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液体点滴速度自动测控系统

互联网 2012-10-10 20:11:44

[导读] 在输液过程中,需要时时监视剩余的药液,当药液输完,则由护士及时换瓶或拔除针头。如果不能及时发现药液滴完,有可能造成医疗事故。采用红外检测技术、微机技术和计算机网络技术,组成一个分布式的局域测控网络,能够实 现对点滴速度自动检测和调节,监视剩余的药液。

  1 引言

  点滴输液医院常用的医疗手段。医院在对病人进行输液治疗过程中,需要根据输液的药物和患者的病情选择合适的输液滴流速度。目前对于输液速度的控制普遍采用人工方式,由护士根据经验,将速度调至合适值。人工调整滴流速度不够准确和方便,此外,在输液过程中,需要时时监视剩余的药液,当药液输完,则由护士及时换瓶或拔除针头。如果不能及时发现药液滴完,有可能造成医疗事故。采用红外检测技术、微机技术和计算机网络技术,组成一个分布式的局域测控网络,能够实 现对点滴速度自动检测和调节,监视剩余的药液。

  2 系统的总体方案设计及工作原理

  系统由上位管理机、通信模块、和多个智能节点组成。采用rs-485总线作为通信网络将各个节点连接成一个主从分布式控制系统。rs-485总线支持多点 连接,允许创建多达32个节点的网络,在100kbit/s速率下传输距离可以达到1200m,完全可以满足系统要求。rs-485总线支持半双工通信, 系统的总体结构如图1所示,采用二线主从模式的网络拓扑。上位管理机采用586pc机,以at89c51单片机作为下位机(工作站)。传输介质采用双绞线,上位机通过通信模块 adam-4520转换器与rs-485总线相连,进行信息交换,负责对整个系统进行监视管理。各工作站通过rs-485总线接收上位机的各种操作控制命 令和参数设定,实现对点滴速度的检测和动态显示(滴/分);通过小键盘接收输液病人的启、停、点滴速度设定、报警、呼叫等各种请求。输液系统示意图如图2 所示,当下位机检测到的点滴实时速度与键盘设定值有偏差时,则执行相应的控制算法,通过步进电机的拖动改变h2来调节点滴速度,使之保持在要求的控制范围 之内。如果h1降到了警戒值(2~3cm)时,下位机接收液位检测传感器发来的中断请求信号,立即发出声光报警,并向上位机发送报警信号。

图一

图二

  2.1 工作站的硬件电路设计

  各工作站以性价比高、使用方便的at89c51单片机作为控制器,扩展外围电路,实现实时数据的采集、计算,信号的处理及发出相应的控制命令。单片机与键 盘的接口采用intel8279专用键盘/显示控制芯片,实现对键盘的自动扫描、防抖动,并对显示器进行自动刷新。

  2.2 点滴速度检测电路设计

  采用光电传感技术,在滴斗处对点滴速度进行测量,检测电路如图3所示。

图三

红外发光二极管发出红外光,光线透过输液管照射到光电三极管,光电三极管将接收到的光信号转换成电流输出。当输液管没有液滴通过时,光线衰减小,光电三极管输出比较强的光电流。当输液管有液滴通过时,由于液滴对光线吸收和散射作用,照射到光电三极管的光信号比较弱,它输出比较弱的光电流。通过检测光电三极 管的输出电流,就可以探测出液滴通过。输液现场的环境光是干扰光,干扰光既有日光类的恒定光又有日光灯类的频闪光,所以这些干扰不可能通过简单的办法消除。干扰光将使信噪比s/n下降,必须采取有效措施来抗干扰,否则将无法实现对液滴的光电探测。图4是液滴探测电路原理图,在电路中,红外二极管d1与光电三极管t1是红外发射/接收对管,采用调制与解调技术来排除光的干扰。由音频译码器lm567的第5脚发出中心频率为fo 的方波电压,经放大后控制三极管t2通断,对红外发光二极管d1进行调制,使它发出频率为fo的脉冲光。u1为电压放大器,将光电三极管t1的输出电流变 换成电压并将其幅值放大。u2是电压比较器,电阻r9给电压比较器提供一个可调节的阈值电压ut,当u2的输入电压ui2>ut时, u2输出低电平;当u2的输入电压ui2u4 为施密特触发器,用于对鉴频电路的输出脉冲信号进行整形。

图四

 

  2.3 步进电机

  系统选用额定电压12v、电流1.2a的步进电机来拖动储液瓶。步进电机很容易用微机实现数字控制,定位精确且具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入,而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流时,则电动机可以保持在固定的位置上。

  3 系统软件设计

  系统软件设计主要包括上位管理机的通信处理软件和各现场测控工作站的数据采集与信号处理软件的编写。

  3.1 上位机软件

  采用基于windows98平台的visual basic 6.0面向对象的32位可视化高级语言编写。具有系统参数设置、监视状态设置、数据发送和接收、本机状态查询、工作站状态查询、报警、数据管理等功能模块,如图5所示。主机设有定点和巡回检测从站工作状态两种工作方式,在巡回检测时,主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴速度;可显示从 站传输过来的从站号和点滴速度;收到从站发来的报警信号后,能声光报警并显示相应的从站号,可用手动方式解除报警状态。

图五

  3.2 下位机软件

  下位机软件主要是完成点滴速度的检测、调节和显示,液位检测和报警,发送、接收数据和命令。设计的主要思路是:

  (1) 将液滴探测电路的输出信号输入单片机的p1口,用片内定时计数器测量出正脉冲的宽度,即两滴液滴之间的间隔时间t,从而计算出每分钟的滴流数,在面板上的数码管上显示出来。

  (2) 当键盘设定值与当前值有偏差时,控制器的执行算法模块采用增量型pid控制算法和模糊算法。偏差较大,采用增量型pid控制算法,使被控量尽快回到设定值 附近,当偏差处于某一预定范围内时,由于系统的非线性,采用模糊控制算法,可以减少控制量对被控量微小变化产生过于灵敏的动作,防止被控量在设定值附近产生振荡现象,实现pid控制算法和模糊控制算法的理想结合,使系统的控制精度得到提高。

(3) 各下位机采用中断方式接收主机的命令、数据和液位检测电路的信号输出。下位机主程序流程如图6所示。

图六

  4 结束语

  该测控系统是光电技术、微机技术和计算机网络技术的综合应用,应用于临床实践,可以提高医疗设备的自动化水平,给护士输液工作提供方便,具有较高的应用价值。经现场测试表明,该系统滴速测量精度很高,液位报警可靠,但由于储液瓶高度与滴速间的非线性关系,使得系统调节滴速时静态误差较大,有待进一步完善。

  参考文献

  [1] 周海军,赵 阳. 基于rs-485的局域控制网络的构建[j]. 电子技术,2001(7).

  [2] 李朝青. 单片机原理及接口技术[m]. 北京:北京航空航天大学出版社,1998.

  [3] 梁维铭,黄 劲. 输液速度自动测控系统[j]. 广西科学院学报,2002(11).

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