一端通过接地实现电路的闭合。由于单片机电路的电流非常小，如果直接用单片机控制蜂鸣器，可能达不到蜂鸣器工作所需的电压。因此，为了让蜂鸣器工作，本设计采用了NPN 三极管。NPN 三极管可以放大电流，从而让微弱的单片机电路输出变得更强。通过这种方式，蜂鸣器可以正常工作，发出预设的声音或警报信号等。NPN 三极管具有放大电流和电平的特性同时上拉电阻也起到限流作用，防止电流过大击穿蜂鸣器，经过三极管放大驱动电流后，驱动蜂鸣器报警。

■2.4 OLED 液晶显示电路

OLED 是一种用于发光和显示的器件，即在阳极和阴极之间夹多层有机薄膜组成了稳定的绿色有机薄膜发光器件。OLED 是128 列×64 行点阵的OLED、字符、图形显示模块，接口电路简单，使用方便。根据所要显示的文字生成所需字符库,通过OLED 显示程序将字符代码写入并存储在SSD1306 的GDDRAM 模块后,就可以稳定地显示出来。

■2.5 滴速检测模块

滴速检测模块设计用于实时检测药水瓶中滴速。该模块的原理是使用元器件来计算水滴落下的时间，并根据时间计算出此时的水滴速度。通过多次检测水滴速度并取平均值，实现更准确的结果。采集到的滴速数据将通过单片机和引脚进行通信，并在OLED 液晶屏上进行显示。测试方法是根据实时监测水滴经过凹槽部分的次数和时间，计算得出药水瓶中的滴液速度。

■2.6 液位检测模块

本次设计使用的水位传感器包含液位传感器模块和LM393 芯片。液位传感器模块的工作原理是利用压强传感器来测量液体表面的压力，并将这个压力转化成转换成电信号用于计算水位高度。LM393 芯片用于对这些电信号进行处理和判断，从而实现对水位高度的准确检测和控制。检测压强值，水和压强成正比，水越多压强越大，通过和LM393 进行比较，如果有水的情况下会输出高电平，反之输出低电平这样就可以判断瓶子内是否有水。液位检测电路如图3 所示。

图2 中LM393 电压比较器电路，接2 个10k 的电阻目的是分压，产生的电压为2.5V 电压值。3 为外接器件用来进行光敏采集，out 为输出电平，LM393 只会输出2 种电平，一种是高电平一种是低电平0 和1，以2.5V 为分界线大于为高电平低于为低电平。

图2 液位检测电路

■2.7 步进电机控制电路

28BYJ48 型四相八拍步进电机在控制时一般采用ULN2003 芯片驱动，ULN2003 实际上是一种集成电路，能够将外部信号转化为相应的电流输出，从而实现对步进电机的驱动。步进电机驱动方式不同，工作原理也不尽相同。其基本工作原理就是在不同相位上施加不同的脉冲，使步进电机能够按照设定的步进序列来转动，从而完成预定的任务。由于步进电机只有在接收到脉冲信号时才转动一个步距角，因此步进电机可以根据所接收信号的频率和脉冲数来计算其转角，具有高精度、高定位精度、高控制精度等特点。此外，步进电机具有平滑运行、低噪声、体积小、重量轻等优点，因此被广泛应用于各种自控系统和精密仪器中。

■2.8 DS18B20 温度检测

本设计采用DS18B20 温度传感器模块，防水的温度传感器DS18B20 主要是负责进行温度检测。这个传感器有许多优点。首先，它的占用面积很小，不会占用太多的空间。其次，它的精度可以达到0.2℃。传感器采用单总线的数据传输方式，这意味着与其他设备的数据传输共享同一个总线。此外，该传感器具有强大的抗干扰能力，可以有效地避免外界环境对温度检测产生的影响。使用该传感器可以获得准确的温度数据，且能有效地控制温度，以保证设备的正常运行。这款温度传感器转换时间为75ns，检测的结果以数字量方式串行传送。作为一款含有已校准数字信号输出的温度复合传感器，DS18B20 温度传感器采集的数值是非常准确的，其采集范围在0℃-50℃±0.2℃。DS18B20 采集过程先由STC89C52 单片机发起信号，再通过I/O 引脚发送给DS18B20，之后DS18B20 反向单片机发送响应，并将采集到的数据按照40 位数据帧格式输出，最高位在前，校验位为4 个字节的数据相加取结果的低8 位数据作为校验和，单片机将检测到的数据解析，得出温度的具体数值后显示在液晶屏上。

