CN104143250A

CN104143250A - 基于单片机的输液器声音报警模块及报警声音产生方法

Info

Publication number: CN104143250A
Application number: CN201310172867.0A
Authority: CN
Inventors: 周颖; 王冠楠; 纪达
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2033-05-10
Also published as: CN104143250B

Abstract

一种基于单片机的输液器声音报警模块，包括顺序信号相连的单片机AT89C52、数模转换模块DAC0832、放大器LM386和蜂鸣器。基于上述声音报警模块的报警声音产生方法包括以下步骤：一、根据国家标准YY0709-2009设计报警声音信号；二、利用单片机AT89C52与数模转换模块DAC0832模拟仿真信号。三、运用放大器LM386放大仿真信号驱动蜂鸣器发出报警声音。本发明使用单片机AT89C52作为中央控制单元的控制部分，D/A模块选择DAC0832将控制系统输出的数字量转换为相应模拟量，外围模块运用音频放大器LM386放大D/A模块的输出以驱动蜂鸣器发出报警声音信号，符合新的听觉报警信号下的行业标准，实现了输液器报警声音的标准化，使输液器工作更为安全可靠。

Description

基于单片机的输液器声音报警模块及报警声音产生方法

技术领域

本发明涉及单片机测控技术，特别是涉及一种基于单片机的输液器声音报警模块及报警声音产生方法。

背景技术

医疗器械中的报警系统能及时提醒医疗保健人员，患者病情出现了恶化，或者警告设备操作人员，操作可能有危险。报警系统包括声音、光学和文字提醒等报警功能，用于及时传达仪器状况及病人的病情变化。报警系统的完善、可靠和有效对于保证医疗安全具有重要意义。听觉报警信号对空间定位是有益的，能够帮助操作者迅速地确定报警状态的源头。

输液器是一种能够准确控制输液滴数或输液流速，保证药物能够速度均匀，药量准确并安全地进入病人体内发挥作用的一种仪器。按照医疗器械风险分析方法可以将输液器使用中的各故障状态分成高、中、低等级，包括气泡报警、滴数报警、压力报警、阻塞报警、无液报警、电池低电压报警、处理器报警等，主要采用视觉和听觉报警方式，提示医护人员的及时处理。目前国内医疗产品的听觉报警信号采用低成本的压电报警装置，无法满足标准中复杂频率要求，容易和临床环境中其他医用设备的报警声音混淆，故标准化信号的理解和实现具有一定的临床价值和意义。国外医疗产品的听觉报警信号已采用微处理器电路产生频率组合的电信号，并转换成满足标准条款的听觉报警信号。

发明内容

本发明的目的，就是为了解决上述问题，提供一种基于单片机的输液器声音报警模块。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于单片机的输液器声音报警模块，包括单片机AT89C52、数模转换模块DAC0832、放大器LM386和蜂鸣器；单片机AT89C52的输出连接数模转换模块DAC0832的输入，数模转换模块DAC0832的输出连接放大器LM386的输入，放大器LM386的输出连接蜂鸣器。

基于上述声音报警模块的报警声音产生方法，包括以下步骤：

一、根据国家标准YY0709-2009设计报警声音信号；

二、利用单片机AT89C52与数模转换模块DAC0832模拟仿真信号；

三、运用放大器LM386放大仿真信号驱动蜂鸣器发出报警声音。

步骤一的具体做法是，根据国家标准YY0709-2009制定的高优先级、中优先级和低优先级的不同听觉报警信号，制定出高优先级、中优先级和低优先级的输液器报警声音信号的音律组合和脉冲群设计方案。

步骤二的具体做法是，使用单片机AT89C52作为中央控制单元，通过数模转换模块DAC0832将中央控制单元输出的数字量转换为相应模拟量，实现相应的报警音频信号产生；利用单片机的定时/计数器产生各报警音阶对应的不同频率方波信号；根据设定的听觉报警信号脉冲参数值，用DAC0832进行模拟，设置3个方波脉冲计数器分别对应梯形声波脉冲的上升沿、最大值和下降沿的累积方波数，并计算出各个优先级中每个音的三阶段所含累积方波数。

步骤三的具体做法是，运用放大器LM386放大和转换数模转换模块DAC0832输出的低电平音频电流信号，使输出功率足以驱动配接的蜂鸣器发出报警声音。

本发明提供了一个基于单片机的输液器声音报警模块及基于该模块的报警声音产生方法，满足医药行业国家标准YY0709-2009中复杂的听觉报警信号下的行业要求。本发明提出的声音报警方案，实现了输液器报警声音的3个等级标准化，使实际的输液器工作更为简便、安全和可靠。

附图说明

图1为本发明的基于单片机的输液器声音报警模块的结构框图；

图2为听觉报警信号的时间特征图示；

图3为听觉报警信号主程序流程图；

图4为听觉报警信号发声子程序流程图。

具体实施方式

参见图1，本发明基于单片机的输液器声音报警模块，包括单片机1、数模转换模块2、放大器3和蜂鸣器4。单片机采用AT89C52、数模转换模块采用DAC0832、放大器采用LM386；单片机AT89C52的输出连接数模转换模块DAC0832的输入，数模转换模块DAC0832的输出连接放大器LM386的输入，放大器LM386的输出连接蜂鸣器。

