一,、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述

    1,、開發(fā)目的

    眾所周知,，我國人口眾多，醫(yī)療資源稀缺,，醫(yī)院時(shí)常人滿為患,。輸液作為一種重要的治療手段,，其受眾面是非常之廣,，幾乎每個(gè)人都有在醫(yī)院掛水的經(jīng)歷,。然而進(jìn)入信息時(shí)代的今天，輸液器卻仍然保留著最原始的功能,，缺乏智能化或信息化的控制手段,，這也是導(dǎo)致醫(yī)院注射室秩序混亂，護(hù)士疲于奔命,，患者苦不堪言的最直接原因,。目前醫(yī)院所使用的懸掛式輸液器雖然有控制流速的裝置，但無法得知輸液剩余時(shí)間,，且缺乏輸液完畢后的報(bào)警系統(tǒng),，使患者不能合理安排注射時(shí)間，且注射完畢后不得不大聲呼喊護(hù)士,，這樣做既造成了注射室的喧嘩,，影響了其他患者的休息，亦耗費(fèi)了患者的體力,。

    2、功能特性

    本小組設(shè)計(jì)的輸液器不但可以實(shí)時(shí)調(diào)整患者輸液的流速,，而且可以以剩余時(shí)間的方式,，形象直觀地指出患者的輸液進(jìn)度，并且在輸液即將完畢后自動(dòng)發(fā)出提示,。

    3,、創(chuàng)新性及實(shí)用性

    本裝置的創(chuàng)新之處在于，比較以往傳統(tǒng)的輸液裝置只具備輸液功能和簡單的調(diào)速功能,，本裝置賦予了其監(jiān)測(cè)時(shí)間和結(jié)束報(bào)警的功能,，使得患者可以根據(jù)自己的意愿精確設(shè)定輸液時(shí)間，做到與其他事宜的無縫銜接,，合理安排手頭工作,。舉個(gè)例子來說，就如同于我們平時(shí)下載電影,，如果只知道下載速度而不知道下載剩余時(shí)間,，就會(huì)顯得很被動(dòng)，無法統(tǒng)籌控制和管理各下載任務(wù),，無法合理安排其他事務(wù),。而正因?yàn)橛辛耸Ｓ鄷r(shí)間，使得我們可以精確安排下載流程,，合理調(diào)配各項(xiàng)活動(dòng),。對(duì)醫(yī)院而言,，本裝置也可使醫(yī)務(wù)工作者及時(shí)獲知患者輸液信息以便補(bǔ)液和結(jié)束輸液，做到有條不紊,，秩序井然,，最終提高效率。本裝置的實(shí)用性在于,，無需對(duì)傳統(tǒng)輸液器進(jìn)行改裝加工,，只需在頂部掛鉤處添加本裝置即可。此外其結(jié)構(gòu)簡單,，易于安裝,，使用方便。

    二,、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

    1,、總體設(shè)計(jì)原理

    由物理知識(shí)可知，懸掛著的輸液瓶主要受到兩個(gè)力：一個(gè)是豎直向下的重力G,，另一個(gè)是豎直向上的拉力F,。由于F=G，故輸液瓶靜止與空中,。

    另外輸液瓶中的液體：

    (1-1)

    (1-2)

    (1-3)

    由以上三式,，可得：

    (1-4)

    由于 為常數(shù)，故：

    (1-5)

    其中K為常數(shù),，可知輸液瓶受到的拉力F與瓶中液體體積V成線性關(guān)系,。那么通過測(cè)量拉力F，即可得到體積V,。

    基于以上的推論,，本系統(tǒng)通過測(cè)量一段短時(shí)間 內(nèi)輸液瓶受到拉力的變化量 ，并與此時(shí)受到的拉力F做一下運(yùn)算即可得到輸液結(jié)束所需的時(shí)間t：

    (1-6)

    注：F為除去輸液瓶毛重后液體所受的拉力

    2,、硬件設(shè)計(jì)原理

    硬件上的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于液體重量的獲取,。針對(duì)此問題，我們采用了高精度的3kg拉力(如圖2-1所示),，此傳感器是橋式壓力傳感器,。

