基于安芯一號單片機的醫(yī)用輸液器智能控制系統(tǒng)設計

一、項目設計背景及概述

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，這也是導致醫(yī)院注射室秩序混亂，護士疲于奔命，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，亦耗費了患者的體力。

2、功能特性

本小組設計的輸液器智能控制系統(tǒng)不但可以實時調整患者輸液的流速，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速功能，本裝置賦予了其監(jiān)測時間和結束報警的功能，使得患者可以根據(jù)自己的意愿精確設定輸液時間，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，無法合理安排其他事務。而正因為有了剩余時間，使得我們可以精確安排下載流程，合理調配各項活動。對醫(yī)院而言，本裝置也可使醫(yī)務工作者及時獲知患者輸液信息以便補液和結束輸液，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)輸液器進行改裝加工，只需在頂部掛鉤處添加本裝置即可。此外其結構簡單，易于安裝，使用方便。

二、項目設計原理

1、總體設計原理

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做一下運算即可得到輸液結束所需的時間t：

(1-6)

注：F為除去輸液瓶毛重后液體所受的拉力

2、硬件設計原理

硬件上的設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：將應變片黏貼到受力的力敏型彈性元件上，當彈性元器件受力產(chǎn)生變形時，應變片產(chǎn)生相應的變化，進而使電阻阻值發(fā)生變化，有力引起的阻值變化轉換為電壓的變化，通過測量輸出電壓的數(shù)值再通過相應的計算即可得出測量的物體的重量。其內部電路如圖2-2所示。

圖2-2 拉力傳感器內部電路

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計的24位A/D轉換器芯片。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、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。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動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A 或通道B，與其內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。芯片內提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的A/D 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。

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。

以上就是硬件設計原理的介紹，詳細的硬件設計將在后面的硬件設計中論述。

3、軟件設計原理

本項目軟件部分的設計難點在于如何準確地獲取輸液的重量，如何抵抗外部的干擾。

依據(jù)總體設計原理里提及的輸液剩余時間的獲取，軟件程序將獲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，采集到的輸液重量幾乎不變，無法進行剩余時間的預測。為了克服這種情況，我們參照光電編碼器里的T測量轉速的辦法，通過測量在第n個1s內輸液重量改變1個單位，再將n乘以1s采樣周期內改變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算得到的重量變化率進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計中所用到的重要技術，詳細的軟件設計將在后面的軟件設計中論述。

三、項目設計

1、硬件設計

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、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的AD口進行模數(shù)轉換以得到足夠的精度。而由于HX711芯片內部已自帶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顯示屏暫時利用手頭上已有的OLED 128*64 0.96寸黃藍雙色顯示屏。

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、軟件設計

軟件設計主要分為兩個部分：上位機和下位機。下位機的工作主要是在規(guī)定的采樣周期內采集輸液的重量，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。

而上位機的工作主要是收集下位機發(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 下位機軟件設計

下位機的程序先經(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1s采樣周期到來時，單片機通過HX711采集輸液的重量，對于真實的數(shù)據(jù)進行處理，不符合的拋棄。以下是其程序流程圖：

圖3-5 下位機程序框圖

2.2 上位機程序設計

上位機經(jīng)過初始化，打開特定通訊端口，創(chuàng)建連接后，就等待著下位機發(fā)送數(shù)據(jù)。當上位機收到數(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)，符合進行排序并顯示;不符合則拋棄。其軟件流程圖如下所示：

圖3-6 上位機軟件流程圖

四、測試結果

我們的程序調試完畢后，用醫(yī)用輸液瓶進行測量，測量的結果如下表所示：

表4-1 實驗測量結果

從上表上的數(shù)據(jù)可以看出，在短時間內的誤差幾乎為0，而在較長時間上有所不足，在我們的實驗上誤差最大為15.7%，但其實際上偏差的分鐘數(shù)并不算很多(最多為11分鐘)，這在實際使用當中依然能讓人接受。

五、總結

本方案是以深聯(lián)華單片機芯片為核心，通過相應的傳感器和無線模塊，將病人當前輸液時間信息實時的反饋給院方和病人的一個效率解決方案。針對當前醫(yī)院輸液混亂的現(xiàn)實情況，本著以病人為核心，以醫(yī)院工作效率為重點而提出的這個輸液時間監(jiān)控解決方案解決了輸液時間這個長期存在但并未正確解決的問題，使醫(yī)院輸液秩序得到有效的維護，并解決了病人在無法獲知時間的焦急感。而且在實際測量中，其結果能讓人滿意。本方案設計產(chǎn)品精巧，有效，成本低廉，同時后期可擴展的可能性大，可大面積的在醫(yī)院推廣使用。