本发明基于上述声音报警模块的报警声音产生方法，包括以下步骤：

一、根据国家标准YY0709-2009设计报警声音信号；

二、利用单片机AT89C52与数模转换模块DAC0832模拟仿真信号；

在步骤一中，根据国家标准YY0709-2009制定的高优先级、中优先级和低优先级的不同听觉报警信号，制定出高优先级、中优先级和低优先级的输液器报警声音信号的音律组合和脉冲群设计方案。根据国家标准YY0709-2009，要求至少有一套具有高优先级、中优先级、低优先级的不同听觉报警信号，保证用户可在所有的报警系统中选择一套熟知的、标准的听觉报警系统。高优先级的听觉报警信号设计成与大多数其他声音(如传真机声、电话声等)都不同，报警信号要优先编码，以便操作者仅通过听觉就可在患者护理区的声音中获取报警信号，并分辨出相关报警状态的优先级。主要通过脉冲群中脉冲的数量和节律来指示优先级的差异，听觉报警信号脉冲的特征如表1所示。

表1听觉报警信号脉冲的特征

高优先级脉冲群由10个脉冲组成，5个脉冲为一组，每组之间有一个暂停。第一组脉冲引起操作者的注意，第二组脉冲则要强调报警状态的重要性，并帮助操作者确定报警状态的源头。中优先级的脉冲群由3个脉冲组成，低优先级的脉冲群由1到2个脉冲组成。与低优先级报警信号相比，高优先级报警信号宜使用更快的脉冲群，脉冲较短，重复频率更高。中优先级和低优先级听觉报警信号应至少完成一个脉冲群，高优先级听觉报警信号应至少完成半个脉冲群。脉冲群在时间域上满足图2所示的变化。低、中、高优先级报警信号的不同脉冲群模式、脉冲群速度、脉冲宽度、重复率和相对音量等，来产生需要操作者响应的不同紧急程度。听觉报警信号应尝试使用音调模式(音律)并标准化，可以用如下的一组音符来表示：C对应于中音DO，d对应于比中音RE低八度的低音re，同样g对应于比中音SOL低八度的低音sol。声音可以产生流体的逐渐跌落和“击水声”溢流的效果，听觉报警信号预定音调及其一种音符表示如表2所示。

表2听觉报警信号预定音调及其一种音符表示

围绕3个不同等级的报警信号，通过脉冲群中脉冲的数量和节律来指示优先级的差异(参见表1)。通过设置低、中、高优先级报警信号的不同脉冲群模式、脉冲群速度、脉冲宽度、重复率和相对音量等，来产生需要操作者响应的不同紧急程度。

在步骤二中，使用单片机AT89C52作为中央控制单元，通过数模转换模块DAC0832将中央控制单元输出的数字量转换为相应模拟量，实现相应的报警音频信号产生；利用单片机的定时/计数器产生各报警音阶对应的不同频率方波信号；根据设定的听觉报警信号脉冲参数值，用DAC0832进行模拟，设置3个方波脉冲计数器分别对应梯形声波脉冲的上升沿、最大值和下降沿的累积方波数，并计算出各个优先级中每个音的三阶段所含累积方波数。更具体地说，是将采用AT89C52与DAC0832生成所需要的音频脉冲信号，实现梯形听觉报警声音脉冲信号。产生某一特定的音频脉冲(1/频率)即将该脉冲周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时此半周期的时间，每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时此半周期的时间再对I/O反相，就可以在I/O引脚上得到此频率的脉冲。利用单片机的内部定时器使其工作在16位计数器模式MODE1下，改变计数值THO及TLO以产生不同频率的脉冲信号。某一特定频率的音符的定时器计数初值的计算公式如下：

根据公式(1)可算出国标规定的输液器的若干报警音符脉冲的计数初值，列在表3中。

表3报警信号定时器计数初值

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器，模拟所设定的听觉报警信号脉冲参数值，需设置3个方波脉冲计数器count1，count2，count3分别对应声波脉冲的上升沿、最大值、下降沿的累积方波数。不同频率的声波脉冲，在相同的上升沿时间，最大值时间以及下降沿时间中所含的方波脉冲数是不同的。故需计算出各个优先级中每个音的三阶段所含累积方波数counti(i＝1，2，3)。公式如下：

count₁＝2N_r-1；count₂＝2(N_r+N_d)-1count₃＝2(N_r+N_d+N_f)-1 (3)

