基于红外传感器的智能输液报警系统

引 言

输液是临床医学最常用的治疗手段。在病人输液过程中， 往往由于病人体质虚弱、昏迷、入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意输液全过程，因此需要专人监护，不仅加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理[1,2]。输液完毕后，若不及时处理，病人的血液就会因空管而倒流入输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀；若处理过早，即药液还未输尽就取管摘瓶又会造成药液的浪费，因此，常引发病人的不满以至投诉[3]。本系统是一款便利且轻巧的点滴速度报警器， 不仅可以减轻医护人员的工作负担，还可给病人营造出更加安心舒适的就医环境，减轻病人的心理负担，减少医患之间的矛盾。

1 工作原理

1.1 系统原理

本文设计的输液系统根据光电感应原理制成。当光线变化时，会使阻挡发射部分和接收部分的电信号瞬间变化，这种变化可将光信号转换为电信号，供相关电路检测。由于本款产品具有设计小巧、价格低廉等优点，可广泛应用于各种门诊、社区服务中心等。相较于传统高精度、昂贵的点滴监控设备， 该产品可面向更广大的受众群体 ，便于更多患者使用。系统架构如图 1所示。

1.1.1 单片机最小系统

单片机最小系统是指用最少的元件组成的可以工作的单片机系统。

本文单片机最小系统由电源接口，开关，时钟电路，下载接口，复位电路和 STC89C52 单片机组成。

STC89C52RC 是STC 公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有 8 kB 系统可编程FLASH 存储器。STC89C52 使用经典的MCS-51 内核，并做了较多改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能[4,5]。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位CPU 和系统可编程FLASH，使得 STC89C52 可为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案[6,7]。

1.1.2 液滴检测基于红外对射传感器

红外对射式传感器功能齐全，灵敏度高，体积小，有效距离长，抗震性能好，不易受干扰，低功耗，响应时间快，使用寿命长，液滴检测稳定且成本低，完全符合高精度医疗设备的需求[8]。通过测量计算两点滴下落的间隔就可确定滴速。

红外对射传感器使用红外线发射管持续供电，当接收管被遮挡时，输出高电平，反之则输出低电平。

1.2 检测流程

1.2.1 液滴检测流程

本设计中的滴速计算可防止由滴速引起的患者输液不适。通过控制电机来控制液瓶的高低以调节滴速。超速时可报警。其中外围数据处理与显示模块由软件程序完成，具体流程如图 2所示。

1.2.2 速度检测子程序

本系统采用红外对管用于信号发射接收，当检测到液滴 时信号发生变化，产生相应的脉冲，通过记录两次液滴的信号 变化，借助程序运算即可得出液滴滴速 [9,10]，检测子程序框图 如图 3 所示。

1.2.3 电机控制子程序

电机运动根据系统状态设定。若在设定范围内，则不会 有动作；若小于设定值，则进入正转程序，反之进入反转程序。 电机控制程序如图 4 所示。

1.2.4 键盘程序

本系统设计有复位键，首先程序会检测有无按键输入， 若无则单片机无动作，若有则进行其他程序动作。同时根据 需要拓展了“加”“减”和“报警”功能，通过“加”“减”按 键来设定滴速大小 [11,12]。报警设计为主动和自动两种形式 ：当 有人按报警键时，可以自动报警 ；若无人按键，当触发报警程 序时，10 s 内若无人处理则会自动报警。报警结束后停止滴液， 以保证病人安全。

2 本设计具有的功能

2.1 测速控制

系统可通过 1 s 内所获得的脉冲数来检测滴液速度，并将 其显示在显示屏上。若需要更精准地测量滴液速度，则可通 过用户按键的方式自定义获得脉冲时间，当无点滴落下时可自 动阻断进程。

2.2 点滴计数

系统可记录液滴的滴数，并将其显示在显示屏上。点滴 每滴落一次，信号处理电路中的红色发光二极管便随之闪烁 一次，检测原理如图 5 所示。

2.3 回血检测

红外对管用于发射接收。由于血液的颜色比较深，遮挡 红外光线后，可检测到信号，从而进行中断报警 [10]。

2.4 数码显示

数码显示采用数码管，在满足显示方案数据的条件下， 数码管不仅编程简单 ，还具有低能耗、低损耗和寿命长等特征， 对环境的要求较低。

系统包含两个显示界面。其中一个显示界面主要与点 滴速度有关，界面显示的内容主要包括点滴速度（单位为 P/ min），另一个界面可供用户自主设置系统最低限和最高限。

2.5 蜂鸣报警

以蜂鸣器鸣响和报警指示电路中的红色发光二极管是否 发光作为报警提示，在输液结束后提醒医护人员和患者及其家 属。此外，如果和无线模块连接，无线模块也具有报警功能。

2.6 按键输入

用户可通过硬件设备上的按键设置测量每分钟点滴的最 高限和最低限。

3 系统测试

制作完成后进行测试，检查是否符合要求。具体包括硬 件测试与软件测试。智能输液器实物如图 6 所示。

3.1 硬件测试

硬件测试依次为传感器及数据采集部分测试、通信电路 测试、电机运行测试等，通过调整时间与点滴速度来控制精度。

3.2 软件测试

软件测试是一个自下而上、逐步集成的过程，本系统采 用自下而上的测试方法。

3.3 点滴报警系统测试结果

改变主机键盘输液速度的设定值，以测试系统的调节效 果和响应速度，发现两者均正常，基本可以自动完成调节，且 误差范围在 0 ～5% 之间，测试结果见表 1 所列。

4 结 语

本文系统由单片机及电机键盘等组成，主要功能有：可 设置及显示滴液速度，自行设置滴速 ；当输液速度不在设定 范围内时，自动报警并调节；当输液过程中出现特殊情况时可 自行报警 ；当输液结束或出现紧急情况时可及时提醒护士，无 需护士每时每刻亲自监测患者的输液情况。本系统操作简洁、 便利，减轻了医护人员的劳动强度，减少了病患家属的陪护， 有利于提高医护质量，进一步提高了医院服务系统的智能化水 平，是一种可以针对多个床位进行独立监测的智能输液监控 系统，在现代医疗事业中具有较大的实用价值，推动了智能医 疗事业自动化的发展，且对于设备结构的分析和电子设计的 研究具有重要的现实意义。