基于STC15F2K60S2单片机智能医疗系统输液监护的设计与实现

宋玲玲，张会兵

(1. 烟台职业学院 电子工程系，山东 烟台 264670；2.桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004)



基于STC15F2K60S2单片机智能医疗系统输液监护的设计与实现

宋玲玲1，张会兵2

(1. 烟台职业学院 电子工程系，山东 烟台 264670；2.桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004)

智能医疗助手可以通过重力传感器来感知吊瓶中药液量的多少，A/D将模拟信号转换成数字信号送给单片机，再由STC15F2K60S2单片机通过异步串行通信口送给上位终端显示机，上位终端机再对接受的信号进行处理，用图形化的形式显示出药液量的多少；心率监测模块是指利用红外线对人体的小拇指、耳垂等组织较薄的部位进行脉搏检测，以达到自身监控.

智能医疗；A/D转换；上位机；心率监测

随着经济与科技的发展，人们对自己的身体健康越来越重视，对医院的要求也越来越高，由于医生任务繁忙，病人过多，无法细致的照顾到每一位病人，输液时得不到及时看护，从而引发医疗纠纷.基于STC15F2K60S2单片机的智能医疗助手可以非常有效的解决这个问题，使现代医学走向智能化成为可能.

1 总体设计方案

通过重力传感器和光电传感器采集液体和脉搏的模拟信号传给A/D芯片，A/D转换出来的数字信号送给单片机，STC15F2K60S2单片机通过异步串行通信口送给上位终端显示机，上位终端机再对接受的信号进行处理、显示，从而达到对输液量和脉搏进行实时医疗监护的目的.控制系统如图1所示.

图1 控制系统总图

2 功能模块的工作原理

2.1 传感器模块

重力传感器内部有一种特殊的材料，当有外来压力(重力)作用时，其内部的某些电介质会发生极化，在内部建立电场；当外来压力(重力)发生变化时，在内部建立的电场强弱也会发生变化.将内部建立的电场通过电路进行转换后，给出与所受外力(重力)相对应的电信号的输出.通过输出的电信号反应外来压力的变化[1-2].它的优点是技术可靠、工作稳定、结构简单、灵敏度高等.重力传感器模块如图2所示.

图2 重力传感器模块

光电传感器内部有一种特殊的材料，能够灵敏的感知外界光的变化，并能借助于电子元器件将外界光的变化转换成电信号.光电传感器是由光源发生器、光学通路以及光电检测器三部分组成的[3].光电检测方法具有价格低廉、检测距离长和响应速度快的特点.

检测原理为，人体中血液的流动有两个方向：一个方向是通过动脉将新鲜的血液送到人体的各个部位；一个方向是通过静脉将携带垃圾的血液送回心脏.人体组织半透明度在血液的两个不同的输送方向反应不同，当血液通过动脉时，组织的半透明度减小，血液通过静脉时，组织半透明度则增大.组织半透明度的变化明显的部位在人体组织的手指尖、耳垂等部位[4].因此本设计光源发生器采用红外发光二极管，其产生的红外线照射到患者的手指部位，通过手指旁边的光电检测器接收经过手指的透射光并将其转换成电信号.由于人体中血液循环经心脏表现出周期性的变化，使得流经手指的血液也呈现出周期性的变化，因此光电检测器处理单元输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化[5].将输出信号经过处理，输出到数码管显示，即可以得到实时测量出来的脉搏的次数.控制电路和传感器模块如图3所示.

图3 控制电路和传感器模块

2.2 A/D转换模块

设计主要采用TI公司的TLC2543的12位串行模数转换器，其原理是利用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程.TLC2543优点是采用串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且性价比非常好，分辨率较高.TLC2543引脚分布如图4所示.

图4 控制电路和传感器模块

2.3 处理器模块

设计主要采用的控制核心是STC公司生产的STC15F2K60S2来控制整个智能医疗系统，该型号的单片机采用STC第八代加密技术，加密性超强指令代码，速度比传统的51系列的单片机速度快8-12倍.内部集成高精度R/C时钟，±1%温飘，常温下温飘5‰，5MHz～35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振.两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5 组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用.单片机芯片配置40脚STC系列单片机插座，各种接口扩展齐全.输入/输出模块配置4×4 矩阵式键盘，其中16 个按键可通过跳线灵活的配置为独立按键.传感模块配置数字温度传感器DS18B20 接口.本系统用到不同功能的传感器以及串口通信，所以这个芯片非常适用.处理器模块如图5所示.

图5 STC15F2K60S2单片机引脚图

2.4 路由器模块

QAZ2000 Zigbee无线传输模块是基于TI公司CC2530F256芯片，主要实现Zigbee无线数据透明传输转串口通信.针对复杂的Zigbee协议，本模块将协议栈嵌入模块内部，只留出串口，用户无需了解Zigbee协议栈，只需要读写串口,即可实现数据的无线传输，简单易用，非常适合嵌入用户系统.路由器模块如图6所示.

图6 路由器电路模块

2.5 上位机模块

上位机系统主要包括两部分：登录界面和主界面.登陆界面主要用于信息验证，登录上位机系统是需要进行身份和密码的验证，信息通过验证后，进入主界面.主界面上会显示准确时间、进度条，还包括重启、退出、关机等功能，也可以作记事本用，进度条可以实现对药液量的多少监测，重启可以重启上位机系统，重回登陆界面，退出可以实现退出上位机系统，关机可实现整个电脑关机.上位机模块如图7所示.

