基于單片機(jī)的智能輸液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：圍繞解決病人輸液需要家屬全程監(jiān)護(hù)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的智能輸液控制系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由主從站組成，其中從站由數(shù)據(jù)處理單片機(jī)和數(shù)據(jù)通信單片機(jī)組成，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、控制等功能；主站由數(shù)據(jù)通信單片機(jī)控制，主要完成通信功能。主從站之間采用無(wú)線模塊PTR8000完成數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；主站；從站；無(wú)線模塊

0 引言
    隨著智能化控制研究的不斷發(fā)展，自動(dòng)化臨床設(shè)備的研究日益成為醫(yī)療器械發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，因而設(shè)計(jì)一種智能輸液管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液過(guò)程的全程監(jiān)控是醫(yī)學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文以遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)輸液實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，通過(guò)下位機(jī)采集各床位患者的輸液信息，再以無(wú)線的方式將數(shù)據(jù)傳達(dá)至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸液數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，以及在特殊情況下的報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)由主、從站(或上位機(jī)和下位機(jī))構(gòu)成，核心控制器件是單片機(jī)。主站由數(shù)據(jù)通信單片機(jī)組成，從站由數(shù)據(jù)處理單片機(jī)和數(shù)據(jù)通信單片機(jī)組成。主要包括四個(gè)設(shè)計(jì)模塊：a．從站數(shù)據(jù)采集電路，包括液滴信號(hào)的采集和輸畢信號(hào)的采集；b．從站數(shù)據(jù)處理電路，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、處理及控制；c．從站數(shù)據(jù)發(fā)送部分電路，包括數(shù)據(jù)處理單片機(jī)與數(shù)據(jù)發(fā)送單片機(jī)之間的串口通信及數(shù)據(jù)發(fā)送單片機(jī)與無(wú)線發(fā)射模塊PTR8000之間的SPI通信；d．主站數(shù)據(jù)接收部分電路，主要為主站無(wú)線接收模塊PTR8000與單片機(jī)之間的SPI通信及單片機(jī)通過(guò)RS232接口與PC機(jī)之間的通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 主站設(shè)計(jì)
    主站主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線接收，并將數(shù)據(jù)以串口形式傳送至PC機(jī)儲(chǔ)存。PC機(jī)接數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示床位號(hào)、輸液速度、報(bào)警信息等。主站以單片機(jī)作為無(wú)線模塊PTR8000的控制器，且控制1602液晶屏顯示相關(guān)通信信息。電路如圖2所示。

2．2 從站設(shè)計(jì)
2．2．1 從站硬件電路組成
    根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)際功能需求，把從站作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，功能細(xì)化后硬件電路包括AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、液滴檢測(cè)電路、輸畢檢測(cè)電路、鍵盤(pán)電路、12864LCD接口電路、1602接口電路、共陰雙8數(shù)碼管顯示電路、指示燈電路、聲光報(bào)警電路、無(wú)線收發(fā)接口電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、RS232接口電路等。其中，液滴和輸畢信號(hào)主要采用紅外收發(fā)二極管來(lái)采集，信號(hào)經(jīng)過(guò)整形電路處理后送至單片機(jī)的外部中斷接口；采用步進(jìn)電機(jī)作用微控裝置壓迫輸液軟管的松緊程度來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制液滴速度的目的。從站設(shè)計(jì)框圖，如圖3所示。

