液体点滴速度监控装置的设计

共Ⅲ页第I页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊液体点滴速度监控装置的设计【摘要】随着电子技术的发展，医疗设备也在发生着一些变化，而传统的人工式监护方式显然已经越来越不能满足当今的监护需要了。目前，我国医疗机构在进行输液治疗时，输液速度的控制还是采用人工方。常规临床输液，普遍采用挂瓶式输液，并用眼睛直接观察，依靠手动夹子来控制输液速度，这样的操作方式不能精确控制输液的速度，而且工作也量大。因此，就需要既廉价又实用的医疗输液检测监控装置来满足现今的医疗需求。本系统的设计是以单片机AT89C51为核心，以键盘及光电传感器作为输入系统，以数码管及电动机作为输出系统的智能化输液控制及监测系统。键盘系统为独立式按键系统，光电传感器的功能为液体点滴的速度以及输液瓶页面高度的可靠检测。当液面低于警戒值时，系统发出警报，并可以手动除去警报。电动机具有转速可控功率大及输入脉冲不变时可保持大力矩等优点，这样就可以通过控制吊瓶的上、下缓慢移动达到智能控制液体点滴速度的目的。【关键字】单片机光电传感器步进电机第1章系统方案选择与论证..........................................11.1各模块方案选择和论证.........................................11.1.1液体点滴速度检测.........................................11.1.2输液瓶液面检测...........................................21.1.3键盘方案.................................................31.1.4显示方案.................................................31.1.5电动机系统方案...........................................31.1.6点滴速度控制方案.........................................51.2方案确定.....................................................51.3基本系统框图.................................................6第2章系统的硬件设计与实现........................................62.1系统硬件的基本组成部分.......................................62.1.1液体点滴速度检测电路.....................................72.2.2储液瓶液面检测电路.......................................72.2.3键盘电路.................................................82.2.4显示电路.................................................92.2.5步进电机驱动电路.........................................92.3原件说明....................................................102.3.1AT89C51..................................................10共Ⅲ页第II页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2.3.2NE555...................................................122.3.3数码管.................................................13第3章系统软件设计...............................................153.1液体点滴速度检测子程序......................................153.2储液瓶液面检测子程序........................................153.3点滴速度检测子程序..........................................163.4键盘显示子程序..............................................173.5系统的主程序设计............................................18第4章总结.......................................................19致谢.............................................................20参考文献..........................................................21长春大学毕业设计（论文）纸共22页第1页第1章系统方案选择与论证1.1各模块方案选择和论证1.1.1液体点滴速度检测红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线[1]。人眼可见的波长为380nm-78mm，发射波长为780nm-1mm的长射线称为红外线，红外线光电传感器，它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通电路而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测，而且检测距离可近可远，根据具体情况选择自己合适的传感器即可。方案一：利用光透射原理。使用红外对管实现对液体点滴速度的检测。当没有点滴落下的时候,检测系统输出一个比较低的电压，而当有点滴滴下，经过红外对管，检测电路就会产生一个比较高的电压。如此就可以产生脉冲信号。但检测到的电压变动比较小，所以必须加一个电压放大电路。经过放大的信号在通过一个电压比较器就可以得到单片机可以识别的脉冲信号，从而实现对点滴滴数的计数。实现框图如图1-1。图中的转换电路由放大电路和比较电路两部分组成。图1-1光透射原理检测电路方案二：利用光的反射原理。使用反射式红外光电传感器检测。红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，先通过放大电路的处理再通过电压比较电路的处理就可以得到单片机可以处理的脉冲信号。实现原理框图如图1-2。其中整形电路包括放大电路和比较电路。转换电路光源脉冲信号发送接收------------------单片机共22页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1-2光反射原理检测电路方案三：使用电容式接近开关。电路集成度高，使用继电器输出，输出信号标准，电路简单。但其工作原理是根据电容中介质的改变对外产生开关量。1.1.2输液瓶液面检测方案一：采用金属电极检测储液瓶液面信号。原理如图1-3，利用药液的导电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，通常电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。图1-3金属电极检测储液瓶液面信方案二：采用光电传感器检测点储液瓶液面信号。原理如图1-4所示。发光二极管发射的平行光束穿过茂菲氏滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液体时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液体时，由于液滴对红外光的吸收特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小。在低液面（2cm-4cm）的情况下，进气所形成上升气泡在液面的聚集与运动，使平行光束的发散效应明显增强。发送接收前置电路整形--------------------------------------单片机脉冲信号产生共22页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1-4光电传感器检测点储液瓶液方案三：通过软件设置完全可以通过检测点滴速度来产生报警信号，因此可以去掉液面检测电路而完全由液体点滴速度检测电路代替。这样就不需要硬件的储液瓶液面检测电路，而由软件控制。1.1.3键盘方案方案一：采用矩阵式键盘,此类键盘利用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键盘较多时可降低占用行列扫描方式，单片机的I/O口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。方案二：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多，优点为电路设计简单，且编程极其容易。1.1.4显示方案方案一：采用液晶显示屏。液晶显示屏（LCM）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。方案二：采用三位LED七段数码管显示点滴数目。数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。1.1.5电动机系统方案方案一：采用单片机和A/D转换构成系统，控制普通电机的步数和旋转方向，可以考虑达林管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速，减小因惯性，速度，步距角过大而引起的调整误差，达到改变点滴高度的要求，缺点是控制信号为模拟信号，需要将单共22页第4页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊片机输出的序列脉冲转换，延长了控制的时间，并且步距角为9°，不能精确的控制点滴速度。[4]方案二：采用单电机控制系统，系统的执行机构是电机，用电机控制储液瓶的高度，点滴测速传感器测点滴水速，传给从单片机处理输出。单片机根据储液瓶内液面的高度H1，滴斗内液面的高度H2，利用经验公式或是实测关系计算出储液瓶应在的高度。用直流电机控制液瓶上升或下降的高度。这个方案避开了因为点滴速度不准确，测试点滴水速很长的时间开销的问题。所以控制起来的反应相对比较快。但存在电机是不是能测准控制长度，传感器能不能测准高度的问题。图1-5电动机驱动电路图方案三：采用电机加输出量直接反馈的控制系统。本方案的执行机构是电机，电机用来调节储液瓶的高度，同时改变滴斗的高度，从而达到改变水滴的目的。利用光电传感器测试水滴的速度，再将此反馈量给控制器比较，然后通过调整高度再比较反馈量。直到调到所要的水滴速度为止，此系统为是输出量直接反馈的闭环自动控制系统。在控制的稳定性上讲，可以较稳定的调节水滴速度，再则是由于输出量直接作为反馈量，有利于输出量的稳定。图1-6电动机驱动电路图显示单片机系统键盘电机储液瓶测量点滴速度高度H1，H2显示单片机系统键盘电机储液瓶控制测量点滴速度共22页第5页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1.1.6点滴速度控制方案方案一：通过改变滴斗到受液瓶的高度来调节点滴的速度。由步进电机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度,从而调节点滴速度。由于其高度的改变与点滴速度基本成线性关系,这易于对点滴速度进行控制。而液滴管的高度可通过电机实现精确的定量控制。但此方法对机械设备的要求高,不容易安装。设备可移动性小，而且对电机的功率也有一定的要求，要采用大功率的电机。方案二：采用单片机和可编程逻辑器件控制输液软管的松紧来控制点滴速度。改变塑料点滴管的形状以控制液体的流速。这样的方法虽然直观,但存在很多的缺点。首先由于对管壁施压改变其形状,其所施加的压力与流量改变