1、靜脈輸液流速監(jiān)控裝置設(shè)計Designofftheinfusiondripmonitor李宗為，張祥忠LIZong-wei,ZHANGXiang-zhong（中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，徐州221008）摘«：設(shè)計一種液體點滴流速監(jiān)控裝置，買現(xiàn)輸液的智能監(jiān)控。設(shè)計采用ATmega16單片機作為主控單元，分別控制主站、從站協(xié)調(diào)工作。主從站之間的通信采用無線方式，并通過光敏但感電路和伺服電機有效地實現(xiàn)對液滴流速的監(jiān)測和投制。對裝置的整體功能設(shè)計，軟件流程設(shè)計和電源模塊、主從站滴速控制、顯示與鍵盤諭入等各模塊硬件電路設(shè)計進行了詳細(xì)的闡述。從實騎仿真結(jié)果來看，設(shè)計的裝置能夠完成液清流速監(jiān)控的功能。關(guān)

2、鍵®流速監(jiān)控，靜脈瀚液，單片機；伺服電機；傳感電路中麗分類號：TP277文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1009-0134（2013）05（上）-0123-03Doi,10.3969/J.Issn.1009-0134.2013.05（上）.342012-12-29基金腐目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2012081）作者胃弁：李宗為（1989-）,男，吉林人，碩士研究生，研究方向為寬帶無線通信、嵌入式設(shè)計等。0引言靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中一種重要治疔手段，它不僅作為一種給藥途徑，也是為患者提供體液和營養(yǎng)的直接方式。在很長的時間里，靜脈輸液一直沿用人工管理的辦法這樣不僅會加重醫(yī)

3、護人員的任務(wù)，更有可能因為人員疏忽或輸液管阻塞等問題導(dǎo)致患者出現(xiàn)危險。目前在相關(guān)方面巳有的一些研究存在弊端，如參考文獻24中提出的靜脈注射網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法，其局限性在于裝置只能進行本地監(jiān)控或主控機與控制器之間采取有線連接，在靈活性、擴展性等方面存在缺陷；參考文獻57雖提出了動態(tài)組網(wǎng)的概念，但是在導(dǎo)管輸液控制方面存有不足。本設(shè)計提出的一種靜脈輸液滴速監(jiān)控裝置同，填補了上述不足之處，提高了工作效率和安全保障程度。1總體設(shè)計靜脈輸液流速監(jiān)控裝置由主站與從站構(gòu)成，主站置于醫(yī)護人員工作室，從站置于病房當(dāng)中，相互之間使用無線通信，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)主從站無線通信、滴速監(jiān)控、空瓶報警、輸液

4、管閉路等功能，從站對液體滴速實時監(jiān)測并將結(jié)果無線傳輸?shù)街髡撅@示，主站可通過鍵盤輸入數(shù)值反饋到從站，控制從站伺服電機傾角進而實現(xiàn)液滴調(diào)速。當(dāng)從站監(jiān)測到液面低于警戒時，會向主站發(fā)出聲光報警信號，并且若在規(guī)定的中斷時間內(nèi)未得到答復(fù)，將控制伺服電機對導(dǎo)管進行閉路操作以防止血液回流，等待醫(yī)護人員清除警報。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2軟件設(shè)計2.1系統(tǒng)功能設(shè)計的靜脈輸液流速監(jiān)控裝置，要求具備如下性能：1）能對液滴進行實時測速，并通過矩陣鍵盤的輸入對滴速進行設(shè)定；2）對滴瓶內(nèi)的液位高度進行監(jiān)測，當(dāng)達到報警的液面時，從站能發(fā)出報警信號，主機能無線接收到報警信號，并能通過主站鍵盤輸入信號清除警報信息；3）當(dāng)報警信息經(jīng)過預(yù)定

5、延時后未被清除時，從站能自動對滴管進行閉路操作，避免血液回流。主站和從站的軟件流程圖如圖2及圖3所示。圖2主站程序流程圖圖3從站程序流程圖2.2方案設(shè)計2.2.1從站滴速及液位監(jiān)測對滴速和液位的監(jiān)測，理論上可選用電容式傳感器網(wǎng)、紅外傳感器及光敏傳感器等電路，但在實驗中發(fā)現(xiàn)，電容式傳感器雖然具有靈敏度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但是該電路的安裝及測量較為困難；采用脈沖調(diào)制的紅外傳感器線性度好、抗干擾能力強，但卻易出現(xiàn)波形采集遺漏的情況；綜合考慮靈敏度、穩(wěn)定性及實用程度，選用光敏傳感電路，由高亮發(fā)光二極管與光敏三極管組成，經(jīng)過仿真和實驗測試表明效果較好。方案示意圖如圖4所示。圖4滴速及液位監(jiān)測方式示意圖2

