CN110075391A - 一种基于pid控制的自适应输液系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PID控制的自适应输液系统，流速测定模块的U型光电传感器通过I/O口与主控芯片通信连接，U型光电传感器检测到有液滴滴落，并向主控芯片发送脉冲信号，主控芯片通过PID算法处理脉冲信号得出流速值，并控制流速控制模块；流速控制模块包括步进电机和驱动芯片，主控芯通过向所述驱动芯片传输不同PWM信号的正转和反转的占空比和时间毫秒数值来驱动步进电机的转向和转速；不良反应监测模块包括心率血氧检测传感器，所述心率血氧传感器与主控芯片通过模拟IIC通信进行数据传输。本发明结合了生物体征技术、智能算法等，能够自动监测、判断并调节流速，使调节结果更精确，能用于减轻医护人员的压力、提高医院的工作效率。

Description

一种基于PID控制的自适应输液系统
技术领域
本发明涉及智能输液系统技术领域，具体地说是涉及一种基于PID控制的自适应输液系统。
背景技术
由于静脉输液存在着各种各样的隐患，因此随着互联网技术的发展，医院和患者均对输液系统提出了更高的要求，现在的静脉输液已由传统的人工输液系统进化成了智能输液系统。
目前在大多智能输液系统中,输液泵仅仅是作为输液设备单机使用。而在输液过程中，患者的生理特征参数会随时发生改变，如不及时地获得这些生理特征参数，并对输液过程进行适当的调整，就会对患者的身体产生一定的不良影响或者副作用。因此合理利用医院现有的一些设备，并把从这些设备得到的生理信息及时地反馈给输液泵，输液泵根据得到的生理信息及时调整输液速率，会取得更佳的预期效果。本发明正是基于此，提供了一种可以通过对病人在输液过程中因流速不合适产生的不良反应实时监测同时自动调节流速的输液系统。在智能输液系统的基础上，结合了生物体特征技术，实时监测并分析病人的，使得调节效果更加精确安全。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于PID控制的自适应输液系统。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种基于PID控制的自适应输液系统，包括流速测定模块、流速控制模块、不良反应监测模块和主控芯片，其中，流速测定模块包括U型光电传感器，U型光电传感器通过I/O口与主控芯片通信连接，U型光电传感器检测到有液滴滴落，并向主控芯片发送脉冲信号，主控芯片通过PID算法处理脉冲信号得出流速值，并控制流速控制模块；流速控制模块包括步进电机和驱动芯片，主控芯通过向所述驱动芯片传输不同PWM信号的正转和反转的占空比和时间毫秒数值来驱动步进电机的转向和转速；不良反应监测模块包括心率血氧检测传感器，所述心率血氧传感器与主控芯片通过模拟IIC通信进行数据传输。
优选地，主控芯片的型号为STC89C52。
优选地，心率血氧检测传感器的型号为MAX30102。
优选地，流速测定模块包括一个固定装置一，所述固定装置一将U型光电传感器固定在输液器的莫非管上。
优选地，流速控制模块包括一个固定装置二，固定装置二将步进电机固定在输液管的调速器上。
主控芯片的PID算法包括以下步骤：
STEP 1：程序循环之前初始化数值：
流速阈值范围FlowRateRange＝[0.1,0.9]；
心率阈值浮动范围HeartRateAlter＝0.28；
血氧阈值浮动范围BloodOxygenAlter＝0.24；
流速控制模块PWM信号的正转和反转的占空比和时间毫秒数值信息PWM_Forward＝[0.3,100]，PWM_Reverse＝[-0.3,100]，该数值的设定可以满足使得步进电机移动的长度为总长度的10％；
流速占空比计数FlowRateCnt＝0；
初始的心率值InitheartRate＝0和血氧值InitBloodOxygen＝0；
定时器0每一个机器周期(该周期为1微秒)中断一次，定时器1每1000个机器周期(时长为1毫秒)，即令EA＝1、ET0＝1、ET1＝1、TR0＝1、TR1＝1、TMOD＝0x11、TH0＝(65536-1)％256、TL0＝(65536-1)/256、TH1＝(65536-1000)％256、TL1＝(65536-1000)/256；
