智能化输液控制系统的设计与实现方法

摘要：本文对输液监控智能系统进行较全面的研究，主要分软件、硬件两部分内容，并详细说明了系统的实现方法。上位机使用了Visual　C　+　+编程语言，主要创建一个可视化、人机对话界面，使操作更加方便。用户可以通过屏幕监视目标滴速、实际的滴速、剩余量的液体及报警等信息。下位机设计了具有CAN总线转换器、接口LCD数据显示、滴速设置键盘、电机控制、液滴红外探测、输液报警等功能的终端监控系统。

关键词：输液监控；Visual　C　+　+；CAN总线；电路设计

中图分类号：　02 文献标识码：A

在20世纪90年代初，人们就开始研究输液监控技术，并取得了多项专利发明和研究成果。在输液控制系统领域，他们开发的系统主要特点是通过使用单片机作为控制核心，集中监控输液患者的输液状态，其主要功能有：键盘输入预先设定的液量数字，系统可以分时显示每个病人的输液过程中状态（滴速太慢，太快，滴完，无滴），如果出现异常，系统能自动报警，系统可以显示在输液过程中输液时间、剩余的液量、滴速、药液余量等信息。虽然在应用方面起到了一定的作用，但这些监测系统都存在共同的缺点：需要将尖型的金属传感器插入在滴管内，由液滴导电的工作原理所产生的电脉冲，这种情况并不符合在医用方面无菌操作的要求，并且系统只可以对8个输液瓶同时检测，并使用一个公共的电路，观察起来并不方便；系统不具有远程控制功能，也并没有实现监控的网络化。

本文对输液监控智能系统进行了较全面的探讨，并从软件，硬件两方面详细说明了系统的研究内容和实现方法。本设计实现了对输液的准确性、自动控制和无接触式红外线光电传感器进行测量，并通过实验对以下四种不同的液体（5％葡萄糖，0.9％氯化钠，5％葡萄糖+药物，10％葡萄糖）进行观察，由此证明了此液滴计数的方法来确定输液是否正常，是完全可以实现的。根据对以往设计资料不断研究的前提下，通过对输液过程中的需求分析，当在输液过程中出现各种情况时，系统可以自动及时报警所要达到的控制滴速，以此来确定系统中的各个功能模块的详细需求。我们通过单片机相应的控制技术、CAN无线传输技术，光电检测技术，来确定目前的系统软件，硬件组成。本文还设计了一个系统硬件系统开发的内容，其中有微控制器的选型和系统下位机的键盘输入模块，滴液检测模块，液晶显示模块，声光报警模块、滴速控制模块和CAN总线传输模块等方面的设计，对于系统软件系统也设计了下位机各模块的应用程序，以及完成上机位机中的输液监控管理软件的相应模块的程序及功能。

1硬件和组件的接口设计

1.1硬件电路的设计

医院输液监控系统主要采用主、从站分布式体系结构，实时监控可以有多个病床输液状态。其中，从站负责为病人剂量和输注速度的信息进行设定，由实时监测的液滴和微型步进电机ULN2003A驱动的红外线传感器，微型步进电机反向驱动的输送机，以便控制软管松动或紧张来进行滴速调节，当异常情况或输液结束时，系统会自动发出声光报警，从站的监测数据传输通过CAN总线传送主站，主站设计输液监控和管理软件，采用C语言编写，通过调用相应的功能模块，医务人员知道每个病床输液状态一目了然，并通过CAN总线改变病人的输液速度。输液监控系统构成的供应链管理系统，负责完成特定的输液过程监控。它包括：MSP430F149单片机，键盘输入模块，滴速检测模块，声光报警模块，LCD显示模块，CAN总线传输设备和滴速控制模块。单片机滴速控制CAN总线传输LCD显示声光报警滴速检测键盘输入PC机。

1.2　JTAG调试接口设计

在调试过程中，首先应用的JTAG调试器将编写的程序从PC上下载到FLASH运行，通过JTAG接口进行程序控制，然后读取芯片和CPU状态的内存内容的信息，为设计人员编译调试软件集成和调试环境，而不是一个专用的编程器。所以你只把单片机按调试接口的标准，与购买的JTAG调试器对接，就可以在线调试程序。

1.3　JTAG调试端口引脚设计

采用2.54mm的间距，14针双排针座的JTAG调试接口，只可用于在实际应用中的五个引脚，其他引脚都没有用，跳线PZ用于选择JTAG调试器使用外部电源或内部电源。当电路的电源是功率相对较小时，使用JTAG内部电源即可。当电路的电源功率比较大时，你应该使用一个外部电源。

