CN109954183A - 自动控制输液及监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及自动控制输液及监控系统；采用以集成电路AD654和可编程逻辑器件GAL配合产生脉冲信号为核心的技术设计，解决了传统手动更换液瓶以及无法自动调节滴速的技术问题，使得系统通过单片机控制步进电机达到无极调速进而达到准确更换液瓶和调节滴速的效果；采用开关模块中的继电器控制加热丝通电加热的方式以及加热箱温度检测的设计手法，解决了输液时患者不适、药物吸收效果差的问题，达到了自动控制药液进入血液的温度的效果；采用无线模块为通信桥梁、远程接收信息的技术手法，解决了人工临场操作、手工繁琐的问题，达到了输液状态的实时监控以及远程控制医疗车的效果。

Description

自动控制输液及监控系统
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及自动控制输液及监控系统。
背景技术
传统的输液监护方式一般是由家属陪同，主要留意输液的情况，以便及时向护士反映情况，另一方面，护士通常需要去病房不间断巡视或者随时等候病人家属的通知，以了解病人的输液情况。在传统输液方式中，护士通过目测的方法来识别输液的滴速，利用经验来判断输液速度是否合适，因此，传统输液方式难免因人为因素而影响输液时效，甚至对患者造成不利影响。目前，大多数的输液监控系统都只是对输液的速度进行检测，并在输液结束时进行报警，而无法对输液速度进行自动控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供了自动控制输液及监控系统，采用以集成电路AD654和可编程逻辑器件GAL配合产生脉冲信号为核心的技术设计，解决了传统手动更换液瓶以及无法自动调节滴速的技术问题，使得系统通过单片机控制步进电机达到无极调速进而达到准确更换液瓶和调节滴速的效果；采用开关模块中的继电器控制加热丝通电加热的方式以及加热箱温度检测的设计手法，解决了输液时患者不适、药物吸收效果差的问题，达到了自动控制药液进入血液的温度的效果；采用无线模块为通信桥梁、远程接收信息的技术手法，解决了人工临场操作、手工繁琐的问题，达到了输液状态的实时监控以及远程控制医疗车的效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括控制装置、继电器、旋转杆、液瓶、输液架、流速观察器、加热箱、输液管；控制装置分别连接蜂鸣器和显示器的控制端；控制装置连接触摸屏的输出端；控制装置通过无线信号连接终端设备；控制装置与继电器电性连接；控制装置连接步进电机的控制端；加热箱内壁安装有温度传感器，输液管可穿过加热箱；旋转杆安装于输液架，旋转杆挂有液瓶；输液管插于液瓶，液瓶的瓶壁安装有电容传感器；流速观察器外壁安装有红外计数传感器；控制装置包括MCU单元、电源模块、编程模块、开关模块、加热丝、数模转换模块、控制模块、脉冲驱动模块、电位调节器；MCU单元连接显示器和蜂鸣器的控制端；MCU单元通过无线模块连接终端设备；MCU单元通过开关模块连接加热丝，开关模块包括光耦开关和继电器，开关模块中的光耦开关的1脚通过电阻连接MCU单元的PC5脚，开关模块中的继电器两端连接电源和三极管Q2的集电极，开关模块中的继电器的公共端连接加热丝，开关模块中的继电器的常开触点连接电源；温度传感器、电容传感器和红外计数传感器通过放大电路连接数模转换模块，数模转换模块为ADC0809芯片，数模转换模块中的ADC0809芯片的PA脚连接MCU单元的I/O口，数模转换模块中的ADC0809芯片的START脚连接MCU单元的PB3脚，数模转换模块中的ADC0809芯片的EOC脚连接MCU单元的PB2脚，数模转换模块中的ADC0809芯片的OE脚连接MCU单元的PB1脚，数模转换模块中的ADC0809芯片的ALE脚连