医用点滴滴速监测和告警系统的设计
【摘要】 为确保医疗工作中不同类型患者点滴输液的安全，设计一种基于单片机AT89C51的红外监测系统和通信系统。本文阐述了该系统的硬件组成、工作原理和软件设计。该系统可以实现对医用输液状况的实时网络化监测和声音告警，主从通信程序中增加的定时程序可避免从机关闭或不能正常通信时出现死循环。实验测试结果表明该系统网络通信和声音告警性能较好、操作简便，误差范围为(0.96±0.17)%滴/min。
【关键词】 滴速监测; 声音告警;AT89C51; 红外传感; 网络通信
点滴输液已经成为现在医疗常规的手段［1］。对于不同年龄、不同病患程度的受液患者或使用不同的输液药物，要求有不同的点滴流速，合理的点滴流速可以避免出现危险，同时可以让患者感到舒适和方便护士操作。为确保输液安全，本文设计了基于单片机的医用点滴流速监测、声音告警和网络通讯系统，不但可以对网络中的从机输液状况实施实时监测，而且能通过主机网络化管理各从机，当出现流速异常情况和液面低于警戒值时会有声音告警。由于本设计与现有技术的主要不同点在于主从通信程序中增加了定时程序，该功能可以避免从机关闭或不能正常通信时出现死循环。现对此系统作一介绍如下。
1 系统的功能、结构及工作原理
1.1 系统的功能
本系统所要实现的具体功能如下：(1) 可以在点滴斗处监测点滴流度，3个LED数码管可以动态地显示点滴流度（滴/min）；(2) 当点滴流速超出适宜的范围（即小于30滴/min或大于150滴/min，该范围可以在产品出厂前按需设定）会自动声音报警；(3) 当输液瓶内的药水液位降到警戒线（离瓶口2～3 cm）时，会发出声音报警信号；(4) 具有一个主机和多个从机，可以实现网络化监控，便于医务人员管理。
1.2 系统结构和工作原理
医用点滴流速监测系统的结构框图如图1所示。红外传感器采集的滴速模拟信号和高度模拟信号，通过电压比较器判断成为数字信号后由单片机进行数据处理，单片机根据程序处理数据后进行LED显示和声音报警输出；主机则通过RS-232与从机进行通信［2-3］。
图1 医用点滴流速监测系统结构框图
2 系统的硬件设计
2.1 选用红外传感技术监测
红外线比可见光的波长要长，受环境光的影响较小；红外装置较轻，尺寸较小，只有一个红外发射和接受管；红外光的线性灵敏度较高，外围电路简单；采用的功率也小，红外不是可见光；所以我们选用红外传感技术监测点滴流速和液面的高度［4-5］。
2.1.1 点滴流速监测设计 点滴流速监测电路如图2所示。红外光通过输液管点滴斗，由于点滴管是塑料的，对红外光有衰减作用。没有液滴通过时，监测到的电压较高。而当有液滴通过的时候，光再次衰减，同时光被折射和反射，光能损失严重，因此监测到的电压较小。在电压比较器的负输入端接入一个可调电压，就可以把监测到的有液滴通过时的最大电压和没有液滴通过时的最小电压区分开了［5-6］。输出结果是：有液滴通过时，电压比较器输出的电压是低电平；没有液滴通过时，输出的电压是高电平。
2.1.2 点滴液面高度监测设计 点滴液面高度监测电路如图3所示。事先要设定需报警的液面高度，并在此处放置红外线监测装置。当液面高度小于设定的高度时，红外光受到玻璃的吸收，光衰减了一些，但出来的电压是较高的电压。液面高度大于设定的高度时，红外光就被药液折射、反射和吸收，接受器接受的电压是较小的电压［4，5］。我们在电压比较器的正端接入可调电压，就可以把监测到的液面高度大于设定高度的最大电压和监测到的液面高度小于液面的最小电压区分开来。输出结果为：液面高度大于警戒高度时，输出电压为高电平；当液面高度小于警戒高度时，输出电压为低电平。
2.2 声音报警
当系统监测到输液状态出现时，如液面高度小于警戒高度和流速超出安全范围时，控制器会通过电流放大后驱动蜂鸣器，发出声音提示输液出现异常状态。用声音报警的好处是避免长时间输液时患者或看护人员因疲劳睡着引起的医疗事故。
2.3 动态数码显示
本系统选用单片机的一个8位IO端口控制驱动8位LED动态数码段，3位IO端口可以控制驱动3个LED动态数码位。
3 系统的软件设计
3.1 点滴滴速算法
该软件中关键的问题是点滴滴速的算法，设计中采用的方案是根据一定滴数N滴下所需要的时间t来点滴流速的［4, 6］：我们定时t0=５０ms，并且每50ms个数n自动加1，那么N滴的时间长度t=0.05s×n，速度计算公式为v=60N/t。设定N=10，当流速取最大值150滴/s时，所以每10滴的时间长度为tmin=4s，那么最大系统误差为Δmax=t0/tmin×100%=1.25%±滴［4］。