1.4基于USB-CAN总线适配器电路设计

整个系统的设计目标是设计一个适配器，CAN总线的数据通过USB接口快速传输到PC进行处理和分析，并通过它来CAN节点发送数据或命令，实现计算机和通信设备通讯。

1.5　USB通信模块的设计

MSP430F149的P6端口连接到一个对应的D12数据端口，通过端口连接MCU之间的4个IO　和D12四个控制74HC573隔离缓冲后如下：P2.0WR_N，P2.1RD_N，P2.2A0，P2.3CS_N。因为MSP430　MCU系列单片机无需外部总线接口，所以需要4个以上P6端口来模拟数据/地址复用总线来读写程序，以实现D12的操作。此外，D12的INT_N端口，通过跳线与MSP430F149的P2.5端口相连，来完成D12要求MCU的请求中断处理。

1.6印刷电路板的设计

原理图设计的最终目标是生产电子产品，电子产品在生产前要画出电路原理图，根据原理图进行绘制电路板设计，印刷电路板简称PCB（Prinied　Circult　Board），按设计PCB电路板制成。

2硬件开发设计原则

2.1元件排列原则

（1）通常，所有的部件都设置在印刷电路板的同一表面上，并且仅在顶层元件太密时，才能把一些高度有限和较小发热量的元件，如表面安装IC，片状电容器、片状电阻等放在底部。

（2）有些高的元器件或导体之间存在电位差，应增加它们的距离，以避免意外的电线短路。

（3）确保的电气性能的前提下，元件应放置在删格上，并彼此平行或垂直布置以求美观，简洁和整齐，通常不让元件重叠放置，元件结构应该是紧凑的，同时输入和输出组件尽可能地远离。

（4）在该板的整个表面上的元件应均匀地分布，密度一致。

（5）位于板边缘的元件远离PCB板的边缘中的至少两个板厚的距离。

2.2根据信号走向布局原则

（1）为了保持信号的流通，元件的放置应该使该信号的方向尽可能一致。在正常情况下，布置的信号流的从顶部到底部或左到右，与输入、输出端直接相连接的元件应当放置在靠近连接器或者输入、输出接插件的地方。

（2）通常是由一个根据信号流的各自的功能安排电路单元的位置，以每个电路单元的核心元素为中心，在其周围布局安排。

3系统软件主程序设计方法

主程序必须先完成初始化工作，主要包括设置看门狗管理模式，系统时钟初始化，初始化LCD模块的初始化中断，初始化定时器，全局变量和其他参数的初始化。然后启动计时器开始计时，开中断允许单片机响应外部中断请求，内部定时器中断请求。计算输液滴速子程序，达到采样时间，计算输液滴速，并设置报警标志。任何中断，外部中断和定时器中断可以唤醒，打开相应的中断服务程序。最后中断处理是完整的循环执行子程序计算输液滴速和其他功能。根据滴速值计算和调整剩余时间的值，并在同一时间显示新值。如果秒计数器减去上次采样的时刻不等于采样间隔时，返回到主程序，继续进行后续的过程中的操作。

4软件开发体现的原则

4.1体现了实用性和经济性

输液监测信息管理软件系统的开发主要体现功能齐全、操作简单、实用、方便的特点，提高了系统的成本效益。

4.2体现了操作的简易性

坚持“以人为本”的指导思想来开发软件，努力实现良好的界面，操作方便，性能良好，客户满意度等软件系统。

4.3体现了实时性

该软件使用了多线程，使操作员选择的监视器，实现了从站和站数据同步，程序每六秒钟更新一次滴速，而报警是即时提醒，如果有从站用户报警，主站立即拉响了警报，给出一个醒目的报警。

结语

我们在系统的设计中使用的检测技术和控制技术，自动监测输液过程中要达到的目的，使用USB　TO　CAN适配卡，总线CAN信号采集和转换到USB信号，信息会显示在软件界面通过用户的操作，可以使主站通过的信号转换适配器的交互数据。其主要特点是：当一个异常发生在输液过程中或输液接近尾声时，系统能自动报警，实时显示系统可以自动输液控制输液速度，系统是可以设置的点滴速度，特点采用分布式设计原则，实现了基于CAN总线的远程监控输液，脉冲调制技术的应用，使系统能够提高抗干扰能力红外线输液管，多级齿轮减速，自动步进电机控制，定位精度该系统具有多个报警信号，系统是简单的，可视化显示的结果，具有高可靠性和稳定性的系统软件。

输液监控系统的发展趋势是将向网络化发展，而目前医疗技术的快速发展需要配套相应的医疗服务和设施，而作为最为常用的输液医疗手段，输液监控器材已经被越来越广泛的使用。就目前为止，医院的输液观察室和普通病房还基本上没有这种设备的出现，因此，如果出现一种低成本的可以接收的输液监控系统，它的前景应用将不可估量。

参考文献

[1]谢望.光电传感器技术的新发展及应用[J].仪器仪表，2005.

[2]吴金宏，张连中，刘丽娜.光电开关及应用[J].国外电子元器件，2001.

[3]颜晓河，董玲娇，苏绍兴.光电传感器的发展及其应用[J].电子工业专用设备，2006.

[4]　霍利锋，白凤娥.分布式输液监控系统的研究与实现[M].太原：太原理工大学.2007.