接MCU单元的PB4脚；电源模块输出端连接MCU单元；编程模块与MCU单元电性连接；MCU单元通过脉冲驱动模块连接控制模块，控制模块连接步进电机的控制端，控制模块包括光耦开关和MOS管，脉冲驱动模块包括有集成电路、GAL可编程逻辑芯片和光耦开关；脉冲驱动模块中的GAL可编程逻辑芯片的12脚连接控制模块中的光耦开关的PC1脚，脉冲驱动模块中的光耦开关的信号输入端分别通过电阻R101和R102连接MCU单元的PC3脚和PC4脚；电位调节器输出端连接脉冲驱动模块的IN+脚和IN-脚；步进电机一端连接控制模块中的MOS管的漏极，步进电机的另一端连接电源。
进一步优化本技术方案，所述的MCU单元为ATmega128单片机系统，编程模块为24C16芯片，电源模块为LM317L芯片；数模转换模块为ADC0809芯片；开关模块和控制模块中的光耦开关为PC817光耦芯片；控制模块中的MOS管为IRFP460芯片；脉冲驱动模块中的集成电路为AD654芯片；开关模块中的继电器为JQC-3F-J5UDC-1ZS芯片；无线模块为NRF24L01芯片。
进一步优化本技术方案，所述的控制模块中的光耦开关的2脚和4脚接地，控制模块中的光耦开关的5脚连接控制模块中的MOS管的栅极，控制模块中的光耦开关的6脚通过上拉电阻连接电源，控制模块中的MOS管的源极接地。
进一步优化本技术方案，所述的脉冲驱动模块中的AD654芯片的1脚通过电阻R3连接电源模块，脉冲驱动模块中的AD654芯片的6脚连接电源模块，脉冲驱动模块中的AD654芯片的2脚和5脚接地，脉冲驱动模块中的AD654芯片的3脚通过电位器W1接地，脉冲驱动模块中的AD654芯片的4脚连接电位调节器的IN+脚，脉冲驱动模块中的AD654芯片的7脚和8脚通过电容电性连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本系统使用ATmega128单片机系统作为主控单元，具有极高性能价格比，电源模块采用三端稳压芯片，其输入电压经过桥式整流电路整流，又经电容器滤波得到稳定的直流电压，使控制模块处于正常状态运行，增加了系统使用寿命；2、通过电位调节器改变集成电路AD654的输入电压、通过改变集成电路AD654中的电位器W1或通过改变集成电路AD654中的电容C1的电容量这三种方式改变AD654输出脉冲频率，并将可编程逻辑器件GAL作为步进电机脉冲分配器时限对步进电机的控制，把AD654产生的脉冲输出作为GAL芯片的时钟输入，实现了无极调速，达到了准确更换液瓶和调节滴速的效果；3、采用温度传感器检测加热箱当前温度，并通过开关模块中的继电器吸合时间控制加热时间，达到了恒温控制、实时检测的效果；4、本系统使用无线信号实现无线和远程控制，控制方式智能、方便，避免了不必要的信号骚扰。
附图说明
图1是自动控制输液及监控系统的控制功能图；
图2是自动控制输液及监控系统的拓扑结构图；
图3是自动控制输液及监控系统的程序流程图；
图4是自动控制输液及监控系统的MCU单元电路结构图；
图5是自动控制输液及监控系统的脉冲驱动模块电路结构图；
图6是自动控制输液及监控系统的控制模块电路结构图；
图7是自动控制输液及监控系统的开关模块电路结构图。
图中，1、控制装置；2、触摸屏；3、继电器；4、蜂鸣器；5、显示器；6、终端设备；7、步进电机；8、旋转杆；9、液瓶；10、电容传感器；11、输液架；12、红外计数传感器；13、流速观察器；14、MOS管；15、温度传感器；16、加热箱；17、输液管；18、MCU单元；19、电源模块；20、编程模块；21、无线模块；22、开关模块；23、加热丝；24、放大电路；25、数模转换模块；26、控制模块；27、脉冲驱动模块；28、电位调节器；29、集成电路；30、光耦开关。