6、.2.2滴速控制方法在滴斗上方的輸液管安裝伺服電機控制模塊，在電機上裝有桶球形控制器，用以對輸液管的流晨進行調(diào)整。對伺服電機輸入控制脈沖信號，電機會將此信號與本身發(fā)出的負(fù)向脈沖信號比對，得出的差值脈沖經(jīng)放大成為電機的驅(qū)動信號，其正負(fù)決定了電機的旋轉(zhuǎn)方向。實測滴速與設(shè)定值比較，使用PID算法控制電機轉(zhuǎn)動直至比較差值為零。根據(jù)實驗得出的輸入信號與電機旋轉(zhuǎn)位置、轉(zhuǎn)速及力矩等的對應(yīng)關(guān)系精確控制橢球傾角。滴速控制原理圖如圖5所示。圖5滴速控制原理圖2.2.3主從站之間的通信主站與從站之間的通信選用無線方式，避免有線布線造成的擴展性、靈活性差，線纜布置連接麻煩且易腐蝕老化等問題。使用無線通信模塊完成主從站

7、的數(shù)據(jù)發(fā)送與接受，對于距離過長的情況可考慮使用中繼器。這種通信方式使裝置的應(yīng)用具有很大的便利性，而且從站的分布可以根據(jù)需要進行調(diào)整。3電源模塊電路設(shè)計系統(tǒng)整體采用5V電源供電，使用7805芯片穩(wěn)壓。考慮整流管及7805芯片允許的最小壓降和電網(wǎng)10%的波動，對濾波電容的選擇以如下計算方式：Au=9/y(M0%)-l.4-2.3-5=2.76IxAt1/100C=KT=T希=3623賦故選擇Cl=4700uF,關(guān)閉電源產(chǎn)生的沖擊電流由D2放出。電源電路如圖6所示。分別表示設(shè)置、加計數(shù)、減計數(shù)、確定，步進為4,在警報發(fā)生時可通過J4鍵清除警報信息。LCD圖6電源模塊電路IP4測速與液晶顯示模塊實現(xiàn)4

8、.1滴速脈沖監(jiān)測電路光敏三極管采集得到的電壓信號，送入第一級運算放大器中與基準(zhǔn)電壓進行比較。由于光線瞬時反射、折射方向小范圍變化，實驗中采集到的波形有兩個較大的峰值和少量的雜波，可以通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓去除雜波，通過設(shè)定恰當(dāng)?shù)能浖訒r去除第二個峰值。脈沖監(jiān)測電路和光敏器件采集的波形圖分別如圖7、圖8所示。Pffl(XCW)ni(n)PB2(AIN0Wn)PB(APW®郵P85(MOSI)P»(M1SQ|PB?網(wǎng)PA7(ADC7Md(AOPAKADCIPA2(ADC2KD6CL)KimPQOCKFOpaFG(WD捋IPDOiRXD)PDimPD2(NTO)protwrnp

9、1;(oaB)PD5(OQA)rampw(oa)XTAL1XTALI(N(N4.2從站液晶顯示及鍵控電路LCD1602是可以顯示兩行，每行16個字符的液晶模塊。該裝置中，LCD第一行用于顯示從站編號及與主站連接情況，第二行顯示當(dāng)前操作。鍵控電路用于對從站的手動設(shè)置，JI、J2、J3、J4Auegal6L8FC圖9從站顯示及鍵控電路5系統(tǒng)測試在主站打開可視化窗口應(yīng)用程序，主站與各從站建立連接后，可以看到床位顯示、液面實時高度及滴速等信息。主站向從站發(fā)送命令，從站能夠正常接收并作出相應(yīng)調(diào)整。從站切換為手動控制并更改滴速時，主站能接收到更改信息并發(fā)出警報，可以手動清除。實驗當(dāng)中，主站或從站任何一個環(huán)

10、節(jié)出現(xiàn)問題，都會發(fā)出警報，若主站在預(yù)定時間內(nèi)不予回應(yīng)，從站能夠自動驅(qū)動伺服電機對輸液管進行閉路操作。6結(jié)束語設(shè)計的靜脈輸液流速監(jiān)控裝置，使用ATmegal6單片機作為主控單元，主站與從站之間以無線方式通信，對液面高度、滴速進行監(jiān)視并通過伺服電機控制滴速。經(jīng)過仿真與測試表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠較好地完成預(yù)期的功能，系統(tǒng)具備較高的靈敏度和可靠程度，能滿足臨床輸液監(jiān)控的需要，提高了人員工作效率。參考文獻：m劉振峰.滴速監(jiān)控儀的研究與實現(xiàn)【d.太原:太原理工大學(xué),2008.葉戰(zhàn)波.-種基于AT89C52單片機病床呼叫和輸液監(jiān)控系統(tǒng)UL制造業(yè)自動化,2011,(5):207-209.3 王禮廣，胡解生，熊

