岳秀明 王红 左振永

摘 要：为了解决医院或小型诊所中输液问题，采用STC89C51单片机作为核心模块，通过按键设定输液速度，监测无液滴滴下或者输液速度异常，进行声光报警，并通过步进电机驱动对输液速度的调整，不用人看护就能安全地完成输液过程。在输液过程中如果有情况能及时报警并停止输液，有效的节省了人力、物力、财力。

关键词：单片机;传感器;步进电机;滴速

绪论

目前医患比例失调，医护人员也无法满足所有患者输液过程的陪同，输液过程中要时刻监查液滴滴速。如果病人在输液的过程当中有其他的需要，例如走动等情况的发生，很可能会造成输液速度的异常。设计出能够显示实时滴速并且当滴速高于或低于设定值以及监测到无液滴滴下时发出声光报警信号的输液监控系统，可以帮助患者监控输液过程，解决了患者输液时无法休息的问题。

一、系统总体设计

本系统是由护士站、病床以及病床和护士站之间的数据通信三大部分组成。其系统结构框图如下图1所示。

二、系统的硬件设计

（一）主控单元

本系统主要是采用STC89C51单片机作为主控芯片来进行数据的接收和处理。此款单片机是一个内部扩展到了8k字节集成可编程功能flash的新一代MCU。同时外部扩展了更多的通用IO口，虽然它也是搭载51内核单片机，但是整体的结构和功能相比较传统的51单片机做了许多的改进，为相当一部分工控领域难题提供了解决方案。因此此款单片机可以选用为本设计的主控芯片。

（二）点滴监测单元

本系统主要采用的是对射式红外传感器。发射器通过信号调制电路，发射出红外线。红外线的接收过程是将载波控制信号通过光学滤波器后转化成电信号。由于信號转化十分微弱，因此需要能量放大电路将信号放大之后进行信号甄别。经过信号放大之后，传感器采集到了载有不同信息的电压，通过电压比较器转换成高低电平传给单片机[1]。单片机根据高低电平的输入信号频率，通过一定的算法来计算液滴的滴速。

红外线传感器发射端和接收端中都用到了LM393芯片，LM393芯片为电压比较器，它的原理是将红外接收管的电压信号和自己设置的阈值进行比对，从而输出高低电平，高低电平用于单片机判断输液此时处于哪个状态。

（三）声光报警单元

报警系统比较简单通过一个三极管控制蜂鸣器的通断，其实蜂鸣器还有很多种的鸣叫方式，以便更能引起人们注意，可以通过软件编码实现，这里主要进行讨论硬件的电路设计。三极管的知识在这里得到充分应用，其实这里还可以使用MOS管来进行替换。本设计直接在PNP三极管的发射极端口接上蜂鸣器，基极端串联电阻接单片机引脚，单片机通过控制信号中断来操控蜂鸣器，控制简单方便[2]。

（四）滴速显示单元

为了能够实时显示液滴滴落速度，显示系统外接了一个数码管用于可视化。本设计采用数码管进行设计，可以清晰的显示当前值，并且节省能耗。数码管还可以工作在宽电压下，支持3.3V以及5V供电模式。数码管模块需要注意的是单片机的引脚只有P1是上拉模式，其他都是不带上拉电阻的[3]。另外单片机的最大拉电流和灌电流也需要考虑在内，防止导致系统不稳定或者过早损害。

（五）步进电机控制单元

当系统判断输液结束时，通过发送控制指令，调整步进电机转角，从而加紧输液管路结束输液。本设计的执行结构通过单片机发送对应的脉冲指令控制电机转动对应转角，此次设计采用42BY015型步进电机，采用ULN2003芯片构成了一个完整的步进电机驱动电路执行机构。

（六）无线通信单元

本设计采用了无线通信的方式来进行数据的传输。315M无线传输模块适合短距离传输，受外界干扰小。为了降低成本同时缩短开发周期，采用315M无线传输模块，将输液主站和从站串联起来，保证数据传输的安全稳定性。315M无线传输模块分为发射模块和接收模块。整个模块主要采用了SC2262以及SC2272M4芯片作为无线传输的主要芯片。这两块芯片成对配合使用，分工明确。SC2262作为发射芯片，主要是用于将信号调试完成之后进行发射。它是一款将载波振荡器、发射单元、以及其附属电路集成于一身的集成电路。接收端SC2272芯片检测到当前地址与发射芯片的地址一致时，便可接收数据。

三、系统的软件设计

本系统采用51MCU系列作为核心功能模块，核心模块用于信息的处理。因此在软件代码的开发上选择了兼容51系列MCU的C语言软件开发的环境KEIL uVision4。主程序设计流程主要是定时器初始化，调用显示子函数，显示滴速。调用计算函数，根据单片机对信号的处理，判断出有没有液滴的信号，如果有液滴信号，利用液滴计算法计算出实时滴速，在数码管上显示出当前的滴速值，如果没有液滴信号，结束该程序。

四、系统测试

系统软硬件实现后，将对系统的进行测试，测试是否实现相应的功能，验证系统设计的正确性和合理性。在经过系统静态测试没有发现错误后，进行整个系统的测试，将系统连接电源，开始模拟输液情景，当滴速低于或高于设定值以及检测到回血时，10秒内会触发报警，数码管上将会显示横线，蜂鸣器和LED灯光同时响应，步进电机旋转九十度夹死输液管。

五、总结

本文设计的是医院护士站智能输液监控系统，它是基于STC89C51单片机进行设计与实现的。使用红外对管采集输液信息，然后传输给单片机，单片机分析和处理采集到的数据信息，然后对比当前滴速和按键设定的滴速，如果当前滴速和设定滴速不相同，将会触发声光报警单元，护士站和病床同时进行声光报警。本系统用信息化手段实现了护理信息规范化，护理工作量精准化等。

参考文献：

[1]王海，王建卫，周熠，熊天润.基于单片机STC89C51输液监控装置报警系统的设计[J].电子制作，2016（23）：20+22.

[2]朱越，姚松丽，陆欣辉，杨天豪，林一凡，朱晓晨.基于单片机的无人值守输液监控系统软件设计[J].产业与科技论坛，2018，17（14）：70-71.

[3]上官光华.高精度输液监控系统设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2015.

[4]韩晓光.智能输液监控系统[D].宁波大学，2017.

[5]孙海微.无人监守输液自动监控系统[D].长春：吉林大学，2018.