■2.9 系统硬件原理图

本次方案使用了OLED 液晶显示器来显示检测到的滴速以及滴速的上下限值。采用STM32F03C8T6 单片机作为核心控制，同时还采用了滴速传感器来检测药水的水位。在图中，还设计了三个按键，用于设置滴速速度的报警上下限值。当滴速超过预设上限或者下限时，蜂鸣器会发出报警声。当瓶中没有水时，系统会发出警报以提醒使用者。当液滴速度低于设定值时，电机会正转以提高液滴速度；当液滴速度高于设定值时，电机则会反转以降低液滴速度。该单片机系统使用5V 直流电源供电，采用DS18B20 传感器对药水温度进行实时监测，继电器则用于控制加热片进行加热。其硬件原理电路图如图3 所示。

3 软件设置

■3.1 软件主程序架构

当硬件模块调试结束后，需要专门指定的单片机和外设传感器来进行软件的调试。整个程序架构需要根据流程图按部就班，由传感器前后排列次序完成架构。经过分析，软件架构依次可以分为：DS18B20 温度采集，步进电机控制、滴速传感器检测当前滴液速度，液位传感器检测当前水瓶中水量位置，将结果呈现在OLED 液晶显示器上。按键设置滴速报警的上限和下限值，若越过报警的上下限值时，那么蜂鸣器便会发动警报，随即单片机按照规则使步进电机进行正反转。如果水瓶内无水，系统感知发送信号，即蜂鸣器会迅速报告紧急情况。完整的软件主流程如图4 所示。

图4 软件主流程图

■3.2 OLED 显示

为使显示器照常运作，应先写入调令符号，继而再写入需要显示的数据。下达指令来查看显示器是否处于运作状态，这是写入调令符号的充分必要条件。若在运作中,需要耐心等候，在确定显示器发出工作完成的信号后,才可以写入控制字符和数据。

■3.3 滴速检测

当滴速传感器馈电后开始工作时，传感器在接收到单片机所带来的信号时进行实时检测滴液的时间，从而测算得出滴速。将计算结果传送给单片机，单片机对数据进行分析，并将最终结果呈现在OLED 液晶屏上。滴速检测的流程图如图5 所示。

图5 滴速检测

■3.4 水位监测

液位传感器检测是其水位触液面通过一个压强传感器，检测实时压强值，若有水则会输出大于2.5V 电压，而LM393 输出高电平，反之无水输出低电平。其流程图如图6 所示。

图6 水位检测

图8

4 实验数据分析

首先，接通电源，液晶屏会显示当前的滴速。最左边是水位传感器，将水位传感器拿出，传感器周围无水时，蜂鸣器就会进行声光报警，并且在液晶屏上面会显示“无”。

第1 个按键用来设置当前滴速的下限和上限。第2 个键是加值，第3 个键是减值。再按回第1 个按键就会切换到上限的设置，连按两次第一个键将切换到温度的设置。如果滴速低于设置的下限，那么电机正转，来控制点滴的滴速。

接着设置滴速和温度，然后进行测试，可以用不透光的刀片来模拟点滴经过传感器的情景。刀片经过感应器时灯会灭一下，滴速比较小，电机就会正转，使点滴滴速变快。如果滴速超过设置的上限，电机就会反转。等到滴速刚好在设置的范围之内，电机就静止不转，说明滴速符合设置的范围。当滴速为零时，说明没有水，以此来检测有无水的状态。

通过按键来设置温度，温度感应器可以放在水里面，也可以放在瓶子外面，它用来感应当前的温度。假设将温度设置在30℃，当药水温度低于设置的温度时，蜂鸣器会进行声光报警，继电器会闭合，加热片会对药水进行加热。