基于单片机实现的小型病房监护系统研究

1　前言

近年来常常出现因护士医生的粗心而导致某些医疗事故，不仅给病人及病人家属造成了相当程度上的损害，同时也影响了医院的声誉。因此，针对医院看护问题，应设想出一套病房监护系统的方案。整个监护系统的核心部分是输液报警器，再辅之以自动 窗帘、温度检测仪、脉搏检测仪等。输液报警器的作用是当输液结束时能够自动关闭输液管。自动窗帘是利用光敏电阻结合步进电机实现窗帘的自动控制，当光照强度达到一定程度时，窗帘自动打开，增加室内的采光度。温度检测仪是利用温度湿度传感器，随时监控病房内的温度以利于护士及时作出相应的措施。脉搏检测仪是利用脉搏传感器，通过病人的手指就可以测到脉搏，跟传统意义上的人工测试脉搏相比，大大的节约了人力物力资源。

2　输液报警器

（1）电路图设计

电路图如图１，４０６９芯片管脚图如图２所示。

（2）工作原理

该电路图为利用折射式检测原理设计的输液报警器，在电路图中，ＩＣＩ为一只型号为ＭＯＣＨ２２Ａ的槽型光电耦合器，在其槽路中卡入透明的输液管，当输液管中有液体和没有液体时，对其输入端红外发射管发射的红外线有不同的折射系数。调整槽型光耦的位置使有液体时其输出端的光敏三极管接收到的红外光最强。此时，槽型光耦输出端呈低阻态，其等效电阻与Ｒ２分压的结果使反相器Ｄ１输入低电平，输出高电平经Ｄ２再次反向后使Ｄ２输出低电平，二极管ＶＤＩ正向偏置，由反相器Ｄ３，Ｄ４组成的受控振荡器因ＶＤＩ的前肢作用而无法起振，Ｄ３输出低电平，Ｄ４输出低电平；同样，因Ｄ４输出低电平使ＶＤ２正向偏置而使由Ｄ５，Ｄ６构成的受控振荡器亦无法起振，扬声器Ｙ不发声。

而到管路中没有液体时，此时，由于空气的折射系数要小于液体，改变了原来的折射体系，光敏三极管能够接受到的红外线能变小，输出呈高阻态，经与Ｒ３分压的结果使反相器Ｄ１输入高电平而使Ｄ２输出高电平。二极管ＶＤＩ反向偏置从而解除了对受控振荡器的控制。由Ｄ３，Ｄ４构成的受控振荡器开始振荡从而控制由Ｄ５，Ｄ６构成的音效受控振荡器起振，在Ｄ６的输出端输出间歇的音效信号经由ＶＴ１、ＶＴ２组成的达林顿管放大后推动扬声器发声报警。

（3）焊接调试

开始在面包板上试连接电路图，调试运行，自习检查电路连接中的错误，发现问题所在，然后焊接电路板，再调试运行，直至电路调试成功。

3 光控自动窗帘

（1）设计思路

因为我们的课题是病房管理系统，所以我们在设计自动窗帘时，充分考虑到病人的需求，我们的设计理念是让病人得到最大的便利。首先，电路要求有装置能感应到光照的强弱。这就要求电路中必须有一个感光电路，因而在电路中选用光敏电阻作为感光电路。它对光的变化非常敏感，在光的照射下，阻值会明显变小，利用这一特性可以进一步设计下面的控制电路。其次，电路能够根据光线强弱将窗帘打开和关闭，这是此次设计的主要部分即控制电路。由光敏电阻的特性可知，光照会引起它的阻值的变化，而阻值的变化又会引起电路中电压或电流的变化。因此控制电路器件可选用压控或流控的器件，在电路中我们选用了压控的运算放大器和晶体管来构成主控电路。首先运放输入电位的高低可控制输出电平的高低，运放的输出接着由晶体管组成的开关电路。根据输出的不同，晶体管或导通或截至，从而控制电机或工作或停止。由要求可知，窗帘有两个动作打开和关闭，因此要求电机正转或反转。此电路中，我们用一个对称的控制电路来控制电机的正反转。它们的不同之处在于与直流电机正负极的连接方向不同而已。最后，就是制动电路。为了实现窗帘接触到边沿时，自动切断电源。根据晶体管低电平截至的特性，在两组三极管组成的开关电路前加上了两个接地开关，当窗帘拉开或关闭到位时，将会接触到开关，使得开关闭合，那么晶体管将截止，电机将停止工作。这就达到了控制窗帘到位后切断电源的要求。

（2）电路设计

电路如图3所示。

（3）工作原理

如图3所示，该光控自动窗帘电路采用集成双运算放大电路ＩＣＩ和光敏电阻器ＲＧ作为主要控制元件。光敏电阻器ＲＧ与运算放大器ＩＣ、电位器ＲＰ１、ＲＰ２等构成控制电路。

在清晨，环境光线较强，光敏电阻器ＲＧ呈低阻值状态，使ＩＣ的２脚电压较３脚电压高，Ｉｃ的５脚电压较６脚的电压高，ＩＣ的１脚低电平，７脚输出高电平，使晶体管Ｖ１－Ｖ３均导通，Ｖ４－Ｖ６均截至，电动机Ｍ正转，驱动窗帘拉开。当窗帘拉合到位后，滑动触头开关Ｓ１被触动而接通，使ＶＩ的基极变为低电平，Ｖ１－Ｖ３均截至，电动机Ｍ停转。

