基于单片机的医院输液监测系统

摘要：随着医疗科技的发展，高精度治疗手段的需求愈发凸显，各式医院输液监测系统应运而生。在该文中给出了一种基于单片机的医院输液监测系统。该系统基于单片机技术，引入红外对管、传感器、无线通信设备和技术对传统静脉输液设备进行了改进，提高了病患对药物的吸收率、减轻了医护人员的劳动负担、减少了静脉输液期间医疗事故发生几率。相较于其他输液监测系统，本系统具有运行稳定、性能可靠、成本较低、适应临床需求等优势，可行性较强。

关键词：静脉输液； 单片机； 输液监控； 滴速监控； 温度监控

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）28-0237-02

1 概述

静脉输液技术广泛应用于临床。医护人员需不定时巡检以保证输液过程正常进行，这对人力、物力资源造成了额外的消耗。基于这一现状，各式智能化医院输液监测系统应需而生。目前此类系统多采用光电式或红外线传感器检测药液液面[1][2][3][4]，这存在着响应时间长、频率特性差、受光线影响较大等问题。而在本系统中，优先采用了液位传感器检测液面，该传感器灵敏度高、稳定性好、具有反向保护及限流保护功能；另外，还有些系统采用热敏电阻作为温度传感器采集输液管温度[5]，此方式只能粗略的检测温度，易受环境影响，不具备可靠性。而在本系统中，采用了DS18B20数字温度传感器，体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高。因此，本系统是一款操作简便、显示直观、可集中控制、功能完善的智能型输液监控系统。

2 总体设计

系统主要由液位监测模块、滴速检测模块、温度控制模块、显示模块及无线传输模块组成，如图1所示。

液位监测模块负责采集输液瓶的液位信息，当液位到达最低警戒线时，通过报警装置进行声光报警，提醒医护人员更换药液；滴速检测模块可精确测量液滴滴速；温度控制模块可检测当前药液温度，并根据事先设定的输液适合温度范围进行温度调节；显示模块用于实时显示滴速、当前温度及适应范围等数据；无线传输模块利用WiFi数据传输将滴速、温度等信息传至PC端，便于医护人员了解输液情况[4]。具体流程见图2。

3 硬件设计

3.1 液位监测模块

该模块选用了智能型非接触式液位感应器（以下简称液位感应器），此感应器采用了先进的信号处理技术及高速信号处理芯片[2]，突破了容器壁厚的影响，实现了对密闭容器內液位高度的真正非接触检测。液位传感器（探头）安装于输液瓶外壁的下方（液位警戒线），当液位低于最低警戒线时，在病人端会发出声光报警 （LED灯光闪烁、蜂鸣器响），提醒护理人员及时处理[6]。具体原理见图3。

3.2 滴速检测模块

滴速检测模块通过红外对管实现。检测滴速时，红外对管对莫非氏滴管内液滴进行检测[2]，红外发送管对光的敏感性较强，当有液滴通过时接收管所接收到的红外线会发生明显变化，放大并进行电压比较后再经整形处理，产生一次低电平，在单片机中设置下降沿触发[7]，单片机的中断口启动10秒定时器计数。定时结束后通过采样滴数计算速度（20滴=1mL）。电压比较器工作电路及红外对管电路图分别如图4，5，6所示。

图4中，阻值为1.8K和3.6K的电阻串联分压后得到电压值U1，红外接收电路中产生电压值U2，将U1与U2共同输入到电压比较器中，比较后得到的低电平信号经由1引脚输入到单片机中。其中接1引脚的电阻（R=10KΩ）为上拉电阻，另两个电阻为分压电阻。

图5、6中所示电阻均起到限流、保护电子器件的作用。

3.3 温度控制模块

温度控制模块可以实时检测当前药液温度，在保证药性的前提下，适当加热液体使患者感觉更舒适[8]。用于测量温度的传感器种类众多，本系统采用体积小、成本较低、抗干扰能力强、精度高的DS18B20温度传感器。 DS18B20是一种全数字温度转换兼输出模块，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

为了使测量更精确，将传感器紧贴输液管管壁，同时在四周包裹保温材料。在输液管末端缠绕电阻丝，通过对其施加一定大小的电流达到加热目的。当液体温度低于设定阈值时，开始加热电阻丝产生热量；当温度到达设定范围上限时，DS18B20检测后输出信号至单片机，单片机断开电流，停止加热，使其达到调节温度的目的。

