基于单片机的医院输液系统设计

摘 要

随着自动化控制的不断发展，为了使医院工作人员更加轻松的工作，并且保证工作人员的工作效率，医院如何引进自动化设备作为临床医疗这个话题已经成为医疗事业的重点。静脉输液作为现代医疗的一种很常规的医疗手段，通过使药液直接进入到人体的静脉血液中直接起到治疗作用。本论文所阐述的医院输液系统将会对医疗事业有很大的帮助。
本课题是研究如何使自动化设备与静脉输液完美结合在一起的方法，本论文论述了如何用AT89SC51单片机以及多种传感器协同合作来实现自动化输液系统的。通过测速模块测出药液的滴速，通过红外感应模块反馈给单片机，继续向下传导信号来控制滴速保持稳定。通过液面检测传感器来反映出瓶中剩余的药液量，当到达起始时设定的警戒位置时发出警报并亮起红灯来提醒医护人员。这个系统操作简洁、上手较快、具有报警功能并且方便集中控制，在现代医疗事业具有较大意义，推动了自动化的智能医疗事业的发展, 有利于提高医护质量。
本项目总体实现了使用红外线感应模块来感应到液体的滴速，可以自行调节滴速。并可在护士站直接显示出瓶中剩余液体量与剩余时间，使护士可以实时了解输液情况。当瓶中的剩余量到达警戒值时发出警报并亮起红灯来提醒进行更换或拔除。本项目的整体设计对医院输液系统达成自动化做出巨大贡献。

关键词：51单片机；医院输液系统；输液监控系统。

1系统方案设计与论证

1.1系统硬件设计方案

输液器控制系统大致可分为以下几部分：电机系统、液位检测、剩余时间计算、滴速测量、键盘显示。结构图如下。

图1.1总体结构框图

1.2点滴速度测量电路方案的选择及论证

下行速度的测量在整个设计中起着重要的作用，它不仅是系统的基础，也是系统的最终回归点，根据当前市场使用的设计方法和电子控制原理，具有以下方案:
方案一：使用反射式红外光电传感器。反射式红外传感器放在输液袋的一端。当它掉落时，接收器会利用它的反射式红外线追踪功能。但因为水滴大小以及外表形状的差异，有时会导致反射信号不稳定，上下振动会发生，从而产生强烈的干扰。
方案二：在红外线软管处测量输注速度的基本原理是防止接收管在发射和产生高电平脉冲时接收红外光束。为了提高抗干扰能力，可以使用两对红外传感器进行接收和传输。而不是像场景1中那样只使用其中一个传感器在反射模式下工作。红外传感器体积小，重量轻，易于安装在跌落箱上；同时，它不需要复杂的辅助电路，电路非常简单，性能也相对稳定。现代红外传感器生产实践中发挥了巨大作用。
因为难以通过使用反射型红外传感器和对面的红外传感器来判断水的流速，尽管水流相对于红外而言相对较弱，但它比反射性要强。与其他红外线传感器相比，它可以更敏感地感知流速。因此，这个方案很容易实现，使用第二种方法来测量液滴下落速度更简单方便。

1.3液面检测电路方案的选择及论证

项目要求输液瓶中液体的剩余量滴完的时间低于5分钟时发出警报信号。其余下时间必须与滴漏速率和滴漏量相结合进行测量。如果10滴的分辨率为1 ml，则应立即在10 ml的位置发出警报。
方案一：与液滴速度测量模块还使用红外线传输和接收。根据接收管接收到的亮度，判断液位是否达到警告水位。如果它达到了警戒水位，它就会被及时送回单片机，然后中断报警。
方案二：使用质量传感器，当液体达到实际测量中的固定位置时，传感器会测量和比较液体的总质量。当总测量质量等于设定值时会发出警报。
与双面红外传感器相比，它具有成本低、安装方便等优点。只需要修理输液瓶外壁的传感器而不是精确计算输液瓶的液位。因此选择相对应的传感器既方便又实用，并且稳定性很高。