11、東平等.基于RS-485的靜脈注射網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實驗JL南華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,(4):74-78.4 張玉.無線通訊式輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計J.制造業(yè)自動化,2012,(5):136-139.5 周文真，張文昭，劉愛林等.基于CAN總線和無線技術(shù)的輸液網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)J.電子設(shè)計工程,2011,(3):4-6.6 皮家甜，張宇生,李萌萌.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計J.重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,(6):167-169.7 AndreaCataldo,etc.ReproducibilityanalysisofaTDR-basedmonitoringsyste

12、mforintravenousdripinfusions:Validationofanovelmethodforflow-ratemeasurementinIVinfusionA.MeMeAC.Budapest:InstrumentationandMeasurementSociety.2012.1-5.8 瞿案.基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能輸液控制系統(tǒng)的研制D.南京:南京航空航天大學(xué),2011.9 Ogawa,Hidekuni,etc.AnewdripinfusionmonitoringsystcmA.47thAnnualRockyMountainBioengineeringSymposiumand47

13、thInternationalISABiomedicalSciencesInstrumentationSymposiumC.LosAngeles.2010.92-97.【上接第122頁】本達到使用要求。為了考察半軸有限元分析的正確性，根據(jù)QC/T293-1999汽車半軸臺架試驗方法進行試駛驗證：試件應(yīng)從合格產(chǎn)品中隨機抽樣，抽樣基數(shù)不得少于200件，試驗采用交變非對稱循環(huán)載荷；每根試件的壽命終止應(yīng)以試件完全斷裂或承載能力明顯降低致試驗機不能正常工作為標(biāo)志。圖5(b)、(c)為隨機抽取的兩根半軸臺架試驗樣品結(jié)果圖，由半軸試驗結(jié)果可看出，半軸斷裂斷口與軸線呈45°,斷裂的部位產(chǎn)生在缺陷部位

14、、嚴(yán)重磕碰傷處和花鍵處。兩根實物半軸的斷裂位置與圖3(b)虛擬半軸仿真的結(jié)果基本一致，由此可得出驅(qū)動橋半軸常發(fā)生早期斷裂的主要原因是半軸的疲勞強度不足(包括靜強度不足)。由圖5的對比分析結(jié)果可知，采用臺架試驗與仿真相結(jié)合的復(fù)合分析方法的結(jié)果與大量臺架試驗的結(jié)果是一致的，驗證了這種復(fù)合試驗方法是正確的、可靠的。6結(jié)論在一定量臺架試驗基礎(chǔ)上獲得汽車后橋半軸的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，在PRO/E中建立汽車后橋半軸的三維實體模型，應(yīng)用ANSYSWORKBENCH軟件進行了汽車后橋半軸的有限元分析，得到半軸整體應(yīng)力應(yīng)變分布，在滿足強度要求的基礎(chǔ)上，計算出半軸的疲勞壽命，所獲的結(jié)果與大量臺架試驗結(jié)果進行對比分析，證

15、明有限元仿真試驗是可行的、可靠的。分析結(jié)果在汽車檢驗中心得到驗證，并應(yīng)用到實際的生產(chǎn)加工中，試驗方法減少了試驗次數(shù)、提高了試驗效率，并為改進設(shè)計提供可靠的指導(dǎo),同時傳動系檢測分析也為農(nóng)用機械及其他驅(qū)動橋半軸、扭轉(zhuǎn)類零件的疲勞壽命預(yù)測提供了參考。參考文獻：1 金祥躇，周曉軍.汽車動橋半軸室內(nèi)試裝強化系數(shù)模型研究J.汽車工程,2007,(02):146-148.2 梁紅琴.隨機載荷作用下的貨車車軸疲勞可靠性研究D.西南交通大學(xué),2004.3 唐應(yīng)時，張武，段心林，等.基于整車動力學(xué)仿真的后橋殼疲勞壽命分析與改進JJ.汽車工程,2009,31:】4-118.4 王啟唐，韓兵，王岐燕，等基于有限元技術(shù)的疲勞壽命分析J.拖拉機與農(nóng)用運輸車,2007,(03),76-78.5 吳仁智，楊學(xué)良,周金華，等.平地機半軸疲勞壽命預(yù)估及其臺架疲勞試驗J.中國機械工