图7 上位机模块

上位机模块主要将Zigbee接收到的通过单片机串口发出的信号以图形化的形式直观的将点滴药瓶的液量信息在PC机上显示出来.主要实现对吊瓶中药液量多少的监测，输液到50%，上位机病房颜色由绿色变为黄色，输液10%时，由黄色变为红色，同时发出语言提醒看护人员输液即将完成，并且在上位机上可以显示病人输液的药品详细说明.

3 功能模块的程序设计

3.1 A/D转换模块

sbit CLOCK = P1^0;//设置P1.0为TLC2543的CLOCK

sbit D_IN = P1^1; //设置P1.1为TLC2543的D_IN

sbit D_OUT = P1^2;//设置P1.2为TLC2543的D_OUT

sbit _CS = P1^3; //设置P1.3为TLC2543的_CS

Uint read2543(uchar port) //读取哪个端口ad值就写入哪个端口

{

uint ad=0,i;

CLOCK=0;

_CS=0;

port<<=4;

for(i=0;i<12;i++)

{

if(D_OUT) ad|=0x01;

D_IN=(bit)(port&0x80);

CLOCK=1;

CLOCK=0;

port<<=1;

ad<<=1;

}

_CS=1;

ad>>=1;

return(ad);

}

3.2 串口通信模块

void INITUART()

{

P2 = 0X01;

TMOD = 0X20;//定时器1方式2

SCON = 0X50; //设定串口1工作方式1

AUXR = 0X00; //12分频，定时器1作为串口1的波特率发生器

AUXR1= AUXR1&0x3F; //串口1在3.0和3.1不进行切换

TH1 = 0XFD;

TL1 = 0XFD;

TR1 = 1;

ES = 1;

EA = 1;

}

3.3 数码管显示和报警模块

void display(uint k)

{

P0=0x01; //千位的显示

P1=table[k/1000];

delayms(5);

P0=0x02; //百位的显示

P1=table[k%1000/100];

delayms(5);

P0=0x04; //十位的显示

P1=table[k%100/10];

delayms(5);

P0=0x08;//个位的显示

P1=table[k%10];

delayms(5);

}

4 智能医疗助手设计的特点与创新

本设计是由我们自主创新设计，自己动手制作的智能医疗助手.其拥有以下主要特点：

(1)输液和脉搏测量同时进行.红外线来进行人体的脉搏测量，检测的部位为被检测人的小拇指、耳垂等组织较薄的部分，单片机处理信号并用数码管显示测量结果.体积小但精度高，提高了脉搏测量仪的简便性和精确度，具有很强的使用价值.

(2)警报功能.以STC15F2K60S2单片机为核心，以红外对管为传感器，若测量结果超出正常范围则报警提示.

(3)路由传输功能.只需要读写串口，采用Zigbee无线传输模块将单片机接收到的数字信号传递给下一接收级，可实现数据的无线传输，简单易用.

(4)上位机监控功能.接收到的信号以图形化的形式直观的将点滴药瓶的液量信息在PC机上显示出来，更具人性化.

本设计通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元STC15F2K60S2单片机， 处理数据后完成相应显示，采用最少的硬件实现比较完善的医院报警系统，采用单片机与上位机结合，图形化的显示效果更直观.产品功能稳定、处理速度快、操控简单、电路简单、易于维修，实用性强.

[1]门秀花,李舜酩.压电陶瓷传感器稳定性的仿真分析[J].传感器与微系统，2007(10)：41-44.

[2]郑玉章,徐爱钧.STC15和CH376的实时海量数据采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应，2014(2)：38-41.

[3]韩光江,孙鹏.基于STC15F2K61S2的计算器设计[J].科技与创新,2015(5):101-102.

[4]石金鑫.简易数字人体心率检测仪[J].科技风,2010(3)：204-205.

[5]李新雨.基于单片机设计的脉搏测量仪[J].电子技术,2011(8):48-50.

Design and Implementation of Intelligent Medical Infusion Monitoring System Based on STC15F2K60S2

SONG Ling-ling1, ZHANG Hui-bing2

(1. Department of Electronic Engineering, Yantai Vocational College, Yantai, 264670;2. School of Computer Information and Security, Guilin University of Electronic Technology, Ginlin, 541004, China)

The intelligent medical assistant can get to know the quantity of liquid in the infusion bag or bottle by gravity sensor, A/D converts analog signals into digital signals sending to single chip microcomputer, and STC15F2K60S2 sends digital signals to upper terminal display machine through asynchronous serial communication port , superior signal reprocesses the accepted terminal in a graphical form to show the amount of liquid; Heart rate monitoring module refers to the use of infrared ray to examine the pulse detection on thinner groups of the human body, such as ear lobe and litter finger, in order to achieve their own monitoring.

intelligent medical; analog to digital; upper terminal display machine; heart rate monitoring

2016-10-14

广西可信软件重点实验室项目(kx201214)

宋玲玲(1979-),女,山东烟台人，烟台职业学院电子工程系讲师.

R472；TP277

A

1672-2590(2016)06-0065-06