STEP 2：在主控芯片程序第一次循环之前使用IIC通信通过主控芯片的P0.1和P0.2引脚获取初始的心率HeartRate和血氧BloodOxygen数值，存入初始的心率值InitheartRate和血氧值InitBloodOxygen变量中，并计算出心率阈值范围HeartRateRange和血氧阈值范围BloodOxygenRange；
STEP 3：使用IIC通信通过主控芯片的P0.1和P0.2引脚获取当前心率HeartRate和血氧BloodOxygen数值，并且与初始的心率值InitheartRate和血氧值InitBloodOxygen作比较：
若在心率阈值浮动HeartRateAlter和血氧阈值浮动BloodOxygenAlter范围之内，则不做处理；
若在心率阈值浮动HeartRateAlter和血氧阈值浮动BloodOxygenAlter范围之外，则经过一个短暂延时子函数后再次测定，若浮动依然处于范围之外，则读出流速控制模块正转信号PWM_Forward数值，通过主控芯片的P1.6和P1.7引脚输出该信号，控制电机正转，减小流速。
—种基于PID控制的自适应输液系统，使用方法包括以下步骤：
STEP 1：将流速测定模块安装至输液器莫非管上，使得U型光电传感器的高度低于莫非管上方滴液口同时高于莫非管内液面；
STEP 2：将不良反应监测手环系紧，并佩戴至病人手腕上；
STEP 3：医护人员通过调节流速控制模块的滚轮调节设定初始流速；
STEP 4：输液开始后，不良反应监测模块开始实时监测病人的体征值，并将体征值通过模拟IIC通信传给主控芯片，流速测定模块监测到有液滴滴落时，向主控芯片发送脉冲信号；
STEP 5：主控芯片通过上述PID自适应算法对输液流速相应调节。
本发明的技术效果在于：
本发明的一种基于PID控制的自适应输液系统，结合了电子技术、生物体征技术等，并结合智能算法使得系统更加优化，能够自动监测、判断并调节流速，使得调节结果更加精确安全，大大减轻了医护人员的压力，提高了医院的工作效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是数据处理算法的流程图；
图3是本发明的电路连接示意图；
图4是本发明主控芯片电路连接图；
图5是本发明步进电机驱动电路连接图；
图6是本发明光电传感器电路连接图；
图7是本发明心率血氧模块电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1-3所示，本发明的一种基于PID控制的自适应输液系统，包括流速测定模块1、流速控制模块2、不良反应监测模块3和主控芯片4，其中，流速测定模块1包括U型光电传感器，U型光电传感器通过I/O口与主控芯片4通信连接；流速控制模块包括步进电机和驱动芯片24，主控芯片4通过向所述驱动芯片24传输不同PWM信号的正转和反转的占空比和时间毫秒数值来驱动步进电机21的转向和转速；不良反应监测模块包括心率血氧检测传感器，所述心率血氧传感器与主控芯片通过模拟IIC通信进行数据传输。
如图6，上述流速测定模块1包括：固定装置11、U型光电传感器12，其中，所述固定装置一11用于将U型光电传感器12固定在输液器的莫非管上，U型光电传感器12嵌入于固定装置一11内部，所述U型光电传感器12通过I/O口与主控芯片4通信。当液滴滴落时，U型光电传感器12检测到有液滴滴落，并向主控芯片4发送脉冲信号，主控芯片4处理脉冲信号得出流速值。
在本实例中，所述固定装置一为硬质塑料带开口圆环，圆环开口稍大于输液管直径，圆环半径等于输液器莫非管外壁半径，使用时直接将流速测定模块固定在莫非管上部，使得U型光电传感器12的高度低于莫非管上方滴液口同时高于莫非管内液面。
如图5，流速控制模块2包括：步进电机21、固定装置二22、连接装置23，驱动芯片24，其中，主控芯片4通过向所述驱动芯片24传输不同PWM信号的正转和反转的占空比和时间毫秒数值来驱动步进电机21的转向和转速，固定装置二22用于将步进电机固定在输液管上原有的调速器上，连接装置23用于连接步进电机丝杆与调速器齿轮，用于将步进电机的旋转运动转换为调速齿轮的推拉运动，从而实现流速控制。