3.4 显示模块

该模块主要用于显示滴速、温度及设定温度正常范围，便于医院人员获取数据。

显示模块采用基于ST7920的12864液晶显示屏。该显示屏具有轻薄短小、成本较低、低耗电量、无辐射、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优点[9]。对于字符来说，12864可显示16×4个中文字符或32×8个半宽字符[10]，可满足系统基本要求。

3.5 无线传输模块

该模块主要用于实现PC端与单片机间的数据交流。单片机将接收到的数据通过发送端无线传输至接收端，在PC机上进行显示。

无线通信具有成本低廉、扩展性好、适应性好等优点。本系统选用的ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，具有超小体积的封装尺寸和超低能耗技术，是一款专为移动设备和物联网应用而设计的模块，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。

4 软件设计

本系统的核心是AT89C51单片机[11]。单片机作为整个系统的控制中心，接收液位感应器、红外对管及DS18B20温度传感器发送的数据，处理后分别发送至12864液晶屏及PC端进行显示。

单片机系统实现的主要功能如下：

① 接收液位感应器发来的信号，并控制声光报警装置开关。

② 利用中断子程序，计算10秒内外部中断口输入的下降沿数目，并根据公式计算得到1分钟内的液滴滴速。

③ 通过对比DS18B20检测到的实时药液温度与单片机的内部设定阈值，来控制电阻丝是否加热。

④ 将接收到的数据进行处理后发送至12864液晶屏及PC端进行显示（注意避免冲突）。

⑤ 利用ESP8266实现与PC机的无线通讯功能。

5 输液检测测试

为了检验输液监测系统的可靠性，我们进行了一系列相关模块的测试。滴速测试时，通过调节输液软管上的流速调节器，采集10组数据，与实验人员的目测计数进行比较；温度检测时进行了五组实验，每组实验包括正常范围内外的两组温度值，检验该模块测温及加热功能。

在具体的性能指标测量中，液位报警、加热、显示功能失误率为零，滴速检测存在3滴/min的误差，温度检测存在1℃左右的误差，但该误差值均在有效范围内。

经实际测量验证，系统的液位报警、滴速测量、温度控制、数据显示、无线传输等功能基本实现，对于静脉输液的自动监测来说，基本能满足使用需求。

6 总结

在本文中，给出了一种基于单片机的医院输液监测系统。该系统设备结构简单、费用低、有利于推广使用；可实现输液的自动监测与控制，既减轻病人家属及医院护理人员的劳动负担，提高医院输液系统的安全性、精确性和医护人员工作效率，也提高了医院护理和管理的自动化与智能化水平[3]，可广泛应用于社区医疗的输液实时监控，具有技术、经济、社会可行性，适用于普通民众。

参考文献：

[1] 曾惠芳，廖颀. 基于单片机的医疗点滴输液控制系统设计[J]. 微计算机信息，2006，23（23）：127-129+248.

[2] 田安华， 朱彦. 一种非接触式液位检测控制系统的设计与分析[J]. 四川理工学院学报：自然科学版， 2011，24 （4）：468-471.

[3] 蒋煜灿. 基于单片机的医疗点滴输液控制系统设计[J]. 电子技术与软件工程， 2014， 3（6）：166.

[4] 方庆山， 汪玉. 基于STC89C52單片机的静脉输液监控系统的设计[J]. 中国医疗设备， 2011， 26（6）：40-42.

[5] 李桂香， 周勋， 黄德群，等. 基于单片机的智能静脉输液监控系统[J]. 中国医疗器械信息， 2016，22（03）：56-58，79.

[6] 张克平. 静脉输液液位自动检测系统的研究[D]. 硕士学位论文，兰州理工大学， 2004.

[7] 姚运萍， 张育斌， 陈宇，等. 基于单片机的智能输液装置控制系统的设计[J]. 陕西科技大学学报：自然科学版， 2010， 28（4）：83-87.

[8] 雍小兰， 曾仁杰， 张勤. 静脉输液相关的不良反应及其原因[J]. 药物不良反应杂志， 2004， 6（3）：161-163.

[9] 王军. EDM12864液晶显示器原理与驱动技术研究[D]. 硕士学位论文， 吉林大学， 2004.

[10] 胡洪坡， 梁书剑， 张爱民等. 基于ST7920的12864液晶的使用方法研究[J]. 山西电子技术， 2011， 39（6）：82-84.

[11] 李喆， 余学飞， 陈光杰，等. 基于单片机的输液监控系统设计[J]. 医疗设备信息， 2006，21 （6）：13-14.