基于安芯一號的醫(yī)用輸液器智能控制系統(tǒng)

一、項目設(shè)計背景及概述

1、開發(fā)目的

眾所周知，我國人口眾多，醫(yī)療資源稀缺，醫(yī)院時常人滿為患。輸液作為一種重要的治療手段，其受眾面是非常之廣，幾乎每個人都有在醫(yī)院掛水的經(jīng)歷。然而進(jìn)入信息時代的今天，輸液器卻仍然保留著最原始的功能，缺乏智能化或信息化的控制手段，這也是導(dǎo)致醫(yī)院注射室秩序混亂，護(hù)士疲于奔命，患者苦不堪言的最直接原因。目前醫(yī)院所使用的懸掛式輸液器雖然有控制流速的裝置，但無法得知輸液剩余時間，且缺乏輸液完畢后的報警系統(tǒng)，使患者不能合理安排注射時間，且注射完畢后不得不大聲呼喊護(hù)士，這樣做既造成了注射室的喧嘩，影響了其他患者的休息，亦耗費(fèi)了患者的體力。

2、功能特性

本小組設(shè)計的輸液器智能控制系統(tǒng)不但可以實時調(diào)整患者輸液的流速，而且可以以剩余時間的方式，形象直觀地指出患者的輸液進(jìn)度，并且在輸液即將完畢后自動發(fā)出提示。

3、創(chuàng)新性及實用性

本裝置的創(chuàng)新之處在于，比較以往傳統(tǒng)的輸液裝置只具備輸液功能和簡單的調(diào)速功能，本裝置賦予了其監(jiān)測時間和結(jié)束報警的功能，使得患者可以根據(jù)自己的意愿精確設(shè)定輸液時間，做到與其他事宜的無縫銜接，合理安排手頭工作。舉個例子來說，就如同于我們平時下載電影，如果只知道下載速度而不知道下載剩余時間，就會顯得很被動，無法統(tǒng)籌控制和管理各下載任務(wù)，無法合理安排其他事務(wù)。而正因為有了剩余時間，使得我們可以精確安排下載流程，合理調(diào)配各項活動。對醫(yī)院而言，本裝置也可使醫(yī)務(wù)工作者及時獲知患者輸液信息以便補(bǔ)液和結(jié)束輸液，做到有條不紊，秩序井然，最終提高效率。本裝置的實用性在于，無需對傳統(tǒng)輸液器進(jìn)行改裝加工，只需在頂部掛鉤處添加本裝置即可。此外其結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，使用方便。

二、項目設(shè)計原理

1、總體設(shè)計原理

由物理知識可知，懸掛著的輸液瓶主要受到兩個力：一個是豎直向下的重力G，另一個是豎直向上的拉力F。由于F=G，故輸液瓶靜止與空中。

另外輸液瓶中的液體：

(1-1)

(1-2)

(1-3)

由以上三式，可得：

(1-4)

由于 為常數(shù)，故：

(1-5)

其中K為常數(shù)，可知輸液瓶受到的拉力F與瓶中液體體積V成線性關(guān)系。那么通過測量拉力F，即可得到體積V。

基于以上的推論，本系統(tǒng)通過測量一段短時間 內(nèi)輸液瓶受到拉力的變化量 ，并與此時受到的拉力F做一下運(yùn)算即可得到輸液結(jié)束所需的時間t：

(1-6)

注：F為除去輸液瓶毛重后液體所受的拉力

2、硬件設(shè)計原理

硬件上的設(shè)計難點在于液體重量的獲取。針對此問題，我們采用了高精度的3kg拉力傳感器(如圖2-1所示)，此傳感器是電阻橋式壓力傳感器。

圖2-1 拉力傳感器

電阻橋式壓力傳感器的工作原理如下所述：將應(yīng)變片黏貼到受力的力敏型彈性元件上，當(dāng)彈性元器件受力產(chǎn)生變形時，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而使電阻阻值發(fā)生變化，有力引起的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，通過測量輸出電壓的數(shù)值再通過相應(yīng)的計算即可得出測量的物體的重量。其內(nèi)部電路如圖2-2所示。

圖2-2 拉力傳感器內(nèi)部電路

盡管此傳感器的精度較高，但其輸出的電壓仍然很低，單片機(jī)的AD口不能檢測出來。我們采用的方案的是：采用專用的傳感器檢測芯片HX711。

HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A 或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A 的可編程增益為128 或64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV或±40mV。通道B 則為固定的64 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。