如图7，不良反应监测模块3包括：心率血氧检测传感器31和佩戴装置32，其中，所述心率血氧传感器31型号为MAX30102，与主控芯片通过模拟IIC通信进行数据传输，其中心率血氧传感器31利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量的，佩戴装置32为半径大小可调节的塑胶手环，可以将不良反应监测模块3和主控芯片4一同固定在患者手腕处。
如图4，主控芯片4与其他模块电性连接，控制各个模块实现其功能。
本发明中的U型光电传感器、步进电机、驱动芯片、心率血氧检测传感器均为现有技术，在此不再描述。
下面描述本发明的工作原理：
光电传感器模块输出OUT1与主控芯片的P1.0连接，主控芯片检测P1.0接收到的脉冲信号计算出流速值；
驱动芯片的B1、B2、B3、B3引脚分别与主控芯片的P1.4-P1.7连接，C1、C2、C3、C4为输出与步进电机连接，控制步进电机的运动状态，调整调速齿轮的位置进一步控制流速；
心率血氧检测传感器MAX30102的VIN、SCL、SDA、INT、GND引脚分别与主控芯片的VCC、P0.1、P0.2、P3.2、GND连接，VIN负责芯片供电及IIC总线上拉电平，SCL为IIC总线时钟线，SDA为IIC总线数据线，负责数据传输，INT为MAX30102芯片中断引脚。利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量，主控芯片通过模拟IIC接口读取MAX30102传输的数据计算心率及血氧浓度。
如图2，本发明的智能输液监护方法包括以下步骤：
STEP 1：将流速测定模块安装至输液器莫非管上，使得U型光电传感器12的高度低于莫非管上方滴液口同时高于莫非管内液面；
STEP 2：将不良反应监测手环系紧，并佩戴至病人手腕上；
STEP 3：医护人员通过调节流速控制模块的滚轮调节设定初始流速；
STEP 4：输液开始后，不良反应监测模块3和流速测定模块1同时开始工作，不良反应监测模块3实时监测病人的体征值，并将体征值通过模拟IIC通信传给主控芯片，流速测定模块1监测到有液滴滴落时，向主控芯片4发送脉冲信号；
STEP 5：主控芯片将采集到的体征值存入初始的心率值InitheartRate和血氧值InitBloodOxygen变量中，并计算出心率阈值范围HeartRateRange和血氧阈值范围BloodOxygenRange；
STEP 6：主控芯片获取当前心率HeartRate和血氧BloodOxygen数值，并且与初始的心率值InitheartRate和血氧值InitBloodOxygen作比较：
若在心率阈值浮动HeartRateAlter和血氧阈值浮动BloodOxygenAlter范围之内，则不做处理；
若在心率阈值浮动HeartRateAlter和血氧阈值浮动BloodOxygenAlter范围之外，则经过一个短暂延时子函数后再次测定，若浮动依然处于范围之外，则读出流速控制模块正转信号PWM_Forward数值，控制步进电机正转，减小流速。

Claims (5)

1.一种基于PID控制的自适应输液系统，其特征是：包括流速测定模块、流速控制模块、不良反应监测模块和主控芯片，其中，流速测定模块包括U型光电传感器，U型光电传感器通过I/O口与主控芯片通信连接，U型光电传感器检测到有液滴滴落，并向主控芯片发送脉冲信号，主控芯片通过PID算法处理脉冲信号得出流速值，并控制流速控制模块；流速控制模块包括步进电机和驱动芯片，主控芯通过向所述驱动芯片传输不同PWM信号的正转和反转的占空比和时间毫秒数值来驱动步进电机的转向和转速；不良反应监测模块包括心率血氧检测传感器，所述心率血氧传感器与主控芯片通过模拟IIC通信进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的自适应输液系统，其特征是：主控芯片的型号为STC89C52。
3.根据权利要求2所述的一种基于PID控制的自适应输液系统，其特征是：心率血氧检测传感器的型号为MAX30102。
4.根据权利要求1所述的一种基于PID控制的自适应输液系统，其特征是：流速测定模块包括一个固定装置一，所述固定装置一将U型光电传感器固定在输液器的莫非管上。
5.根据权利要求4所述的一种基于PID控制的自适应输液系统，其特征是：流速控制模块包括一个固定装置二，固定装置二将步进电机固定在输液管的调速器上。
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