基于安芯一號單片機的醫用輸液器智能控制系統

　　一、項目設計背景及概述

　　1、開(kāi)發(fā)目的

　　眾所周知，我國人口眾多，醫療資源稀缺，醫院時(shí)常人滿(mǎn)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(gè)人都有在醫院掛水的經(jīng)歷。然而進(jìn)入信息時(shí)代的今天，輸液器卻仍然保留著(zhù)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。目前醫院所使用的懸掛式輸液器雖然有控制流速的裝置，但無(wú)法得知輸液剩余時(shí)間，且缺乏輸液完畢后的報警系統，使患者不能合理安排注射時(shí)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不但可以實(shí)時(shí)調整患者輸液的流速，而且可以以剩余時(shí)間的方式，形象直觀(guān)地指出患者的輸液進(jìn)度，并且在輸液即將完畢后自動(dòng)發(fā)出提示。

　　3、創(chuàng )新性及實(shí)用性

　　本裝置的創(chuàng )新之處在于，比較以往傳統的輸液裝置只具備輸液功能和簡(jiǎn)單的調速功能，本裝置賦予了其監測時(shí)間和結束報警的功能，使得患者可以根據自己的意愿精確設定輸液時(shí)間，做到與其他事宜的無(wú)縫銜接，合理安排手頭工作。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，就如同于我們平時(shí)下載電影，如果只知道下載速度而不知道下載剩余時(shí)間，就會(huì )顯得很被動(dòng)，無(wú)法統籌控制和管理各下載任務(wù)，無(wú)法合理安排其他事務(wù)。而正因為有了剩余時(shí)間，使得我們可以精確安排下載流程，合理調配各項活動(dòng)。對醫院而言，本裝置也可使醫務(wù)工作者及時(shí)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(shí)用性在于，無(wú)需對傳統輸液器進(jìn)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(jiǎn)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(zhù)的輸液瓶主要受到兩個(gè)力：一個(gè)是豎直向下的重力G，另一個(gè)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，故： （1-5）

　　其中K為常數，可知輸液瓶受到的拉力F與瓶中液體體積V成線(xiàn)性關(guān)系。那么通過(guò)測量拉力F，即可得到體積V。

　　基于以上的推論，本系統通過(guò)測量一段短時(shí)間 內輸液瓶受到拉力的變化量 ，并與此時(shí)受到的拉力F做一下運算即可得到輸液結束所需的時(shí)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(diǎn)在于液體重量的獲取。針對此問(wèn)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(shí)，應變片產(chǎn)生相應的變化，進(jìn)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(guò)測量輸出電壓的數值再通過(guò)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(lái)。我們采用的方案的是：采用專(zhuān)用的傳感器檢測芯片HX711。

　　HX711是一款專(zhuān)為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)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(diǎn)。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(jiǎn)單，所有控制信號由管腳驅動(dòng)，無(wú)需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開(kāi)關(guān)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(mǎn)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，用于系統參數檢測。芯片內提供的穩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，系統板上無(wú)需另外的模擬電源。芯片內的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機的初始化過(guò)程。

　　從傳感器輸出的電壓經(jīng)過(guò)HX711的128倍放大后，由其24位AD采樣后得到的數值已能夠滿(mǎn)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(mǎn)足其對供電的需求。我們使用了5V線(xiàn)性穩壓器使供電電源更加穩定，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(diǎn)在于如何準確地獲取輸液的重量，如何抵抗外部的干擾。

　　依據總體設計原理里提及的輸液剩余時(shí)間的獲取，軟件程序將獲取的總重量減去稱(chēng)重傳感器毛重及輸液瓶重量后即為輸液的重量，再通過(guò)每1s的采樣獲取輸液重量的變化，即可計算出剩余時(shí)間。但實(shí)際中并不完全是這樣的。由于在實(shí)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(wú)法進(jìn)行剩余時(shí)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(guò)測量在第n個(gè)1s內輸液重量改變1個(gè)單位，再將n乘以1s采樣周期內改變1個(gè)單位所算得的剩余時(shí)間，這才得到輸液剩余時(shí)間。

