刘丰恺，辛志强，徐子浩

（东北大学 信息科学与工程学院，辽宁沈阳，110819）

0 引言

静脉输液作为各级医疗机构中最常规的治疗手段，其应用场景非常广泛，但是输液过程的自动化、智能化发展却非常缓慢。目前可实现输液全过程自动化的控制系统十分匮乏，因而开发一套智能化输液监控报警系统对临床工作具有重要意义。

目前，临床上使用的自动输液器大多是基于蠕动泵结构，一般只具有药液完全输尽时截止输液和报警的功能。国内有关智能输液控制系统的研究多集中于将智能算法应用在传统单药瓶输液过程。例如，陈宇等[1]设计了一套分布式智能输液监控系统，通过改变药瓶高度调节输液速度，该系统结构复杂，占据空间大，不利于临床应用。周强等[2]研制开发一种新型半挤压式智能输液泵，提出了新型滴速控制结构和方法，控制精度高，但不能实现事故报警和通信功能。孔雪卉等[3]设计了一种智能输液控制系统，结合PID 算法控制液体滴落速度，通过CC2530 无线通信模块将输液信息发送至PC 端，便于统一管理。黎恺敏等[4]设计了基于STM32 的智能输液监控系统，该系统能够实时监测药液温度、输液速度并实现数据显示和报警控制，解决了医护和患者之间的信息交互问题。张昱昊[5]等设计了基于STC89C52 单片机的智能远程输液系统，通过移动端软件系统实现对输液速率的控制。于邵杰等[6]设计了基于STM32的智能输液装置，加入蓝牙模块、心率测量模块等进行智能化扩展。

综上所述，虽然静脉输液过程的控制系统已经有了成熟的方案，但由于市场上新兴的双头输液管的结构特殊性，极少出现适用于双头输液器的配套控制系统。尽管巫春兰等[7]研制的静脉输液管理系统具有双管输液模式，但是仅具有输液速度调节功能，并不能在输液全过程中实现自动化。为在静脉输液中使用双头输液器进一步实现智能控制和监控报警，本文尝试使用单片机控制技术、红外检测技术和步进电机驱动技术，解决双头输液器两支管内药液的流速控制问题，实现滴速控制和更换输液药瓶的功能。最终开发出了一套适用于双头输液器的双药瓶输液监控报警系统。本系统能够自动更换输液药瓶和检测事故报警，可以有效减轻医护人员的工作量，保障患者输液安全，适于应用在医护资源紧缺的乡镇医疗机构。

1 设计方案

基于STC89C52 单片机设计了双药瓶输液监控报警系统，将单片机技术、红外光敏检测技术和机械控制原理以及无线网络通信技术应用到输液控制系统中。在单片机通过蓝牙模块接收到手机端设置的目标滴速档位信息后，经液滴检测模块实时获取当前药液滴速和是否完成输液或发生堵塞等输液安全状态，同时控制夹持装置分别对双头输液器两支管进行滴速控制、截流保护以及更换药瓶的操作。最后，当输液完成或发生堵塞等急需医护人员处理的情况时，系统启动报警模块发出警报。双药瓶输液监控报警系统的总体设计方案如图1所示。

图1 双药瓶输液监控报警系统设计方案

1.1 硬件设计

以STC89C52 单片机最小系统作为主控单元，使用红外对管（含发射管和接收管）作为检测单元，以步进电机为主体的夹持装置作为执行单元构成滴速检测与控制系统。此外，系统设有蜂鸣器报警模块，用于提示输液完成或输液管发生堵塞；系统设有蓝牙模块用于将手机端设置的目标滴速档位信息传递给单片机；整个系统由电源模块供电。

(1)滴速检测模块

采用红外对管采集莫氏滴管中液体滴落信号，从而实现对药液滴速的测算。红外对管的工作原理为由光敏接收管接收红外发射管的光信号，若两管间有药液滴落，光敏接收管收到的光强会减弱，该信号经比较器电路滤波放大整形，得到电平变化。单片机通过I/O 口接收到这个信号，并统计在单位时间内电平变化次数，即药液滴落次数，进而实现对输液速度的测量。若没有液滴滴落，电平不发生变化。滴速检测模块电路原理如图2 所示。

图2 滴速检测模块电路原理图

(2)夹持结构及其电路设计

本系统中，对滴速的精确调控由以步进电机为主体的夹持结构执行。在双头输液管中“Y”形支管两端各设置一个步进电机，共同构成夹持装置，用于实现滴速调控、药瓶切换和截流保护的功能。

单片机借助L298N 与L297 驱动芯片分配脉冲信号实现对步进电机的控制，根据输液速度情况，调节电机正反转，改变输液管径宽，使药液滴速回到设定范围内。步进电机采取半步励磁方式，丝杠滑块位移精确度良好，并且运转平滑，适用于精密度较高的输液系统。步进电机控制电路如图3 所示。

