基于MSP430的新型输液器监控系统研究

基于MSP430的智能输液监控系统的设计摘要:面对目前国内输液器监控装置的不足,设计了一种无污染且安装方便的新型输液器监控系统。通过对分光光度原理的分析,提出此原理在输液器监控时的可行性,并通过实验验证其可行性;设计出一种新型输液器监控系统,并给出系统软、硬件设计关键技术。该系统以红外线发射对管和MSP430F149单片机为核心,实时监控输液器中液体情况,并由单片机产生控制信号控制后续报警和止流。系统具有使用方便、对药液无污染等优点。引言静脉输液是临床医疗工作中最常用、最有效的治疗手段。目前,医院静脉输液的监控主要采用人工方式,这样不但加大了护理人员的工作量,而且可能因为麻痹大意造成医疗事故及后续纠纷。因此,研制输液器监控系统,实现输液护理工作的自动化、智能化,对提高医院的医疗效率和质量、降低护理强度、减少护理人数和促进国家经济建设都有着积极的意义。已有相关研究提出光纤型输液器报警装置和智能输液监控系统。前者利用光在不同液面全反射角不同来进行检测,必须改装药瓶,而且无止流装置;后者在检测方面无需改装,但在止流部分采用步进电机和定滑轮的组合使用来完成限流工作,不能完全止流且大幅度的改装输液器和输液架,同时还要考虑输液瓶的大小问题,使用很不方便。针对以上国内输液器监控装置的不足之处,设计了一种对药液无污染、无需改装输液器且安装方便的输液器监控装置。1方法原理1.1系统监控原理当光线(特定频率的红外光或紫外光)通过某种物质的溶液时,透过光的强度减弱,有一部分光在溶液的表面反射或散射,一部分光被组成此溶液的物质所吸收,只有一部分光可透过溶液,这是物理学中常用的一种原理,即分光光度原理。本系统结合如上的分光光度原理,将此原理运用到对输液器内有无药液的检测。利用频率一定的红外光在不同液体中,利用液体和空气中的衰减度不同,来对输液器中有无药液做无污染检测。1.2系统原理可行性验证根据如上原理介绍,设计了如下的原理验证性试验。我们采用现在市面上比较常见的红外发射对管作为特定频率红外光的生成器和经过溶液衰减后的红外光传感器,并根据红外发射对管的物理特性设计了如下图1所示的电路。图1红外对管实验电路将红外发射对管安装在输液管的两侧,分别对5种情况(无输液管、加空输液管、加有水的输液管、加盐水的输液管和加墨水的输液管)进行红外对管试验,在输出端得到如表1所示的电压数据。表1红外对管实验数据电压/V无输液管空管生理盐水墨水水V03.562.161.310.251.69V13.882.881.440.191.88V23.692.681.410.21.81V33.812.561.390.311.69V43.822.761.420.211.9V53.662.361.310.271.74V63.782.681.440.221.8V73.692.661.430.21.82V83.82.591.50.31.77V93.812.461.490.191.55根据表1可以看出,在输液管内部液体不同的情况下,红外发射对管的输出电压有一定差异。此差异在进行后期的放大处理后足够鉴别出输液管中有无液体的情况,说明此原理具有一定的可行性。2系统硬件设计2.1系统整体设计为了满足装置无污染药液、不改装输液管和安装方便等要求,结合对如上原理验证试验的结果分析,设计了如图2所示的系统装置原理图,并完成了系统硬件设计。如图2所示,装置采用上下部分联动的结构,利用夹子将装置固定在输液器滴斗的部位。滴斗上端为发射对管,完成检测功能;下端为微型舵机,完成止流功能。整个装置方便安装和拆卸,无需改动输液器和输液瓶,适合各种输液瓶大小,且对药液无污染。图2系统装置原理示意图系统硬件由4部分组成:检测模块、控制模块、报警和止流模块以及电源模块。图3系统总体结构2.2检测模块设计检测模块包括红外发射对管部分和信号调理部分。如表1所示,红外发射对管输出的信号差异较小,为满足控制模块所需的信号大小,应经过放大后输送给单片机处理。系统采用ST180红外发射对管,放大部分使用TI公司的TLE2021高精度运算放大器。其电路设计仅在图1基础上增加反向运算放大电路即可。2.3控制模块设计控制模块使用美国德州仪器公司(TI)推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器。MSP430F149是目前业界中具有最低功耗的16位RISC处理器,具有极低的工作电压和最小的功耗。同时,其还有丰富的外围接口,包括标准的复用接口,可用作UART、SPI等模式,有较多的定时器,复杂的电源管理系统,12位内部A/D转换器,模拟压比较器等。通过其中特有的模拟电压比较器模块,根据实验数据设定一个比较门限电压,当超出门限电压即为空管,单片机发出后续动作信号完成报警和止流工作。2.4报警、止流模块设计报警模块包括声光报警两个部分,均由单片机发出动作信号控制。光报警由发光二极管完成,声报警由有源式磁蜂鸣器完成。单片机P4.1口产生报警控制信号控制发光二极管,P4.0口连接NPN型三极管,用来驱动有源式磁蜂鸣器。止流模块使用微型舵机完成。单片机控制信号包含两种不同占空比的PWM信号,两种信号经放大后传送到微型舵机,控制微型舵机扇叶按两种不同PWM信号的占空比产生不同的角度旋转,从而通过挤压输液管来实现止流。S1为单刀双掷开关,当接通P1.2时,单片机输出信号控制舵机扇叶旋转将输液管挤压,使其止流;当接通P1.3时,输出信号使舵机扇叶反向旋转,使输液管回复,方便止流后输液管的取出。2.5电源模块设计系统所需供电芯片均属于低压供电芯片。MSP430F149所需电压为3.3V,TLE2021、有源式磁蜂鸣器、红外发射对管和微型舵机所需电压均为5V。我们采用TI公司的稳压芯片TPS7333和TPS7350来完成此模块。其外部输入电压范围5~9V均可正常工作,输出电压分别为标准的3.3V和5V。对于电源模块设计,一般的干电池组或小型的蓄电池就可以完成正常工作,因此系统可不受电源的影响,安装方便且实用。3系统软件设计系统主要由MSP430F149单片机控制,软件部分设计主要是单片机程序的设计。单片机的主程序框图如图4所示。系统初始化后开始接受传感器数据并读取数据,当读取数据成功后进行电压比较,超过门限电压后发出报警、止流信号。图4程序流程图4结束语该装置设计简单可靠,对药液无污染且无需对输液器进行改装,适用于当前医院门诊和住院部。由于采用外接电池供电,减小了现场环境条件对装置的限制,可方便地使用于野外等较恶劣的环境下。同时,由于使用新型单片机,使得系统具有良好的扩展性。