监控系统的设计与实现

发布时间：2006-06-19 作者：陈静、张建平、刘玉梅、徐倩漪

　　目前，医院静脉注射主要采取人工方式，其注射速度控制主要靠人工经验设定。本设计采用检测与控制技术，实现对医疗输液过程的自动监控，其主要功能：（1）设定点滴速度、点滴时间、液体总量；（2）自动控制输液速度，并实时显示；(3)当输液结束时或出现输液异常时自动报警；（4）分布式主从站设计，实现输液远程监控。系统的主要特点：（1）采用模糊PID算法控制步进电机，定位精确；（2）硬件采用调制与解调技术提高红外对管的抗干扰能力；（3）软件利用“陷阱”技术提高系统程序的稳定性；（4）合理的人机交互设计，操作简单，显示直观；（5）多路报警信号。
　　1、 系统设计思路
　　不仅要有可靠稳定的驱动系统和显示装置，更要有智能化的控制核心，先进的传感器识别系统。经过分析，采取以下设计方案：主从站都采用单片机89C52作为控制和数据处理的核心，主机和从机之间采用串口通讯方式；从站由光电传感器检测液位和液滴信号，当实际的液滴速度小于或大于预先设定的数值时，单片机则会通过发送控制信号控制电机的转向和步距，通过调节滴斗到地面的距离来改变液滴流速，使其能在较短时间内稳定在设定值的附近，并通过数码管将其速度显示出来；当完成预定输液量或出现意外情况时，液面检测电路向单片机发出报警信号，再由从机传到主机发出警报。从站既可与主站通过串行通讯构成监护网，也可单独完成对输液速度和液位的检测控制以及故障报警。
　　系统分为六大模块：键盘与显示模块、滴速检测模块、液位检测模块、步进电机驱动控制模块、主从站通信模块、报警模块。总体框图如图1所示。

图1：总体框图

　　2、 硬件电路设计
　　(1) 最小系统与电源电路
　　主从机的最小系统都采用MCS-52系列单片机89C52作为控制核心。电源采用国产普通 AC-DC开关电源，其输入为量程165~265VAC, 50/60Hz, 输出电压有5V和24V两种，最大负载电流分别为6A和3A。24V电源为步进电机供电，5V电源为单片机及其他电路供电，输入采用220V市电。
　　(2) 滴速检测模块
　　使用光电检测技术实现滴速检测。将红外对管对称置于滴斗的两侧，红外发光二极管发出的红外光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。该电流用LM339比较放大后经555构成的斯密特触发器滤波后送入单片机P3.2(INT0)口。当P3.2口检测到由1到0的逻辑跳变时，单片机计数1，表明检测到一滴液体经过。
　　(3) 液面检测模块
　　采用光电检测技术。红外对管置于输液瓶两侧，距离瓶口约2~3厘米。当红外对管之间介质发生变化（由水到空气）时候，光电接收管的输出信号发生相应变化。将这一输出信号送入单片机。液面检测电路主要由三部分组成：调制与解调部分、红外发射与接收部分、放大部分，参见图2。对于来自输液现场的环境干扰光，采用调制与解调技术来提高抗干扰能力。频率发生电路是由一个555定时器组成的占空比可调的方波发生器。调制解调接收电路由运放LM741和解调芯片LM567组成。单片机通过检测LM567引角8的电平变化实现液位检测。电路图参见图2。

图2：液面检测模块电路图

　　(4) 步进电机驱动控制模块
　　系统动力选用的是四通公司的DM5676A步进电机，其功率为1.35NM,工作电流为2A。驱动电路采用SH-20402细分驱动器。步进电机及其支座固定于地面，步进电机轴上装有转轮，通过绕绳和滑轮实现对输液瓶的高度控制。单片机的P2.6口通过驱动电路控制步进电机转动方向，转换为直线运动就是输液瓶在垂直方向上的上升和下降。P2.7口通过驱动电路控制步进电机的转动速度。步进电机的转动速度与P2.7口输出的脉冲频率有关，当脉冲频率高于200Hz，步进电机完全转动。当脉冲频率低于200Hz时，步进电机转动某一角度，且角度数与脉冲个数成正比，换算关系为一个脉冲转动1.8度。
　　(5) 键盘与显示模块
　　为方便使用，设计了16个按键和6个LED显示，供操作者预置和读取信息。按键用2×8矩阵设计，具体功能可以参见表1。
　　从机显示用74LS164驱动6个七段共阴极数码管，主机显示用LCM103液晶显示。对各种信息的显示采用动态方式，即当单片机没有收到外部信号时，每隔5秒显示一次点滴速度（滴/分）；接到设定信号后，显示从站号和设定点滴速度（滴/分）；接到查询信号时，显示要查询的从站号、查询站数、该站点滴速度。
　　(6) 主从站通信模块
　　采用单机与多机通信模式。数据传输线路采用RS-485国际标准接口，允许双绞线上一个发送器最多驱动32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接受器或收发器(发送器和接受器对)，通信距离可以达到1km，满足实际监控距离。通信波特率设为2400bps，在此情况下可以保证良好的双机通信。
　　(7) 报警电路
　　单片机检测到报警条件后，通过P2.2口点亮发光二极管并使其闪烁，同时将P2.3口置高，使得蜂鸣器发声，直到手动接触警报。