1.4通过电机控制滴速电路的方案论证

1.4.1电机控制滴速的方案设计

方案一：通过调整滴瓶高度h。根据滴瓶高度h与滴瓶速度的关系，发动机驱动滴瓶升高或降低以改变滴瓶高度h，从而调整速度。这种方法的原理简单易行，大多数设计者都采用这种方法。因此，我们需要通过实验来粗略地测量与相应高度相对应的水滴速度，并记下它存在于单片机中，然后直接对其进行调整。在滴斗处用红外系统来测量水滴的速度。模拟示意图如图1.2。
方案二：与人工输液相同，下降速度是通过控制木材的结来控制的，这是普遍接受的，但下降速度夹的特性决定了它只适合于液体下落速度的大幅度不均匀调整，当涉及微调时很难控制，不易实现。综上所述选择方案一。

图1.2 输液模拟示意图

2输液系统各模块的硬件设计

本章节主要介绍了电机模块、电源模块、声音报警模块以及步进电机的工作原理，详细介绍了如何串联各部分工作单位进行工作，使该项目完整运行。主要结构框图如图2.1所示。

图2.1 结构框图
病床端结构框图如图2.2所示。

图2.2病床端框图

护士站端机构框图如图2.3所示。

图2.3护士站端结构框图

3 系统设计结果分析

3.1 设计实现过程

（1）测试条件：
测试点环境温度：25°C
（2）测试仪器：
PC机 秒表
直流稳压电源
（3）测试方法及结果
表4.1 滴速设定及相关稳定时间测量结果
测试次数 当前值 设定值 稳定时显示值 稳定时实际值 稳定时间 误 差(滴/分)
1 171 20 19 20 1′50″ 1
2 20 150 150 152 1′40″ 2
3 150 70 70 71 57″ 1
4 71 80 82 83 11″ 1
5 82 20 21 21 51″ 0
6 21 25 25 26 10″ 1
7 25 50 50 51 16″ 1
根据表4.1的分析，在整个过程中，测量误差小于项目所需固定值的1%。同时，稳定时间也小于项目所需的3分钟，因此下降速度设置功能符合标准。
报警功能测试：
当药液滴低于设定界面，或药液容量/药液滴速度小于300秒时，即5分钟，告警设备工作正常，表明告警功能正常。总结起来，每个测试过程都是正常的，并且该输液系统基本完成了设计任务所需的基本功能。

4 电路焊接

本项目采用手工焊接的方法进行焊接，在焊接前首先对各元器件进行检查，在确认其完好后才能够进行焊接，否则会导致系统无法运行。然后开始在电路板按照原理图上放置各元器件。焊接时连续时间不得超过10秒。焊接结果如下图4.2。

图4.2电路板焊接

5 实物调节

当模拟开始时，表示病人已经开始输液，这时病床端以及护士站端开始显示瓶内剩余的液量，以及此时液体流速，并且显示瓶中剩余药量还需要多久可以滴完。确保护士站端可以保证实时监控病人的输液状况。
在输液过程中病人可以自行观察瓶中剩余的液量来进行监控，但为了防止病人有时注意力没有放在观察瓶内剩余量上或者病人入睡导致输液事故，在瓶内剩余量不足时，将会响起警报亮起红灯来提示护士站端前来给病人进行更换或者拔出输液器。显示方式如图4.3所示。

图4.3 报警显示图

6 结 论

该系统已完成了液滴桶上液滴速度的检测，并设计了可动态显示液滴速度的液晶显示装置。液滴速度可以通过改变高度来控制。可通过键盘设置和显示喝酒速度。设定范围为50-90，误差在规定范围内。当高度达到报警值时，可发出报警信号，并可手动触发报警模式。
通过模拟结果可得出能够满足的要求有以下几点：
（1）相显示液滴滴速、剩余输液时间；
（2）对输液速度可以自动控制；
（3）将病床端与护士站端相连接，使输液情况可以及时传输到护士站端，便于护士观察。
（4）当剩余的输液时间达到一定时间（5分钟）时，可以通过相应的设备触发自动警报或输液情况。
此设计还完全分析并确定了输液系统设计的关键和难点，通过理论分析、论证判定这些辩证思想达到最佳设计方案。