一种医用智能型氧气流量计的设计与实现

长期以来我国医疗系统在病人吸氧时，采用浮球式氧气流量计监测病人吸氧的流量大小。该流量只是医疗的依据，而不能作为计费的依据，对病人则按吸氧时间计费。这种计费方式客观上存在着很大的不合理性，在医院和病人之间造成了一定的矛盾，随着医疗改革的推进，这种矛盾日益突出，急需一种方便可靠、成本较低能够自动记录病人吸氧量的医用氧气流量计，以解决按病人吸氧量计费的问题。

利用现代传感器技术似乎不难做到吸氧量的自动计量和记录，但是，传感器元件和封装材料对病人健康的影响则是一个很大的问题，需要经过大量的论证和实验，并且需要专门的机构评估和认证，这就使得设备的成本增加，给普及推广工作带来一定的困难。

通过对医院现有吸氧系统的研究发现：现有吸氧系统中监测氧气流量的浮球式流量计的阀门开关手柄的位置(旋转角度)决定氧气流量的大小，手柄位置和氧气流量有一定的对应关系。通过自动读取开关手柄的旋转角度就可以得到氧气的瞬时流量，利用单片机进行计时和计算就可以得出病人吸氧过程中的累计吸氧量。

1 系统构成和基本原理

本设计是一款简单、可靠、实用的医用氧气流量计量系统，它利用现有吸氧系统中金属浮球式氧气流量计阀门开关手柄旋转角度和氧气流量的相关性进行计量。

在阀门手柄上安装一个编码盘，将编码盘沿径向等分为4等份，沿圆周方向等分为16个面积相等的扇区，将这16个扇区依顺时针方向对径向的4个相等区域按二进制数规则进行编码，并分别涂上黑色和白色(黑色代表“O”白色代表“1”)这样在编码盘上就形成了以OH～15H表示的16个手柄转动角度的不同位置，分别代表不同的氧气流量。在编码盘的一侧安装4对红外光发射和接收管，试其分别对准编码盘径向的4个编码区，当阀门手柄转动时红外接收管就能接收到一个编码序列，并将其传送到AT89C55单片机。AT89C55单片机对这些编码进行分析比较就能确定手柄的旋转方向、角度、旋转圈数和最终停止位置，从而计算出相应的氧气流量，同时记录吸氧的开始时间和结束时间，最终计算出病人的总计吸氧量。在吸氧过程中显示吸氧时间、流量、吸氧量等信息并提供查询功能。吸氧结束时通过RS 232串行接口将吸氧信息传送到上位计费计算机。

系统由编码盘、红外光读码装置、氧气流量记录和计算装置、显示装置、操作面板和RS 232串行接口和应用系统软件等组成。其系统设计框图如图1所示。



2 硬件实现方案

2．1 编码盘

如图2所示编码盘是由厚度为2 mm直径为80 mm塑料园板制成，编码盘安装于浮球氧气流量计的阀门手柄上，编码盘的“0H”位置对应于阀门的关闭状态，其余16个位置对应于不同的氧气流量。



2．2 红外光读码装置

红外光读码装置是由4对反射式红外开关管组成，利用编码盘上黑色和白色区域对红外光的不同反射率识别不同的编码。黑色对红外光的反射很弱，接收管处于截止状态，白色对红外光的反射很强，接收管处于饱和状态。信号直接，接入AT89C55的P1口。其主体电路如图3所示。



2．3 氧气流量记录和计算装置

本设计采用AT89C55单片机作为氧气流量记录、计算、查询的核心，由DSl2887提供实时时钟。单片机每分钟读一次编码信息并计算流量，同时进行存储和显示，单片机通过中断方式接受操作键产生的中断信号，调用相应的子程序完成时间设置、流量设置、查询、清零等工作。

2．4 显示装置

显示装置采用SMGl9264液晶模块电路作为显示器，其主体电路如图4所示。



2．5 操作面板

操作面板上共有开始／结束、设置、上／下调、查询、清零5个操作键，其主体电路如图5所示。



2．6 电源部分

单片机及外围所连接的芯片工作电压要求为+5 V。先将220 V的交流电压经交流到直流的转换器转换到+9 V，再将+9 V电压通过稳压器稳压到+5 V对系统供电。考虑到电源部分的抗干扰问题，有必要加上光电隔离，以防止影响整个系统的正常工作。主要电路如图6所示。



2．7 RS232串行接口

RS 232串行接口是单片机和上位计算机进行通信的必备环节。AT89C55单片机片内包含了一个全双工的可编程的串行I／O端口，在串行通信中采用RS 232标准。RS 232标准的电平采用负逻辑，规定+3～+15 V之间的任意电平为逻辑“O”，-3～-15 V之间的任意电平为逻辑“1”，通信时要将TTL或CMOS电平转换为RS 232电平，本设计采用MAX232芯片来完成电平转换，其电路如图7所示。



3 软件设计

软件设计采用单片机C语言设计，总程序设计包括：时间设置模块设计、流量设置模块设计、计量模块设计、查询模块设计、显示模块设计、清零模块设计、操作键设置模块设计等，其总程序流程图如图8所示。