　　3、 软件程序设计
　　为提高系统的稳定性，防止程序“跑飞”，采用“陷阱”技术，即一旦程序出错，将从复位处重新执行。主要部分算法如下：
　　(1)通信模块：通信协议设置如下：采用三字节为一次数据通信量。数据格式见表2。
　　(2)测速模块：采用周期测量法，即通过测试两滴液体通过红外对管之间的时间差。当第一滴液体通过红外对管时，红外接收电路发出的负脉冲触发单片机的中断口。启动定时器计数。当第二滴液体通过红外对管时，红外接收电路再次触发单片机的中断口，定时停止。读出此时定时器的计时时间，即两液滴通过红外对管的时间间隔。换算后存入指定的存储区，供其他子程序调用。用以下换算公式：              
         

（滴/分）

　　(3)速度监控模块：这部分是系统设计的关键，它的算法是否合理有效直接影响到系统的调速精度。一般的方法是：从键盘设定点滴速度后，单片机将设定值与测速模块得到的实际比较，若设定值大于测速值，则驱动电机升高输液瓶，提高实际滴速。反之，则驱动电机降低输液瓶，使滴速减慢。调试后，再次测速，又与实际值比较，根据比较结果采取相应的调控措施，如此循环直到偏差小于允许误差。这种算法实现较为简单，但调节时间过长，且容易出现过调和振荡现象。根据闭环控制系统理论，我们采用模糊PID算法。该算法将模糊算法和PID算法的优点结合起来，可使模糊控制器获得良好的动态性能，PID的积分控制作用能消除稳态误差。其工作原理是：设定三个变量；
　　偏差  ：   E=S-V， S表示设定滴速，V表示实际滴速；
　　偏差变化率： DE=E(K)-E(K-1)，k表示第k次测量；
　　脉冲控制量：C；
　　当E较大时，采用模糊算法；当E较小时 ，采用PID算法。
　　首先，根据经验数据为模糊器建立知识库和模糊推理规则，具体的方法是将不同高度对应的滴速以表格形式事先保存起来。单片机根据运算出的E和 查经验表得到脉冲控制量C，再转换为步进电机的动作，使得输液瓶做出相应的高度调整。该算法的不足之处是建立知识库和模糊推理规则需要大量的测试经验数据，可能耗费较多的时间和精力。然而一旦建立起知识库，则可以达到较高的控制精度。实验测得的实际高度与滴速关系：N=1.4h+1.33。
　　程序框图如图3。

图3：速度监控模块程序框图

　　4、实验数据
　　本系统实际测试时，储液瓶用医用250毫升注射液玻璃瓶（瓶中为无色透明液体），受液瓶用1.25升的饮料瓶，点滴器采用针柄颜色为深蓝色的医用一次性输液器（滴管滴出20点蒸馏水相当于1ml±0.1ml），高度约1.8m的医用移动式点滴支架。如图4所示。

图4：实验装置图

　　部分数据见表3。
　　由所得数据知，该设计基本能满足实际应用需求。
　　5、结论
　　该装置设计坚持简单可靠的原则，适用于当前医院住院部，可同时对多个病房进行自动监控，经过改进后也可以适用于其他场合，有着较好的实用价值。此外，系统也有一定扩展性：如采用无线报警方式，医护人员会更便于及时监控输液状况；考虑主站与计算机的通信，将采集到的数据传入医疗数据库系统等。

文章编号：060610
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