一種基于AVR單片機(jī)的便攜式無線醫(yī)療點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)

　　引言

　　智能化和便攜式是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，醫(yī)療電子的智能化使得醫(yī)務(wù)人員的操作變得更方便。醫(yī)務(wù)人員可隨身攜帶手持式監(jiān)控儀對各病房點(diǎn)滴實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)了解相關(guān)情況;如遇突發(fā)情況如點(diǎn)滴低于設(shè)定警戒值，終端監(jiān)控裝置可產(chǎn)生中斷信號，主控制端則可優(yōu)先進(jìn)行相應(yīng)的處理。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以AT32UC3A0512[1]單片機(jī)為主控制器的便攜式遠(yuǎn)程無線點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)，可及時(shí)了解點(diǎn)滴狀態(tài)，提高醫(yī)療點(diǎn)滴設(shè)備安全性。

　　1 系統(tǒng)原理介紹

　　本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：手持式控制端和終端監(jiān)控裝置。手持式控制端主要實(shí)現(xiàn)信息輸入和查詢界面的操作，通過輸入待查詢的病房號及點(diǎn)滴速度值，以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送給相應(yīng)的病房監(jiān)控終端，實(shí)時(shí)顯示終端傳送來的點(diǎn)滴狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。終端監(jiān)控裝置主要負(fù)責(zé)點(diǎn)滴狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和處理(點(diǎn)滴流速與點(diǎn)滴液位等)，以及將處理好的數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送給主控制端;對于點(diǎn)滴液位低于設(shè)定值、病人呼叫等緊急事件，按照中斷模式處理，發(fā)出報(bào)警提示，并將事件類型以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送至主控制端。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 控制端部分硬件設(shè)計(jì)

　　手持式控制端采用Atmel公司的32位RISC處理器AT32UC3A0512為主控制器[1]。它的功耗低，吞吐量高，內(nèi)部具有512K Flash和64K的SRAM，CPU工作頻率最高可達(dá)66 MHz;在3.3 V電壓下，工作電流約40 mA，待機(jī)電流則僅為30 μA。內(nèi)部高度集成的硬件資源可簡化外圍電路的設(shè)計(jì)，如內(nèi)部Flash、USB、ADC、EBI和以太網(wǎng)等外設(shè)接口可供設(shè)計(jì)者使用。

　　2.1.1 觸摸按鍵模塊

　　采用Quantum Research Group公司的電容式觸摸按鍵模塊IC QT1801，[2]具有功耗低，外圍電路簡單，可同時(shí)支持8個(gè)觸摸按鍵輸入等特點(diǎn)。經(jīng)過內(nèi)部濾波整形后，在對應(yīng)的按鍵口輸出邏輯電平，根據(jù)外圍電阻值的不同選擇可以設(shè)置IC QT1801的各種模式?！　」ぷ髂Ｊ降脑O(shè)置如下：在全模式(Full Option Mode)下，需在引腳SNSx(x=0，1，…，7)接1 MΩ電阻;在精簡模式下，需在引腳SNS6K和SNS7之間串接一個(gè)1 MΩ電阻。按鍵輸出值模式有2種：Oneperkey和Binary Code。當(dāng)有按鍵觸摸時(shí)在24引腳(DETECT)產(chǎn)生觸摸中斷信號，高電平有效。其中，CS1~CS5為觸摸按鍵輸入，其接口電路如圖2所示。

　　圖2 觸摸按鍵模塊電路圖

　　2.1.2 LCD顯示模塊

　　顯示部分采用EDT公司的LCD顯示模塊ET024006DHU，該LCD模塊內(nèi)部集成了圖形控制驅(qū)動(dòng)器HX8347A，MCU可通過兩種接口方式對其內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫操作來控制LCD的顯示，分別是并行接口模式和SPI接口模式。并行接口模式下可選擇8/16位數(shù)據(jù)和16/18位RGB數(shù)據(jù)，串行SPI接口模式下可將8/16位數(shù)據(jù)和16/18位RGB數(shù)據(jù)直接寫入內(nèi)部寄存器。