2．2．2 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)
    信號(hào)采集處理電路如圖4所示，若測(cè)試時(shí)檢測(cè)液滴的電壓差信號(hào)過(guò)小，可在比較器前加上一級(jí)差動(dòng)放大電路增大檢測(cè)的可靠性。由信號(hào)采集電路原理圖可以看出，當(dāng)瓶?jī)?nèi)藥液液面在光路之上時(shí)(或液滴滴落切斷光路)，紅外接收二極管Receivel不能接收到紅外發(fā)射二極管Sendl發(fā)出的光，從而Receivel截止，晶體管也截止，OP07輸出端為高電平：當(dāng)瓶?jī)?nèi)藥液液面逐漸下降至光路附近時(shí)(或沒(méi)有液滴滴落時(shí))，紅外接收二極管Receivel能接收到紅外發(fā)射二極管Sendl發(fā)出的光，從而Receivel導(dǎo)通，晶體管導(dǎo)通，OP07輸出低電平，此時(shí)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知醫(yī)護(hù)人員及時(shí)采取措施，從而達(dá)到采集數(shù)據(jù)及控制報(bào)警的目的。系統(tǒng)從站電路如圖5所示，原理圖上半部分為數(shù)據(jù)采集部分，下半部分為數(shù)據(jù)通信部分。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 主站程序設(shè)計(jì)
    主站程序設(shè)計(jì)主要分為兩部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)通信控制及PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，即單片機(jī)無(wú)線接收子程序控制PTR8000接收數(shù)據(jù)及串口通信子程序控制將接收的數(shù)據(jù)傳送至PC，PC機(jī)端采用微軟的VC++6．0實(shí)現(xiàn)客戶端軟件的開(kāi)發(fā)，其中在串口開(kāi)發(fā)部分直接使用MSCoom控件。MSCoom控件是微軟公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)用于串行通信的控件。通過(guò)設(shè)置控件的幾個(gè)屬性，然后添加控件的事件響應(yīng)代碼就可以使串口按照要求進(jìn)行工作。
3．2 從站程序設(shè)計(jì)
    從站程序設(shè)計(jì)主要由以下幾部分子程序組成：鍵盤(pán)控制子程序、中斷控制子程序、步進(jìn)電機(jī)控制子程序、液晶屏顯示子程序及無(wú)線模塊收發(fā)控制子程序。其中數(shù)據(jù)處理單片機(jī)由鍵盤(pán)控制子程序設(shè)定滴速及輸液總量等信息，中斷子程序采集輸畢及液滴信號(hào)并計(jì)算輸液滴速及時(shí)間等數(shù)據(jù)，通過(guò)比較實(shí)測(cè)滴速和設(shè)定滴速產(chǎn)生控制信號(hào)調(diào)用步進(jìn)電機(jī)控制子程序完成調(diào)速功能，所有信息均由12864液晶屏顯示；數(shù)據(jù)通信單片機(jī)經(jīng)串口接收處理單片機(jī)的實(shí)時(shí)信息并控制無(wú)線模塊PTR8000發(fā)射出去。對(duì)于PTR8000的編程，必須在配置模式中對(duì)其進(jìn)行配置，在RX模式中，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號(hào)通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)自動(dòng)接收完成，MCU即可通過(guò)SPI接口讀取接收的數(shù)據(jù)，在TX模式中，PTR8000自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，準(zhǔn)備就緒(DR)通知數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。

4 總結(jié)
    系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，測(cè)試系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能有：a．按鍵確定床位號(hào)、設(shè)定輸液滴速及輸液總量；b．紅外收發(fā)二極管檢測(cè)液滴及輸畢報(bào)警信號(hào)并計(jì)算實(shí)際輸液滴速；c．根據(jù)實(shí)測(cè)滴速和設(shè)定滴速的差值有效控制步進(jìn)電機(jī)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)滴速的目的；d．根據(jù)設(shè)定滴速估算輸液總時(shí)間；e．根據(jù)實(shí)測(cè)滴速計(jì)算剩余時(shí)間；f．從站輸液信息均由12864液晶屏顯示，通信相關(guān)信息由數(shù)碼管及1602液晶屏顯示，主站監(jiān)控信息由PC機(jī)儲(chǔ)存顯示；g．由PTR8000模塊將床位號(hào)、實(shí)測(cè)速度等數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式傳輸至PC機(jī)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的；h．利用基于VC++的MSC控件設(shè)計(jì)合理的人機(jī)互動(dòng)界面。