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：如图1-7所示，包括控制装置1、继电器3、旋转杆8、液瓶9、输液架11、流速观察器13、加热箱16、输液管17；控制装置1分别连接蜂鸣器4和显示器5的控制端；控制装置1连接触摸屏2的输出端；控制装置1通过无线信号连接终端设备6；控制装置1与继电器3电性连接；控制装置1连接步进电机7的控制端；加热箱16内壁安装有温度传感器15，输液管17可穿过加热箱16；旋转杆8安装于输液架11，旋转杆8挂有液瓶9；输液管17插于液瓶9，液瓶9的瓶壁安装有电容传感器10；流速观察器13外壁安装有红外计数传感器12；控制装置1包括MCU单元18、电源模块19、编程模块20、开关模块22、加热丝23、数模转换模块25、控制模块26、脉冲驱动模块27、电位调节器28；MCU单元18连接显示器5和蜂鸣器4的控制端；MCU单元18通过无线模块21连接终端设备6；MCU单元18通过开关模块22连接加热丝23，开关模块22包括光耦开关30和继电器3，开关模块22中的光耦开关30的1脚通过电阻连接MCU单元18的PC5脚，开关模块22中的继电器3两端连接电源和三极管Q2的集电极，开关模块22中的继电器3的公共端连接加热丝23，开关模块22中的继电器3的常开触点连接电源；温度传感器15、电容传感器10和红外计数传感器12通过放大电路24连接数模转换模块25，数模转换模块25为ADC0809芯片，数模转换模块25中的ADC0809芯片的PA脚连接MCU单元18的I/O口，数模转换模块25中的ADC0809芯片的START脚连接MCU单元18的PB3脚，数模转换模块25中的ADC0809芯片的EOC脚连接MCU单元18的PB2脚，数模转换模块25中的ADC0809芯片的OE脚连接MCU单元18的PB1脚，数模转换模块25中的ADC0809芯片的ALE脚连接MCU单元18的PB4脚；电源模块19输出端连接MCU单元18；编程模块20与MCU单元18电性连接；MCU单元18通过脉冲驱动模块27连接控制模块26，控制模块26连接步进电机7的控制端，控制模块26包括光耦开关30和MOS管14，脉冲驱动模块27包括有集成电路29、GAL可编程逻辑芯片和光耦开关30；脉冲驱动模块27中的GAL可编程逻辑芯片的12脚连接控制模块26中的光耦开关30的PC1脚，脉冲驱动模块27中的光耦开关30的信号输入端分别通过电阻R101和R102连接MCU单元18的PC3脚和PC4脚；电位调节器28输出端连接脉冲驱动模块27的IN+脚和IN-脚；步进电机7一端连接控制模块26中的MOS管14的漏极，步进电机7的另一端连接电源；MCU单元18为ATmega128单片机系统，编程模块20为24C16芯片，电源模块19为LM317L芯片；数模转换模块25为ADC0809芯片；开关模块22和控制模块26中的光耦开关30为PC817光耦芯片；控制模块26中的MOS管14为IRFP460芯片；脉冲驱动模块27中的集成电路29为AD654芯片；开关模块22中的继电器3为JQC-3F-J5UDC-1ZS芯片；无线模块21为NRF24L01芯片；控制模块26中的光耦开关30的2脚和4脚接地，控制模块26中的光耦开关30的5脚连接控制模块26中的MOS管14的栅极，控制模块26中的光耦开关30的6脚通过上拉电阻连接电源，控制模块26中的MOS管14的源极接地；脉冲驱动模块27中的AD654芯片的1脚通过电阻R3连接电源模块19，脉冲驱动模块27中的AD654芯片的6脚连接电源模块19，脉冲驱动模块27中的AD654芯片的2脚和5脚接地，脉冲驱动模块27中的AD654芯片的3脚通过电位器W1接地，脉冲驱动模块27中的AD654芯片的4脚连接电位调节器28的IN+脚，脉冲驱动模块27中的AD654芯片的7脚和8脚通过电容电性连接。