　　2.1.3 無線通信模塊nRF24L01[3]

　　無線通信部分采用單片射頻收發(fā)芯片，其工作頻段為世界通用的ISM頻段(2.4～2.5 GHz)，是一款真正的GFSK單收發(fā)芯片。內(nèi)置鏈路層，具有自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能，支持地址及CRC檢驗(yàn)功能。它具有極低的電流消耗，掉電和待機(jī)模式下電流消耗更低;數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2 Mbps，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口可與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速率最高可達(dá)8 Mbps;可工作在125個(gè)可選頻道，在接收模式下，可同時(shí)接收工作在同一頻道的6個(gè)數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)，相互通信的收發(fā)器的數(shù)據(jù)通道設(shè)置為同一個(gè)地址。

　　通過對nRF24L01內(nèi)部寄存器的讀/寫來控制其工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的收發(fā)，當(dāng)收發(fā)器數(shù)據(jù)接收/發(fā)送完成或者出現(xiàn)異常時(shí)，IRQ引腳產(chǎn)生中斷信號，低電平有效，對STATUS寄存器相應(yīng)位寫“1”，清除中斷標(biāo)志。無線通信模塊硬件連接如圖3所示。

　　2.2 終端監(jiān)控裝置硬件設(shè)計(jì)

　　終端監(jiān)控裝置采用ATmega128單片機(jī)，主要接收控制端發(fā)送的命令數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)送給控制端，完成病人呼叫、液面監(jiān)測、對點(diǎn)滴速度的檢測與控制，以及聲音報(bào)警等功能。

　　2.2.1 點(diǎn)滴速度控制模塊

　　點(diǎn)滴速度控制電路采用專用的步進(jìn)電機(jī)控制芯片L297、雙全橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298。L297內(nèi)部的PWM斬波器電路在開關(guān)模式下可產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)繞組中的電流，從而控制電機(jī)的精確轉(zhuǎn)動(dòng);它產(chǎn)生的4相控制信號可用于控制兩相雙極性和四相單極性步進(jìn)電機(jī)。L298內(nèi)含HBridge高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，4路驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下的兩相或四相步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過精確控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制點(diǎn)滴裝置的流速夾滾軸的滑動(dòng)，以達(dá)到控制點(diǎn)滴滴落速度的目的。硬件連接圖如圖4所示。

　　圖3 無線模塊硬件圖

　　圖4 點(diǎn)滴速度控制電路圖

　　2.2.2 點(diǎn)滴速度和液位檢測模塊

　　利用紅外對管發(fā)射方法測量點(diǎn)滴速度。點(diǎn)滴檢測電路包括紅外發(fā)射、接收、脈沖整形3部分，硬件原理圖如圖5所示。ST1150是單光速直射式紅外光電傳感器，光縫寬度為1.5 mm，光軸中心為2.5 mm，紅外檢測面積較小。當(dāng)無液滴通過時(shí)，接收管(ST1150內(nèi)部的三極管)導(dǎo)通，Vin為低電平;當(dāng)有液滴通過時(shí)，接收管截止，Vin處產(chǎn)生高電平脈沖，經(jīng)過斯密特觸發(fā)器整形后在Vout處產(chǎn)生一串規(guī)則的方波脈沖，并送至ATmega128進(jìn)行處理。

　　圖5 點(diǎn)滴速度檢測電路

　　液位檢測則采用反射式紅外傳感器，電路檢測原理電路和點(diǎn)滴速度檢測電路類似。ST198是采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的反射式光電傳感器，采用非接觸檢測方式，檢測距離為2～10 mm時(shí)可用。當(dāng)液位低于設(shè)定值時(shí)，接收管接收到的是電平信號，經(jīng)過反相器倒相后送至單片機(jī)，觸發(fā)中斷。當(dāng)紅外對射管為ST1150時(shí)用于點(diǎn)滴速度檢測，為ST198時(shí)用于液位檢測。