输液控制系统的设计

输液控制系统的设计

[摘要] 本文设计的输液控制系统，实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液面高度的检测报警，使用者可以通过按键设置输液速度，系统将自动对输液速度进行控制。当输液结束或输液速度发生异常时，报警并停止输液。本论文还设计出一种结构简单的输液加热器，使得在低温环境下输液也能大大减少不适反应。

[关键词] 输液控制硬件设计软件设计

1.前言

随着人们对生活要求的不断提高，在医疗领域对输液量和输液速度精度的要求也越来越高，对静脉输液的流量进行精确的控制可以达到更加的治疗效果，但现在的医院输液系统仍主要是靠人员的手动操作，护士根据病人的实际情况来手动调节液滴的速度，使得药液的滴速不能十分准确，而且随着单个患者输液和注射通路的增多以及整个病房、病区输液和注射器的大量使用，医护工作人员的劳动强度越来越大，差错率也大为上升，这些都成了医疗隐患，给病人和医院都带来很大麻烦，而且一些特殊的患者往往因为药物不能以恒定、适当的速度，自动定时、定量、恒温向病人进行灌注，给病人带来了更多的本可以避免的痛苦。

综上所述，在输液过程中，需要一种输液设备，其输液量和输液速度都可以精确控制，且能避免他人随意更改，而且能够对整个输液过程的安全性进行自动监测，以便减轻护理工作的强度，改善医患间的关系，达到更好的治疗效果[1] [2]。

2.系统的硬件设计

图1 系统总体原理框图

输液定量控制系统的整体设计思路是：利用AT89S52单片机的定时器、通信串口、大量的通用I/O口和在数据处理方面需要用到的快速的硬件乘法器及高速的指令执行。系统由传感器检测电路、控制电路、报警电路、LED显示电路、键盘电路等部分组成。系统总体原理框图如图1所示。本文将对主要硬件电路设计进行详细论述。

2.1 监控系统的硬件设计

设计的监控系统方案如所示。本监控系统采用单电源方案，这样，将使电路更加简单、安全、方便。输液采集信号系统中，采用的光电传感器结构，红外发光二极管发出红外光，光线照射到光电三极管上，光电三极管将接收到的光信号转换成电信号输出，当输液管有液滴通过时，光电三极管送出高电平信号，当输液管没有液滴通过时，光电三极管输出低电平信号。用光电传感器ST178来检测单位时间内点滴下落的个数，具体电路形式如图2所示。

图2 滴速和液位检测电路图

当无液滴落下时，红外光在滴斗表面发生全反射，光敏三极管导通，比较器输出低电平；当滴斗处有液滴落下时，红外光在穿过点滴时有散射现象发生，光敏三极管只能接收到微弱的光信号，截止，比较器输出高电平。电路输出脉冲信号输入到单片机T0口，单片机对脉冲信号计数，从而确定点滴下落速度[8]。

2.2 报警部分设计与实现

用红外检测传感器检测液面的高度，让红外发射和接收管正对放置在瓶口两边，警戒线的高度，由于有液体和没液体时接收到信号强度不同，而在液面处对红外线的反应也与有水和没水不一样。根据接收信号强弱不同，用比较器处理可得到水位到临界线时引起的较大的电信号差异，由此判断水位到警戒线，单片机发出报警信号。电路中使用555作为蜂鸣器的报警驱动电路。单片机通过T0发送中断信号，通过555驱动蜂鸣器报警[7]。

2.3 输液温度控制设计

为减小冰冷的药液进入人体血管产生的不良反应，本系统设计了输液加热器，他包括外壳、输液袋进口、进针口、液体导热层、加热元件和电源插头。其中外壳作为主体支撑部件，为长方体中空结构，外壳上端设置有输液袋进口，下端设置有进针口，在外壳的内腔内表层上设置有液体导热层,在液体导热层与外壳内腔内表面之间设置有加热元件,在有液体导热层的外壳外表面上设置有内置的电源插头，即制作成输液加热器[4]。

使用本输液加热器时，将装有液体的输液袋放入加热器内腔中，将输液管针头从进针口插入输液袋，将电源线接入电源插头，通电后，加热元件开始对液体导热层进行加热，液体导热层再对输液袋进行加热[5][6]。

2.4电源电路设计

电源部分是保证输液控制系统正常工作的基本单元。它包括：电源启动保持电路、电源监控电路、电源指示电路。设计电源电路时考虑到其工作的可靠性，输出电压的稳定性，电压输出种类及参数要满足要求，同时能在突然停电的情况下可以通过蓄电池供电的功能，确保病人正常输液。因为能在逆变情况下，正常的进行输液是输液定量控制系统的一个基本的要求，也是稳定性能好坏的一个决定性因素，所以本系统的电源一定要有电源监控电路，当停电时，马上启动蓄电池供电电路；另外本系统的电源管理单元还要有电源启动保持电路，以免无意碰到电源开关，关闭电源；电源主体电路提供电路需要的电源。

3.系统软件设计

单片机控制系统工作时，首先要进行必要的初始化，通过初始化使控制系统

处于准备好的状态，以保证能随时启动医用输液定量控制系统开始工作。不断扫描键盘，确认按键状态。当有按键按下后，就调用相应的子程序。

系统开始工作后，通过按键设定极限速度值的上限值和下限值，确定按键将设定的极限速度值存储到指定的地址空间，启动开始按键开始液滴检测程序，经过30s后调用数据处理程序处理检测结果，如果当前显示速度值高于极限速度的上限值或者低于极限速度的下限值，启动报警，否则，循环检测当前输液速度，此后，重新设定系统的初始化参数，经过3S重复一次上述过程，所以LED显示模块能够3S钟更新一次当前速度值，从而实现实时显示的目的，启动关闭系统键，系统检测停止。

当系统设定滴速值后，系统会反复扫描，确定滴速是在上限值和下限值之间，同时和设定的值进行比较，滴速超过每分钟2滴，则根据值的大小控制电机正转或反转，改变输液速度，使速度调整到设定范围内。

4.系统调试与结果分析

系统调试过程为先每个基本功能单独调试，调试到具备很好的精确度后，系统总体调试，根据事先预定的功能，不断的改变相应的硬件及软件，使硬件和软件可以很好的配合，最终完成整个设计。

测试可能误差来源分析：（1）外界对传感器的干扰，使得传感器不能正常工作，产生漏判影响数据的采集。（2）由于算法本身的缺陷，产生相应的计算误差。具体分析如下：

系统误差分析：当t=1min的时，滴数与容量的测量值关系如如表1所示。

表1测量的数据用最小二乘法计算得出的图型如图3所示。

图3 滴速与流量关系图

从图中曲线可以分析得出，用光电传感器测得的点滴速度与容量的计算关系十分接近，滴速误差不大于1滴/min，相关系数r=0.99，正相关很强，回归效果很好，说明本系统的线性度很好，精度高。

5.结论

在对输液控制系统的基本组成及工作原理的深入研究和分析的基础上，主要得出以下结论：

（1）设计的医用输液定量控制系统完成了输液的实时有效的控制与显示，实现了可预置控制液滴速度，定时、定量、输液完毕时或者出现输液异常时自动报警功能。