图3 步进电机控制电路

本系统采用半步模式驱动二相四线制步进电机，可以精准控制电机旋转角度以及丝杠滑块运动距离，该夹持结构设有适用于双头输液器支管限位结构，便于稳定输液器。

(3)蜂鸣器报警电路

在本系统中，采用蜂鸣器作为报警单元，信号由单片机I/O 口输出，连接到NPN 三极管基极，在集电极输入+5V电压，将蜂鸣器接在发射极和地之间，可以实现，单片机输出为低电平时，三极管截止，蜂鸣器不发声；单片机输出为高电平时，三极管饱和，蜂鸣器发声报警。

(4)供电与电压转换模块电路

本系统中步进电机需要12V 电压驱动，同时蓝牙模块需要3.3V 电压驱动，因此需要电压转换模块供电。本系统供电模块由220V 相电压经转接口得到12V ，再通过LM2596 芯片组成的电压转化模块，将12V 转为5V，从而可以为单片机系统供电。另外，系统采用AM1117 芯片进行电压转换，将5V 电压转换得到3.3V 电压用于蓝牙模块的工作。供电模块与电压转换模块电路，如图4 所示。

图4 供电模块与电压转换模块电路

1.2 软件设计

软件主要用 Keil uVision5 开发环境进行开发，根据程序逻辑对STC89C52 单片机进行编译调试。系统软件设计主要包括主程序和EEPROM 程序两个方面。

（1）主程序

本文根据系统控制滴速、自动换瓶以及事故报警等功能的设计要求对系统主程序进行设计，流程图如图5 所示。系统通电后，首先对单片机的I/O 接口、串口和EEPROM存储器进行初始化；随后依据系统功能进行滴速判断，根据实际滴速与预设范围的关系，对夹持装置进行控制；当系统判断滴速为0 时，证明当前药瓶输液完成，调整夹持装置切换当前输液药瓶，并重复滴速判断过程；当药瓶按上述过程切换3 次时，系统判断双头输液器两端的药瓶均输液完成或发生堵塞事故，立即夹紧夹持装置的两个电机，同时发出报警信号，呼叫医护人员前来处理。

图5 系统软件主程序流程图

（2）EEPROM 程序

EEPROM 程序用于从手机端蓝牙串口软件中获取滴速档位信息并存储，用于主程序中与实际滴速之间的滴速比较。系统设置三种速度挡位，设置挡位信息如表1 所示，蓝牙连接后数据透明传输，通过手机端输入挡位设置指令，若指令输入有效且正确给出正确回应；若输入错误给出错误回应；若指令无效给出未知回应。EEPROM 存储的滴速档位数据经主程序处理，可以实现与实际滴速的比较，用于对输液滴速进行反馈调节。

表1 挡位指令设置信息

2 监控系统测试

对本系统各模块进行单独调试运行无误后，进行实际输液实验对系统整体功能进行实验。测试结果如表2 所示。

表2 实验测试结果

测试过程：通过改变手机端的输入指令调节输液管管径得到稳定的初始滴速，通过手机端预设滴速档位，系统通电后开始计时，统计输液速度再次稳定时的滴速和耗时以及稳定后丝杆运动位移。测试结果中，液体滴速均在较短时间内调整至预设滴速档位范围内，实现了液体滴速的有效控制。

三组实验分别是由初始稳定状态通过系统控制最终达到缓慢、较快、快速三个挡位，通过对每组实验的重复试验，得到图6 的实验结果。可以发现，每组实验最终得到的稳定状态均在预设挡位范围内；其中缓慢挡位（12~17 滴/20秒）的波动更小，说明本系统控制下对慢速输液过程的稳定性、安全性更高。

图6 各组实验稳定

测试中正在工作的夹持装置如图7 所示。

图7 测试中正在工作的夹持装置

3 结论

本文针对市场上缺少完善的适用于双头输液模式的智能输液控制系统，设计了基于STC89C52 的双药瓶输液监控报警系统，主要对系统的软硬件进行设计，同时对双头输液器的结构进行研究，为输液控制和更换药瓶的功能打下了基础。从功能上看，所涉及的双药瓶输液监控报警系统，可以实现输液速度控制、输液完成报警、检测堵塞事故报警、自动更换输液药瓶的功能；利用蓝牙模块，通过无线通信技术，实现手机端输入指令控制滴速范围的效果，减轻了医护人员和患者的工作量，同时，避免发生静脉输液事故，保障输液过程中患者的安全。该系统成本较低，应用场景广泛，技术实现相对简单，适合在各级医疗机构中推广使用。