    圖2-1 拉力傳感器

    電阻橋式壓力傳感器的工作原理如下所述：將應(yīng)變片黏貼到受力的力敏型彈性元件上，當(dāng)彈性元器件受力產(chǎn)生變形時(shí),，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的變化,，進(jìn)而使電阻阻值發(fā)生變化，有力引起的阻值變化轉(zhuǎn)換為的變化,，通過測(cè)量輸出電壓的數(shù)值再通過相應(yīng)的計(jì)算即可得出測(cè)量的物體的重量,。其內(nèi)部如圖2-2所示。

    圖2-2 拉力傳感器內(nèi)部電路

    盡管此傳感器的精度較高,，但其輸出的電壓仍然很低,，的AD口不能檢測(cè)出來,。我們采用的方案的是：采用專用的傳感器檢測(cè)芯片HX711。

    HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位轉(zhuǎn)換器芯片,。與同類型其它芯片相比,，該芯片集成了包括穩(wěn)壓、片內(nèi)時(shí)鐘等其它同類型芯片所需要的外圍電路,，具有集成度高,、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),。降低了電子秤的整機(jī)成本,，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單,，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng),，無需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A 或通道B,，與其內(nèi)部的低可編程放大器相連,。通道A 的可編程增益為128 或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20mV或±40mV,。通道B 則為固定的64 增益,，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源,，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源,。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程,。

    從傳感器輸出的電壓經(jīng)過HX711的128倍放大后，由其24位AD采樣后得到的數(shù)值已能夠滿足此項(xiàng)目的需求,。

    由于此傳感器的精度較高,，其對(duì)電源的要求而隨之提高，為了滿足其對(duì)供電的需求,。我們使用了5V線性穩(wěn)壓器使供電電源更加穩(wěn)定,，紋波更小。

    以上就是硬件設(shè)計(jì)原理的介紹,，詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)將在后面的硬件設(shè)計(jì)中論述,。

    3、軟件設(shè)計(jì)原理

    本項(xiàng)目軟件部分的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確地獲取輸液的重量,，如何抵抗外部的干擾,。

    依據(jù)總體設(shè)計(jì)原理里提及的輸液剩余時(shí)間的獲取，軟件程序?qū)@取的總重量減去稱重傳感器毛重及輸液瓶重量后即為輸液的重量,，再通過每1s的采樣獲取輸液重量的變化,，即可計(jì)算出剩余時(shí)間,。但實(shí)際中并不完全是這樣的。由于在實(shí)際中輸液的速度極慢,，礙于傳感器的精度有限,，在1s的采樣內(nèi)，采集到的輸液重量幾乎不變,，無法進(jìn)行剩余時(shí)間的預(yù)測(cè),。為了克服這種情況，我們參照光電器里的T測(cè)量轉(zhuǎn)速的辦法,，通過測(cè)量在第n個(gè)1s內(nèi)輸液重量改變1個(gè)單位,，再將n乘以1s采樣周期內(nèi)改變1個(gè)單位所算得的剩余時(shí)間，這才得到輸液剩余時(shí)間,。

    由于輸液瓶并不是靜止不動(dòng)的,，每時(shí)每刻它都受到各種力的作用。這會(huì)對(duì)我們重力的測(cè)量帶來各種干擾,。為了盡量降低這種干擾的影響,，我們的軟件程序中對(duì)運(yùn)算得到的重量變化率進(jìn)行了簡單的一階，這能有效地降低高頻干擾的影響,。不過,，這樣依然不夠的，如輸液瓶遭到人為施加的晃動(dòng)時(shí),，剩余時(shí)間會(huì)突變得非常嚴(yán)重的,。故我們的程序中，通過每三個(gè)變化周期里其剩余時(shí)間變化一致時(shí)才認(rèn)為采集到的數(shù)據(jù)為正確的數(shù)據(jù),。通過這種辦法,，能夠很好解決外部大的干擾帶來的影響。

    在此,，我們只是介紹了軟件設(shè)計(jì)中所用到的重要技術(shù),，詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)將在后面的軟件設(shè)計(jì)中論述。

    三,、項(xiàng)目設(shè)計(jì)

    1,、硬件設(shè)計(jì)

    圖3-1 硬件總體框圖

    簡要說明一下，我們采用的供電方案是：由220V市電經(jīng)電源得到5-12V,，然后經(jīng)過LM2940-5.0線性穩(wěn)壓芯片得到5V,，再給單片機(jī)、傳感器,、顯示屏和無線模塊供電,。

    由于拉力傳感器受壓后輸出值改變量小，故需要經(jīng)過放大電路后再送到單片機(jī)的AD口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以得到足夠的精度。而由于HX711芯片內(nèi)部已自帶128倍可編程放大器,，故不需要在外部電路多加放大電路,。