從傳感器輸出的電壓經(jīng)過HX711的128倍放大后，由其24位AD采樣后得到的數(shù)值已能夠滿足此項目的需求。

由于此傳感器的精度較高，其對電源的要求而隨之提高，為了滿足其對供電的需求。我們使用了5V線性穩(wěn)壓器使供電電源更加穩(wěn)定，紋波更小。

以上就是硬件設(shè)計原理的介紹，詳細(xì)的硬件設(shè)計將在后面的硬件設(shè)計中論述。

3、軟件設(shè)計原理

本項目軟件部分的設(shè)計難點在于如何準(zhǔn)確地獲取輸液的重量，如何抵抗外部的干擾。

依據(jù)總體設(shè)計原理里提及的輸液剩余時間的獲取，軟件程序?qū)@取的總重量減去稱重傳感器毛重及輸液瓶重量后即為輸液的重量，再通過每1s的采樣獲取輸液重量的變化，即可計算出剩余時間。但實際中并不完全是這樣的。由于在實際中輸液的速度極慢，礙于傳感器的精度有限，在1s的采樣周期內(nèi)，采集到的輸液重量幾乎不變，無法進(jìn)行剩余時間的預(yù)測。為了克服這種情況，我們參照光電編碼器里的T測量轉(zhuǎn)速的辦法，通過測量在第n個1s內(nèi)輸液重量改變1個單位，再將n乘以1s采樣周期內(nèi)改變1個單位所算得的剩余時間，這才得到輸液剩余時間。

由于輸液瓶并不是靜止不動的，每時每刻它都受到各種力的作用。這會對我們重力的測量帶來各種干擾。為了盡量降低這種干擾的影響，我們的軟件程序中對運(yùn)算得到的重量變化率進(jìn)行了簡單的一階濾波，這能有效地降低高頻干擾的影響。不過，這樣依然不夠的，如輸液瓶遭到人為施加的晃動時，剩余時間會突變得非常嚴(yán)重的。故我們的程序中，通過每三個變化周期里其剩余時間變化一致時才認(rèn)為采集到的數(shù)據(jù)為正確的數(shù)據(jù)。通過這種辦法，能夠很好解決外部大的干擾帶來的影響。

在此，我們只是介紹了軟件設(shè)計中所用到的重要技術(shù)，詳細(xì)的軟件設(shè)計將在后面的軟件設(shè)計中論述。

三、項目設(shè)計

1、硬件設(shè)計

圖3-1 硬件總體框圖

簡要說明一下，我們采用的供電方案是：由220V市電經(jīng)電源適配器得到5-12V，然后經(jīng)過LM2940-5.0線性穩(wěn)壓芯片得到5V，再給單片機(jī)、傳感器、LCD顯示屏和無線模塊供電。

由于拉力傳感器受壓后輸出值改變量小，故需要經(jīng)過放大電路后再送到單片機(jī)的AD口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到足夠的精度。而由于HX711芯片內(nèi)部已自帶128倍可編程放大器，故不需要在外部電路多加放大電路。

由于醫(yī)院的輸液室不算寬廣，而且輸液懸掛點較多。針對這種情況，無線模塊使用Zigbee是最合適的。但手頭上暫無Zigbee，只有以前用過的XL02-232AP1。故無線模塊暫定于XL02-232AP1。

為了開發(fā)的方便，LCD顯示屏?xí)簳r利用手頭上已有的OLED128*64 0.96寸黃藍(lán)雙色顯示屏。

以下是系統(tǒng)的硬件原理圖：

圖3-2 系統(tǒng)硬件原理圖

由于時間緊急，我們并沒有PCB打樣。我們利用以前用過的舊板上通過飛線焊接，搭建最小系統(tǒng)。實物圖如下所示：

圖3-3 最小系統(tǒng)實物圖

配上各種模塊后的實物圖如下所示：

圖3-4 總的實物圖

2、軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為兩個部分：上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)的工作主要是在規(guī)定的采樣周期內(nèi)采集輸液的重量，經(jīng)過算法計算得到輸液剩余時間，然后通過OLED顯示及通過無線模塊發(fā)送到上位機(jī)。

而上位機(jī)的工作主要是收集下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分類并排序，最后在界面上顯示出來。

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)的程序先經(jīng)過各方面的初始化(包括定時器、串口、稱重傳感器的去皮等)，然后等待1s采樣時間的到來。當(dāng)1s采樣周期到來時，單片機(jī)通過HX711采集輸液的重量，對于真實的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不符合的拋棄。以下是其程序流程圖：

圖3-5 下位機(jī)程序框圖

2.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)經(jīng)過初始化，打開特定通訊端口，創(chuàng)建連接后，就等待著下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否符合通訊協(xié)議的規(guī)定(通訊協(xié)議為：A5+ID+AA+剩余時間)，符合進(jìn)行排序并顯示;