　　由于輸液瓶并不是靜止不動(dòng)的，每時(shí)每刻它都受到各種力的作用。這會(huì )對我們重力的測量帶來(lái)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(jìn)行了簡(jiǎn)單的一階濾波，這能有效地降低高頻干擾的影響。不過(guò)，這樣依然不夠的，如輸液瓶遭到人為施加的晃動(dòng)時(shí)，剩余時(shí)間會(huì )突變得非常嚴重的。故我們的程序中，通過(guò)每三個(gè)變化周期里其剩余時(shí)間變化一致時(shí)才認為采集到的數據為正確的數據。通過(guò)這種辦法，能夠很好解決外部大的干擾帶來(lái)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(shù)，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(jiǎn)要說(shuō)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(guò)LM2940-5.0線(xiàn)性穩壓芯片得到5V，再給單片機、傳感器、LCD顯示屏和無(wú)線(xiàn)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(guò)放大電路后再送到單片機的AD口進(jìn)行模數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。

　　由于醫院的輸液室不算寬廣，而且輸液懸掛點(diǎn)較多。針對這種情況，無(wú)線(xiàn)模塊使用Zigbee是最合適的。但手頭上暫無(wú)Zigbee，只有以前用過(guò)的XL02-232AP1。故無(wú)線(xiàn)模塊暫定于XL02-232AP1。

　　為了開(kāi)發(fā)的方便，LCD顯示屏暫時(shí)利用手頭上已有的OLED 128*64 0.96寸黃藍雙色顯示屏。

　　以下是系統的硬件原理圖：

　　圖3-2 系統硬件原理圖

　　由于時(shí)間緊急，我們并沒(méi)有PCB打樣。我們利用以前用過(guò)的舊板上通過(guò)飛線(xiàn)焊接，搭建最小系統。實(shí)物圖如下所示：

　　圖3-3 最小系統實(shí)物圖

　　配上各種模塊后的實(shí)物圖如下所示：

　　圖3-4 總的實(shí)物圖

　　2、軟件設計

　　軟件設計主要分為兩個(gè)部分：上位機和下位機。下位機的工作主要是在規定的采樣周期內采集輸液的重量，經(jīng)過(guò)算法計算得到輸液剩余時(shí)間，然后通過(guò)OLED顯示及通過(guò)無(wú)線(xiàn)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)送的數據，將數據分類(lèi)并排序，最后在界面上顯示出來(lái)。

　　2.1 下位機軟件設計

　　下位機的程序先經(jīng)過(guò)各方面的初始化（包括定時(shí)器、串口、稱(chēng)重傳感器的去皮等），然后等待1s采樣時(shí)間的到來(lái)。當1s采樣周期到來(lái)時(shí)，單片機通過(guò)HX711采集輸液的重量，對于真實(shí)的數據進(jìn)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(guò)初始化，打開(kāi)特定通訊端口，創(chuàng )建連接后，就等待著(zhù)下位機發(fā)送數據。當上位機收到數據后，判斷數據是否符合通訊協(xié)議的規定（通訊協(xié)議為：A5+ID+AA+剩余時(shí)間），符合進(jìn)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，用醫用輸液瓶進(jìn)行測量，測量的結果如下表所示：

　　表4-1 實(shí)驗測量結果

　　從上表上的數據可以看出，在短時(shí)間內的誤差幾乎為0，而在較長(cháng)時(shí)間上有所不足，在我們的實(shí)驗上誤差最大為15.7%，但其實(shí)際上偏差的分鐘數并不算很多（最多為11分鐘），這在實(shí)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(guò)相應的傳感器和無(wú)線(xiàn)模塊，將病人當前輸液時(shí)間信息實(shí)時(shí)的反饋給院方和病人的一個(gè)效率解決方案。針對當前醫院輸液混亂的現實(shí)情況，本著(zhù)以病人為核心，以醫院工作效率為重點(diǎn)而提出的這個(gè)輸液時(shí)間監控解決方案解決了輸液時(shí)間這個(gè)長(cháng)期存在但并未正確解決的問(wèn)題，使醫院輸液秩序得到有效的維護，并解決了病人在無(wú)法獲知時(shí)間的焦急感。而且在實(shí)際測量中，其結果能讓人滿(mǎn)意。本方案設計產(chǎn)品精巧，有效，成本低廉，同時(shí)后期可擴展的可能性大，可大面積的在醫院推廣使用。

　　六、視頻地址

　　地址：http://pan.baidu.com/s/1pJlojn9

　　提取碼：x65c