使用时，如图1和图2所示，本系统的中心单元为控制装置1，其起到控制加热箱16温度、自动控制流速、自动换液等功能，并通过无线模块21连接终端设备6实现远程监控；如图4所示，使用ATmega128单片机作为主控单元，电源模块19使用LM317L芯片作为转变电压的芯片单元。
如图3、图5、图6和图7所示，首先通过触摸屏2或终端设备6输入的温度范围进行测温工作，安装于加热箱16中的温度传感器15检测到温度信号经过处理后传输给MCU单元18，若当前温度过低时MCU单元18输出信号给开关模块22，开关模块22中的继电器3触点吸合使加热丝23通电进行加热，若当前温度在温度范围内则不做处理，若当前温度过高时，继电器3触点断开以停止加热，输液管17经过加热箱16后达到所需温度，以使患者舒适度增强并且使药效达到最佳效果。
当给患者进行输液时，需要进行流速控制，若通过滴速加松紧的方法来控制滴速，这样的方法虽然直观，但管壁施压改变其形状，其所施加的压力与流量改变的关系非线性，其次由于输液管17是由塑料制成的，在长时间受压后松开并不能使塑料输液管17完全恢复原形，无法保证理想的控制效果，故根据滴速调整输液架11的高度改变滴速；安装于流速观察器13上的红外计数传感器12的检测信号经过处理传输给MCU单元18，运算处理后得到滴速大小，根据所需滴速进行输液架11高度调节；电容传感器10用于检测液瓶9内的容量剩余情况，在液瓶9的瓶身正对着贴两块金属薄片作为传感电容，储液面下降，电容两极间的介电常数减小，电容值随之减小，经过电容电容变换器或输出电压上升，当储液液面降低到警戒线时，转换电压高于回差比较器阈值电压，比较器翻转输出开关信号；当达到警戒线时MCU单元18通过步进电机7控制旋转杆8调整至初始位置，并顺时针旋转至下个液瓶9，当检测到无滴速时蜂鸣器4发出响声。
升降输液架11和旋转杆8使用的设备为蠕动泵步进电机7，步进电机7运行速度及运行方向容易控制，起动和停止迅速，步距精确，通过合理控制步进电机7的工作状态达到自动控制流速和自动换液的效果，步进电机7的转速只和步进脉冲频率有关，步进脉冲频率越高，步进电机7的转速越高，为减小误差，增强脉冲线性度，采用集成电路29的AD654芯片与可编程逻辑器件GAL配合，产生频率可调的脉冲信号，实现无极调速达到使用效果，改变AD654输出脉冲频率的方式有改变4脚的外部输入电压IN+、改变电位器W1的阻值和改变电容C1的电容量；固定电位器W1和电容C1的参数，IN+两端电压通过电位调节器28调节而改变，调节IN+端的电压实现步进脉冲的连续输出，进行无极调速；GAL芯片的3脚定义为使能端，用来控制步进电机7的启停，GAL芯片的5脚定义为方向控制端，用来控制步进电机7正反向运行；GAL产生的脉冲驱动信号经光耦开关30隔离后通过MOS管14导通关断控制步进电机7的运行；MOS管14具有导通较好的高频特性，增加工作效率且可以有效的减少步进电机7的噪声；其次终端设备6通过无线信号监测并控制设备运行，显示器5实时显示工作状况。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.自动控制输液及监控系统，其特征在于：包括控制装置(1)、继电器(3)、旋转杆(8)、液瓶(9)、输液架(11)、流速观察器(13)、加热箱(16)、输液管(17)；控制装置(1)分别连接蜂鸣器(4)和显示器(5)的控制端；控制装置(1)连接触摸屏(2)的输出端；控制装置(1)通过无线信号连接终端设备(6)；控制装置(1)与继电器(3)电性连接；控制装置(1)连接步进电机(7)的控制端；加热箱(16)内壁安装有温度传感器(15)，输液管(17)可穿过加热箱(16)；旋转杆(8)安装于输液架(11)，旋转杆(8)挂有液瓶(9)；输液管(17)插于液瓶(9)，液瓶(9)的瓶壁安装有电容传感器(10)；流速观察器(13)外壁安装有红外计数传感器(12)；控制装置(1)包括MCU单元(18)、电源模块(19)、编程模块(20)、开关模块(22)、加热丝(23)、数模转