式(2)中，r、d、f分别对应上升沿、最大值和下降沿。

不同优先级的音符脉冲各时期的累积方波数计算结果汇总于表4。

表4不同优先级的音符脉冲各时期的累积方波数

本发明采用3个开关k1、k2、k3模拟发出3个等级的报警事件，选用AT89C52单片机作为控制单元，使用DAC0832芯片直接实现8位数据传输和数模转换。C语言编写的软件部分实现3个等级输液器听觉报警信号的仿真。初始化各软硬件的参数，主程序循环检测3个按钮的状态，转入相应的报警子程序动作发声。报警子程序对定时器T0和定时器T1进行初始化设置并开中断，进行定时。采用定时器T1来控制脉冲群的产生，定时器T0中断响应实现各阶段脉冲方波计数。一个脉冲群的时间控制直接由定时器T0控制，需要定义延时函数来达到脉冲群间期的几秒甚至更多的时长。

AT89C52单片机作为核心控制单元，3个等级输液器听觉报警信号的仿真的C语言编写的听觉报警信号主程序流程图如图3所示，报警信号发声子程序流程图如图4所示。首先进行定义设置，包括(1)定义模拟不同优先级信号的3个开关输入地址；(2)设置基底频率，中音DO，低音re，低音sol；(3)定时器T0和T1的相关计数存储单元；(4)定义不同优先级的发音乐谱。主程序完成(1)初始化，计数存储单元清零，设置定时器优先级，开关中断；(2)进入while语句，循环检测3个开关的状态，一旦检测到某一端口有低电平输入，则程序转入相应的中断子程序动作发声。

报警信号发声子程序即发声程序，首先(1)根据表3、4的设定，对定时器T0和定时器T1进行初始化设置并开中断，进行定时；(2)程序采用定时器T1来控制脉冲群的产生，使用一个while循环使子程序原地踏步，等待定时器T1完成工作，再返回主程序。设置一个标志位timel来实现T1对子程序返回的控制。其中运用延时程序完成脉冲群间期的时间间隔(一般都为几秒甚至更多)，而一个脉冲群的时间控制直接由定时器T0控制。单片机直连DAC0832芯片实现8位数据传输和单缓冲工作方式完成数模转换。

在步骤三中，运用放大器LM386放大和转换数模转换模块DAC0832输出的低电平音频电流信号，使输出功率足以驱动配接的蜂鸣器发出报警声音。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。2脚和3脚之间接可调电阻10KΩ，1脚和8脚之间接入电容和电阻，调节电压增益(最大200)。7脚外接旁路电容滤波降噪。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

模拟报警状态操作过程如下：

1、当K1持续按下时，发10个音DO re sol-DO re-DO re sol-DO re，延时5s后，继续发出这一组音，开关断开，则在当前音发声结束后停止报警。

2、当K1按下后立即断开，系统会在报警5个音DO re sol-DO re后停止。

3、当只K2持续按下时(或按下后立即断开)，发3个音DO re sol，延时10s后，继续发出这一组音，开关断开，则在该组音发声结束后停止报警。若在延时期间K1按下，则无论K2是否继续保持按下的状态，系统都只会按照K1按下时的条件响应。

4、当只K3持续按下时(或按下后立即断开)，发2个音DO DO，延时15s后，继续发出这一组音，开关断开，则在该组音发声结束后停止报警。若在延时期间K1或K2按下，则无论K3是否继续保持按下的状态，系统都只会按照K1或K2按下时的条件响应。若在延时期间K1、K2都按下，则无论K3是否继续保持按下的状态，系统都只会按照K1按下时的条件响应。

Claims

1.一种基于单片机的输液器声音报警模块，其特征在于：包括单片机AT89C52、数模转换模块DAC0832、放大器LM386和蜂鸣器；单片机AT89C52的输出连接数模转换模块DAC0832的输入，数模转换模块DAC0832的输出连接放大器LM386的输入，放大器LM386的输出连接蜂鸣器。

2.基于权利要求1所述的声音报警模块的报警声音产生方法，其特征在于包括以下步骤：

一、根据国家标准YY0709-2009设计报警声音信号；

二、利用单片机AT89C52与数模转换模块DAC0832模拟仿真信号；

3.如权利要求2所述的报警声音产生方法，其特征在于：步骤一的具体做法是，根据国家标准YY0709-2009制定的高优先级、中优先级和低优先级的不同听觉报警信号，制定出高优先级、中优先级和低优先级的输液器报警声音信号的音律组合和脉冲群设计方案。

4.如权利要求2所述的报警声音产生方法，其特征在于：步骤二的具体做法是，使用单片机AT89C52作为中央控制单元，通过数模转换模块DAC0832将中央控制单元输出的数字量转换为相应模拟量，实现相应的报警音频信号产生；利用单片机的定时/计数器产生各报警音阶对应的不同频率方波信号；根据设定的听觉报警信号脉冲参数值，用DAC0832进行模拟，设置3个方波脉冲计数器分别对应梯形声波脉冲的上升沿、最大值和下降沿的累积方波数，并计算出各个优先级中每个音的三阶段所含累积方波数。

5.如权利要求2所述的报警声音产生方法，其特征在于：步骤三的具体做法是，运用放大器LM386放大和转换数模转换模块DAC0832输出的低电平音频电流信号，使输出功率足以驱动配接的蜂鸣器发出报警声音。