    由于醫(yī)院的輸液室不算寬廣，而且輸液懸掛點(diǎn)較多,。針對(duì)這種情況,，無線模塊使用Zigbee是最合適的。但手頭上暫無Zigbee,，只有以前用過的XL02-232AP1,。故無線模塊暫定于XL02-232AP1。

    為了開發(fā)的方便,，LCD顯示屏?xí)簳r(shí)利用手頭上已有的 128*64 0.96寸黃藍(lán)雙色顯示屏,。

    以下是系統(tǒng)的硬件原理圖：

    圖3-2 系統(tǒng)硬件原理圖

    由于時(shí)間緊急，我們并沒有打樣,。我們利用以前用過的舊板上通過飛線,，搭建最小系統(tǒng)。實(shí)物圖如下所示：

    圖3-3 最小系統(tǒng)實(shí)物圖

    配上各種模塊后的實(shí)物圖如下所示：

    圖3-4 總的實(shí)物圖

    2,、軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分：上位機(jī)和下位機(jī),。下位機(jī)的工作主要是在規(guī)定的采樣周期內(nèi)采集輸液的重量，經(jīng)過算法計(jì)算得到輸液剩余時(shí)間,，然后通過O顯示及通過無線模塊發(fā)送到上位機(jī),。

    而上位機(jī)的工作主要是收集下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)分類并排序,，最后在界面上顯示出來,。

    2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    下位機(jī)的程序先經(jīng)過各方面的初始化(包括定時(shí)器、串口,、稱重傳感器的去皮等),，然后等待1s采樣時(shí)間的到來。當(dāng)1s采樣周期到來時(shí),，單片機(jī)通過HX711采集輸液的重量,，對(duì)于真實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不符合的拋棄,。以下是其程序流程圖：

    圖3-5 下位機(jī)程序框圖

    2.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

    上位機(jī)經(jīng)過初始化，打開特定通訊端口,，創(chuàng)建連接后,，就等待著下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后,，判斷數(shù)據(jù)是否符合通訊協(xié)議的規(guī)定(通訊協(xié)議為：A5+ID+AA+剩余時(shí)間),，符合進(jìn)行排序并顯示;

    上位機(jī)經(jīng)過初始化，打開特定通訊端口，創(chuàng)建連接后,，就等待著下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),。當(dāng)上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否符合通訊協(xié)議的規(guī)定(通訊協(xié)議為：A5+ID+AA+剩余時(shí)間),，符合進(jìn)行排序并顯示;不符合則拋棄,。其軟件流程圖如下所示：

    圖3-6 上位機(jī)軟件流程圖

    四、測(cè)試結(jié)果

    我們的程序調(diào)試完畢后,，用醫(yī)用輸液瓶進(jìn)行測(cè)量,，測(cè)量的結(jié)果如下表所示：

    表4-1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

    從上表上的數(shù)據(jù)可以看出，在短時(shí)間內(nèi)的誤差幾乎為0,，而在較長時(shí)間上有所不足,，在我們的實(shí)驗(yàn)上誤差最大為15.7%，但其實(shí)際上偏差的分鐘數(shù)并不算很多(最多為11分鐘),，這在實(shí)際使用當(dāng)中依然能讓人接受,。

    五、總結(jié)

    本方案是以深聯(lián)華單片機(jī)芯片為核心,，通過相應(yīng)的傳感器和無線模塊,，將病人當(dāng)前輸液時(shí)間信息實(shí)時(shí)的反饋給院方和病人的一個(gè)效率解決方案。針對(duì)當(dāng)前醫(yī)院輸液混亂的現(xiàn)實(shí)情況,，本著以病人為核心,，以醫(yī)院工作效率為重點(diǎn)而提出的這個(gè)輸液時(shí)間監(jiān)控解決方案解決了輸液時(shí)間這個(gè)長期存在但并未正確解決的問題，使醫(yī)院輸液秩序得到有效的維護(hù),，并解決了病人在無法獲知時(shí)間的焦急感,。而且在實(shí)際測(cè)量中，其結(jié)果能讓人滿意,。本方案設(shè)計(jì)產(chǎn)品精巧,，有效，成本低廉,，同時(shí)后期可擴(kuò)展的可能性大,，可大面積的在醫(yī)院推廣使用。