当夜幕降临时，环境光线较弱，光敏电阻器ＲＧ的阻值变大，使ＩＣ的３脚电压高于２脚的电压，１脚输出高电平，使晶体管Ｖ４－Ｖ６均导通，电动机Ｍ反转，驱动窗帘拉和。当窗帘拉和到位后，滑动触头来关Ｓ２被接通，使Ｖ４的基极变为低电平，Ｖ４－Ｖ６截至，电动机Ｍ停转。

调节电位器ＲＰ１、ＲＰ２的电阻值，改变ＩＣ的２脚电压和５脚电压的高低，是使清晨时ＩＣ的７脚输出高电平，１脚输出低电平；而傍晚时ＩＣ的１脚输出高电平，７脚输出低电平即可。

4 脉搏测量器

4．１ 设计原理

（1）硬件原理

该电路由传感器电路、信号放大和整形电路、单片机电路、液晶显示电路等四部分组成。传感器电路，信号放大和整形电路方面做成两个模块，将其整合在一个电路板上，采集到的信号输入到单片机外接接口里，通过程序的计算，将脉搏数显示在液晶屏的第一行上。

（2）脉搏测试传感器的工作参数

ＨＫ－２０００Ｂ＋脉搏传感器是在ＨＫ－２０００Ｂ脉搏传感器的基础上改进的产品。传感器 探头直径做到１５ｍｍ，电路部分外设。ＨＫ－２０００Ｂ＋脉搏传感器电路模块电路集成了信号放大、信号调理、幅度调整、基线调整等电路。输出可直接接Ａ/Ｄ转换电路。具体如下表所示。

（3）软件原理设计

程序用Ｃ语言编写，由主程序、外部中断服务程序、定时器ＴＯ中断服务程序、延时子程序，液晶显示子程序等模块组成。主程序完成程序的初始化，中断０服务程序由测量、计算、读数等部分组成。定时中断服务程序由计时、动态扫描显示、无测试信号判断等部分组成。程序中用变量ｎ对时间计数，用变量ｍ对脉搏脉冲信号个数计数。

4．２ 设计过程

（1）实验环境

硬件环境：脉搏传感器，单片机，电路板。

软件环境：Ｋｅｉｌ　ｕＶｉｓｉｏｎ３（如图4所示）。

（2）数据收集具体实现的方案

根据具体的需要如采集信号，放大信号，滤波，稳定信号，输出信号等。

（3）编写程序

总体分为五个模块包括：主程序、外部中断服务程序、定时器ＴＯ中断服务程序、延时子程序，液晶显示子程序。

1）主程序：调用各子程序，实现整体功能，伪代码如图5所示。

2）外部中断服务程序如图6所示。

3）定时器中断伪代码如图7所示。

4）液晶显示，将脉搏次数显示在液晶屏上，伪代码如图8所示。

5）延时子程伪代码如图9所示。

4．３ 显示结果

ＬＥＤ中首行显示“ｐｕｌｓｅ：０６５”，这表示脉搏数为６５次/分钟。

5 温度测量仪

5.1 原理

在以单片机为核心的系统中，有时需进行温度采集及控制，实用温度测量仪的工作原理如图１0所示。根据以上原理，在设计温度测量仪的过程中，关键是对不同的方案进行比较分析，从而寻求性能/价格高的实施方案：采用ＤＳ１８Ｂ２０作为温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０是ＤＡＬＬＡＳ公司生产的单总线数字式温度传感器，它取代了传统方法中的采样、放大、ＡＤ电路，直接把温度信号变为串行数字量供ＣＰＵ处理，单片机进行数据处理后将温度测量值送ＬＣＤ显示。

5．２ 实现过程

（1）实验环境

　　硬件环境：ＤＳ１８Ｂ２０，单片机；

软件环境：Ｋｅｉｌ　ｕＶｉｓｉｏｎ３。

（2）具体实现方案

由温度采集、数据处理及液晶显示三个模块构成。各组成部分程序代码如下。

1）温度采集模块伪代码如图11所示。

2）数据处理模块伪代码如图12所示。

3）液晶显示模块伪代码如图13所示。

5．３ 显示结果

将１８Ｂ２０插入单片机内，通过实验得到结果如图14.

由图14可知，在第二行的数据中，温度为２７．５００°Ｃ，符合现实温度，说明实验结果是正确的。

6 作品展示及说明

如图15所示，作品是由输液报警器、光控自动窗帘、脉搏测量及温度显示构成的在单片机上实现的小型病房监护系统。该电路设计简单，功能实用、响应速度快，控制精度高，运行稳定且易操作。