3.2 软件流程
系统程序采用模块设计，结构清晰，便于升级和维护。模块主要分为主程序、外部中断0中断服务程序、外部中断1中断服务程序和串口通信中断服务程序,共计4个模块。
图4 外部中断0中断服务程序流程图
主程序主要完成程序初始化（包括开两个外部中断，一个定时中断，一个串口通信中断），并显示当前的水滴流速；外部中断0中断服务程序流程如图4所示，主要用来监测点滴流速，一旦有水滴流过，它自动计数，当计数满后，就自动点滴流速。外部中断1中断服务程序主要是用来监视液面高度的，一旦水位达到警戒线，单片机控制端口可以通过放大电流驱动蜂鸣器，声音提示输液出现异常状态；串口通信中断服务程序主要是用来与主机进行通信。
4 多机通信
AT89C51串行口在方式2和方式3下具有多机通信功能，可实现一台主机对多台从机之间的通信，其连接图如图5所示。主机发送的信息可以传到各从机或指定的从机，而各从机发送的信息只能被主机接收而不能被其它从机接收。
图5 主从式多机通信系统示意图
多机通信时，充分利用了单片机的多机通信位SM2。当从机的SM2＝1时，从机只可以接受主机发出的地址帧（第九位为1），而对数据帧不予理睬；而当SM2=0时，从机可接收主机发出的所有信息。
4.1 多机通信实现过程
4.1.1 准备阶段
定义从机地址，000H～0FEH，最多可接入250台从机；设置SM2=1处于只接收地址帧状态;设置REN=1能允许串行口中断。
4.1.2 通信阶段
主机发送的地址信息的特征是串行数据的第9位是1，而发送的数据信息是串行数据的第9位为0。从机就是利用SM2来确认主机是否在呼叫自己的。被寻址的从机确认后，从机会将自身的SM2清零以便和主机通信。地址不符的从机SM2保持为1，将无法接收主机的数据，并返回断点。
4.2 多机通信协议及其流程
多机通信协议主机程序流程图如图6所示,多机通信协议从机流程图如图7所示。具体流程如下：(1) 主机发送地址，从机验证地址，并把地址信息反馈回主机;(2) 主机反馈验证地址，如相符则把TB8置零，开始发送数据；如不相符则把TB8置1，继续发送地址;(3) 主机在接收信息时，开启定时程序。如果在设定的时间到达之前，接收完数据则会继续下一步操作。要是设定的时间到了，还没有接收完信息，可设置该从机显示为灭零状态，返回主程序。设置该功能的目的和意义在于主从机通信可能受到环境的干扰，从机的关闭或其它障碍导致不能正常通信时可以避免通讯在子程序中出现死循环。
4.3 通信方式
就通信方式而言，我们采用的是有线通信。在我们这个实物中，由于主机与从机的距离比较短，我们只是采用TTL电平通信。当然如果为了增加通信距离，可以采用RS-232C或RS-422标准总线接口实现近程和远程通信。当采用RS-232C标准进行单向数据传输时，最大数据可传输为20 kb/s,最大传输距离为15 m。当采用RS-422标准时，最大传输速度可达10 mb/s，最大传输距离为300 m；若适当降低数据传输速率，传送距离可达1200 m［5］。
5 现场测试与验证
表1 实验数据和误差（略 ）经现场测试得知本系统的误差范围是(0.96±0.17)%滴/min，现场测试结果详见表1。测试结果表明该系统网络通信和声音告警性能较好、操作简便。
6 结束语
红外光的波长较长，线性灵敏度较好，对人体的机能无影响，适合用于医疗测量。基于单片机AT89C51设计的医用点滴流速监测、声音告警和网络通讯系统，不但可以对网络中的从机输液状况实施实时监测，而且能通过主机网络化管理各从机，当出现流速异常情况和液面低于警戒值时会有声音告警。本设计与现有技术的主要不同点在于主从通信程序中增加了定时程序，该功能可以避免从机关闭或不能正常通信时出现死循环。实验证明该系统运行良好且精度高，具有一定的实用价值。
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［1］ 全国大学生设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2003)［M］.北京:北京理工大学出版社,2002:157-168.
［2］ 薛钧义,张彦斌,虞鹤松，等.凌阳十六位单片机原理及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社, 2003:228-232.
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