换模块(25)、控制模块(26)、脉冲驱动模块(27)、电位调节器(28)；MCU单元(18)连接显示器(5)和蜂鸣器(4)的控制端；MCU单元(18)通过无线模块(21)连接终端设备(6)；MCU单元(18)通过开关模块(22)连接加热丝(23)，开关模块(22)包括光耦开关(30)和继电器(3)，开关模块(22)中的光耦开关(30)的1脚通过电阻连接MCU单元(18)的PC5脚，开关模块(22)中的继电器(3)两端连接电源和三极管Q2的集电极，开关模块(22)中的继电器(3)的公共端连接加热丝(23)，开关模块(22)中的继电器(3)的常开触点连接电源；温度传感器(15)、电容传感器(10)和红外计数传感器(12)通过放大电路(24)连接数模转换模块(25)，数模转换模块(25)为ADC0809芯片，数模转换模块(25)中的ADC0809芯片的PA脚连接MCU单元(18)的I/O口，数模转换模块(25)中的ADC0809芯片的START脚连接MCU单元(18)的PB3脚，数模转换模块(25)中的ADC0809芯片的EOC脚连接MCU单元(18)的PB2脚，数模转换模块(25)中的ADC0809芯片的OE脚连接MCU单元(18)的PB1脚，数模转换模块(25)中的ADC0809芯片的ALE脚连接MCU单元(18)的PB4脚；电源模块(19)输出端连接MCU单元(18)；编程模块(20)与MCU单元(18)电性连接；MCU单元(18)通过脉冲驱动模块(27)连接控制模块(26)，控制模块(26)连接步进电机(7)的控制端，控制模块(26)包括光耦开关(30)和MOS管(14)，脉冲驱动模块(27)包括有集成电路(29)、GAL可编程逻辑芯片和光耦开关(30)；脉冲驱动模块(27)中的GAL可编程逻辑芯片的(12)脚连接控制模块(26)中的光耦开关(30)的PC1脚，脉冲驱动模块(27)中的光耦开关(30)的信号输入端分别通过电阻R101和R102连接MCU单元(18)的PC3脚和PC4脚；电位调节器(28)输出端连接脉冲驱动模块(27)的IN+脚和IN-脚；步进电机(7)一端连接控制模块(26)中的MOS管(14)的漏极，步进电机(7)的另一端连接电源。
2.根据权利要求1所述的自动控制输液及监控系统，其特征在于：MCU单元(18)为ATmega128单片机系统，编程模块(20)为24C16芯片，电源模块(19)为LM317L芯片；数模转换模块(25)为ADC0809芯片；开关模块(22)和控制模块(26)中的光耦开关(30)为PC817光耦芯片；控制模块(26)中的MOS管(14)为IRFP460芯片；脉冲驱动模块(27)中的集成电路(29)为AD654芯片；开关模块(22)中的继电器(3)为JQC-3F-J5UDC-1ZS芯片；无线模块(21)为NRF24L01芯片。
3.根据权利要求1或2所述的自动控制输液及监控系统，其特征在于：控制模块(26)中的光耦开关(30)的2脚和4脚接地，控制模块(26)中的光耦开关(30)的5脚连接控制模块(26)中的MOS管(14)的栅极，控制模块(26)中的光耦开关(30)的6脚通过上拉电阻连接电源，控制模块(26)中的MOS管(14)的源极接地。
4.根据权利要求1所述的自动控制输液及监控系统，其特征在于：脉冲驱动模块(27)中的AD654芯片的1脚通过电阻R3连接电源模块(19)，脉冲驱动模块(27)中的AD654芯片的6脚连接电源模块(19)，脉冲驱动模块(27)中的AD654芯片的2脚和5脚接地，脉冲驱动模块(27)中的AD654芯片的3脚通过电位器W1接地，脉冲驱动模块(27)中的AD654芯片的4脚连接电位调节器(28)的IN+脚，脉冲驱动模块(27)中的AD654芯片的7脚和8脚通过电容电性连接。
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