基于STM32的输液监控系统设计与实现

基于STM32的输液监控系统设计与实现

刘刚;凌强;徐骏;李博伦;李峰;王嵩

【摘要】为实现静脉输液的智能化与网络化,研制了一套以STM32为核心的输液监控系统.该系统具有液滴检测、液滴速度显示与控制、余液显示、无线通信和声光报警等功能.系统采用红外对管检测莫菲氏滴管内的液滴滴落情况,用步进电机及配套传动装置控制液滴流速,用OLED显示屏显示液滴速度及剩余液量,用WIFI232模块实现无线通信.若发生异常情况,利用蜂鸣器和LED灯进行声光报警,相关人员可根据提醒及时处理.该系统具有很好的应用前景.

【期刊名称】《微型机与应用》

【年(卷),期】2016(035)001

【总页数】4页(P91-94)

【关键词】输液监控;STM32;无线通信;步进电机

【作者】刘刚;凌强;徐骏;李博伦;李峰;王嵩

【作者单位】中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027

【正文语种】中文

【中图分类】TP23

静脉输液是临床医学中最常用的辅助医疗方法之一。据统计，80%以上的住院患

者接受静脉输液治疗[1]。在患者进行输液治疗的过程中，医护人员会根据药液和

患者病情选择适宜的输液速度。目前，大部分医院仍然依据医护人员的经验通过人工调整输液管的流速调节器来控制输液速度，这具有很大的不确定性。同时，患者、陪侍或医护人员需要监视药液余量情况，这增加了护理人员的工作强度和意外情况发生的可能。

本文研制了一套基于STM32的输液监控系统来替代人工监护。系统采用红外对管检测莫菲氏滴管内的液滴滴落情况，用步进电机及配套传动装置控制液滴速度，用OLED显示液滴速度及剩余液量，用WIFI232模块实现与PC机的无线通信。通

过观察上位机的监控管理软件，医护人员可实时掌握多个病人的输液进程。若发生异常情况，蜂鸣器和LED灯会进行声光报警，相关人员可根据提醒及时处理。该

系统不但提高了患者输液时的舒适程度，提高了静脉输液的治疗效果，还降低了护理人员的劳动强度，减轻了医护人员的工作压力。

1.1 系统组成

基于STM32的输液监控系统的结构组成如图1所示。主要包括红外液滴检测模块、按键模块、步进电机及其驱动电路、输液关断传动装置、无线通信模块、显示模块、报警模块等。该系统采用性能优越、功耗低的32 位微处理器STM32F103ZET6

作为控制核心。

1.2 工作原理

系统的工作原理：初始状态时，步进电机控制传动装置挤压关断输液管，此时液滴无法滴落。医护人员根据药液属性和患者情况设定输液速度，微处理器控制步进电机顺时针转动，步进电机通过齿轮组带动传动装置的丝杆-螺母机构转动。传动装

置逐渐减缓对输液管的挤压，因此，输液管内越来越多的药液通过挤压处。液滴检测模块的红外对管实时监测液滴滴落情况，检测电路将红外对管监测到的液滴滴落

情况转换为高低电位传送给微处理器处理。微处理器将高低电位情况转换为实时速度并设定速度比较，当实时速度等于设定速度时，微处理器控制步进电机停止转动，与步进电机相连的传动装置也停止运动，流经输液管挤压处的药液流量恒定，输液速度不再变化。微处理器将输液速度、药液剩余量以及预测输液结束时间等数据通过无线通信模块传送给PC机，医护人员观察监控软件管理界面的显示情况进行处理。患者通过OLED显示模块观察输液速度和预测输液结束时间等情况。如若需要，患者可根据自身情况通过按键向上或向下调整输液速度。微处理器通过控制步进电机顺时针或逆时针转动来增加或降低输液速度。当输液剩余量低于设定值时，微处理器通过控制步进电机逆时针转动来关断输液，通过LED灯闪烁和蜂鸣模块

报警来提醒患者，监控管理软件通过高亮显示剩余输液量来提示医护人员进行处理。由系统组成可知，系统包含了较多的硬件单元，本文重点介绍红外液滴检测、输液关断、无线通信三个核心单元。

2.1 红外液滴检测

液滴信号的精确采集是计算滴速的前提，信号采集既要确保不会漏检，又要符合卫生需要，不能接触药液。为此，采用红外光电传感技术，将红外对管的发射管和接收管分别安装在莫菲氏滴管的两侧[2]。红外对管供电正常工作时，发射管发射红

外光，红外光穿过莫菲氏滴管照射到接收管，接收管将接到的光强转换为电流。若莫菲氏滴管内无液滴滴落时，红外光光强损失小，接收管转换的电流较强；莫菲氏滴管内有液滴滴落时，红外光光强损失大，接收管转换的电流较弱。利用此原理，设计如图2所示的电路，将电流变化转化为电压变化，从而将药液滴落情况转换

为电压的变化情况。

如图2所示，在5 V电源系统供电的情况下，红外发光二极管的发光频率由音频

译码器LM567决定。当莫菲氏滴管内无液滴滴落时，接收管能接收到红外发光二极管发出的光，从而产生较强电流。电流足以使接收管内的三极管导通，三极管所

在支路产生与二极管所在支路频率相同的电流。经过双运算放大器LM358的放大和反相，音频译码器LM567的3脚输入信号与中心振荡信号(图中输出信号)一致，根据音频译码器LM567的工作原理，8脚输出为0 V低电平。当莫菲氏滴管内有液滴滴落时，接收管接收到红外发光二极管发出的部分光，从而产生较弱的电流。电流不足以使接收管内的三极管导通。双运算放大器LM358的U1输入端输入信号与发光二极管的电流频率不一致，故而音频译码器LM567的3脚输入信号与中心振荡信号不一致，根据音频译码器LM567的工作原理，8脚输出为5 V高电平。当药液不断滴落时，音频译码器LM567的8脚输出端口形成一个标准的矩形波正向脉冲。低电平表示无液滴滴落，高电平表示有液滴滴落。将LM567的8脚输出端连接到STM32的I/O端口上，利用定时器的输入捕获功能可测量出两个上升沿的时间间隔，也就是两个液滴之间的时间间隔，从而计算出液滴滴落速度。

2.2 输液关断

系统采用Φ15mm步进电机和丝杆-螺母机构作为输液关断装置。STM32微处理

器通过L293D驱动步进电机转动，与步进电机相连的齿轮组也随之转动。丝杆-螺母机构固定在齿轮组最后一级的齿轮上。固定螺母的横向转动，螺母就会在丝杆转动的情况下轴向移动。输液关断装置正是利用螺母的轴向移动来挤压输液管，达到控制输液速度的目的。

由于STM32的负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在

STM32和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载能力。系统采用L293D作为驱动芯片，该芯片完全能满足驱动需求。

步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移。由于选用的Φ15mm步进电机为两相四线步进电机，故STM32须输出四路脉冲信号控制电动机转动相位角。四路脉冲信号要按照步进电机的工作原理输入，本系统采用四相四拍脉冲输入，输入波形如图3所示。