第 1 页 共 18 页液体点滴速度监控装置摘要 该装置实时地监测液体点滴速度，通过单片机对信息的分析和处理，由主机发出相应的指令，调整系统的工作平稳，构成了一个高性能的闭环控制系统。实现了对点滴输液速度的直观监测，同时对一些异常情况的出现可实施报警。利用该装置还能通过主控平台对各个分立系统信息实施自动化、智能化的集中处理。能方便、简易的操作和使用，对医疗具有很强的实用性。关键词 实时监控 红外传感 闭环控制 步进电机一、 方案设计与论证根据题目要求和原输液装置的特点，提出以下三种方案：1、方案一直接在滴斗处用两电极棒的方法。图 1此方案的传感器采用简单的液体导电原理，在滴斗处安装两个电极。当水滴落下时，电极导通，从而使待测量的变化转化为高低电平电信号。采用伺服电机改变系统装置中液瓶与受液瓶的高度，达到改变点滴速度，从而进行控制。2、方案二把通过电机改变系统装置高度的方法，改为控制步进电机对输液管进行压缩或缓松，从而实现对点滴速度的改变。采用交流电动机控制 高度。即采用红外传感器测量滴斗滴液，送至单片机接口计数，通过数字模拟转换，将其转换为 420准电流值，同时通过键盘输入给定每分钟的滴数，再将此滴数将其转换为 420准电流值，将此两个信息同时进入数字 节器。通过偏差计算再输出一组 420准电流值，通过变频调速器控制电动机调节 高度，来控制滴斗滴数。此方案的优点是，完全按目前电气工程标准化运作，可以在很短时间完成。2、 方案三根据点滴装置的特点，通过对装置的某一位置进行监测和控制，达到对整个系统液传感器 信号处理 人机对话界面速度控制电机驱动待测和控制 量第 2 页 共 18 页体点滴速度的监控。 （如图 1） 。通过控制输液软管夹头的松紧来控制点滴速度，采用红外传感器测量滴斗滴数，送至单片机接口计数并显示，首先标定两个脉冲（两滴间）间的时间间隔（以 10时基单位） 。然后计算给定滴斗滴数（通过键盘）的时间间隔（以 10时基单位） 。将此两个时间间隔进行比较，以决定步进电机运行的方向。该步进电机通过丝杠控制输液软管夹头的松紧，来控制滴斗滴数4、方案比较方案一的特点是：实现比较简单容易，原理上也是可行的，但由于本装置用于医疗，电弧的产生，可能对不同的药物有影响，同时传感器（电极）不能重复使用，以防止传染。方案二通过改用红外传感器，弥补了方案一的不足。但是还存在问题，利用改变高度的方法虽然容易实现，但可控性不好。由此，我们采用了第三种方案，通过挤压输液管的办法来实现对点滴速度的控制。二、系统原理框图 如图 2 所示。图 2本系统最主要的是充分利用单片机编程的灵活性和其强大的功能，使一些小的系统实现自动化和智能化成为了现实。其中的器件都比较简单，尽大可能的利用各集成芯片的功能，如系统的键盘和显示原理电路。通过红外传感器对水滴滴落的动态信息的感应 ，单片机对数据的采集分析和处理，同时使用小功率的步进电机进行机械调整，使装置能机智、即时的响应操作者的使用。三、主要电路原理与设计1、片机基本系统 控制与数值信号处理的核心采用 片机，采用串口工作方式。电路如图 3。滴斗 红外传感器及信号处理 页 共 18 页图 32、显示与键盘 如图 4利用 74行串行动态 9 位数码管显示，74主要功能是 8串入并出数据处理。电路结构简单，功能强大。采用中断和查询的方法，设计的 4 键键盘的形式，利用单片机的灵活编程，扩展其键入功能。图 43、红外传感和信号处理 采用红外线的发射和接收装置，它可用来检测包括液体在内的各种透明体、半透明体、不透明体，从而可以灵敏地反应水滴滴下。利用光电耦合器对电信号进行处理，减少干扰。4、 步进电机驱动和控制 如图 5图 55、声光报警 当检测到液面低于 3由单片机采集到报警信号，由报警芯片发出3 4111095k 2242325502650275067151k bf cg a bf cg a bf cg a bf cg a bf cg a bf cg a bf cg a bf cg bf cg 2 1 43 605 127 132 1 43 605 127 13vc vc vc vc vc 12456&A 10k 10k 10k 10C 00000000?1K C?2uF 12345678P 31218 113 151 134 167 98765421345678 3010U?80 页 共 18 页声光报警。5、主控制平台 可以组建一个小型的网络系统，由主机控制和监视各个从机的工作状态和各个装置的信息。 如图 6图 6四、系统软件工作流程 如图 7 到 图 121、软件设计：软件部分参考流程图，这里主要讲述一下软件编写过程中的几个细节部分。如前所述，我们计算滴水速度的原理是通过求出 2 个水滴之间的时间差，通过分析，我们通过定时器建立一个基准时钟，该基准时钟有 2 个字节单元，分别秒单位和 10 毫秒单位的数值。在每次传感器送来中断的时候调用“传感测量”子程序，在该子程序中，我们在取当前触发时间时，先把上一个脉冲发生的时间保存在“历史寄存器”中，然后再更新“当前寄存器”的值，即取当前脉冲的发生时间。这样我们就记录下了 2 个时间（连续）值。历史寄存器 当前寄存器 基准时钟中断前：中断时：注：箭头方向为中断时的赋值方向 图 7由于基准时钟是以 10 毫秒为最小单位的，而对于频率范围在 2050脉冲而言，因为我们在后边的求滴速中要用到 10 毫秒单位值，而水滴的下落并不能保证绝对的规则，经测试发现，每一次求差后的值总有几个单位毫秒的变动，这个变动就导致了最终运算出来的滴速值的大幅度变化，后来惊观察发现这种误差可以归为周期性误差，所以为了消除这个误差，我们不是简单地只取一个差值，相反，我们是取了 10 个差值，然后再求平均值，这样处理的最大一个好处是可以使周期性误差的正、负偏差互相抵消，在很大程度上消除上述误差。前面的处理虽然可以提供一个比较接近真值，对于最终显示出来的影响不大，但当要用这个值去控制滴速夹时，很明显这样处理的结果降低了控制的响应度；而另一方面，对于滴速夹的控制，因为我们采用的是步进电机，而且我们对步进电机的转轴又进行了改造，加了一个螺纹栓，可以保持滴速夹控制端的位置，所以我们在每采集一个脉冲间n( (n+1)主控站1 号从站模拟从 站第 5 页 共 18 页隔时就进行滴速的更改控制，这样可以提高控制设备的响应速度。所以在本系统中对于建立一个科学合理的系统模型是很有必要的。在对滴速进行控制时，我们借鉴了 法，建立了一个闭环控制状态，利用类似于锁相环的模型：即把设定的滴速和当前的滴速进行比较，输出一个差值，利用这个差值的极性来决定电机的正反转，并拉小这个差值直至最小。因为每检测到一个传感信号，我们就把设定值和当前值进行比较，这样不仅提高了设备的响应速度，而且由于我们这个系统的基准时钟是以 10 毫秒为单位了，因为我们能分辨到 10 毫秒的数量级，可以使当前值非常接近我们所设定的设定值。这一点可以参照电机控制的流程图。 （图 12）1、运算过程：因为我们系统的基准时钟是以 10 毫秒为单位了，虽然加大了系统的精度，但是却给系统的数值运算带来了麻烦，直接用四则运算（特别是乘除的运算）很容易带来无法避免的运算误差，即在运算是因为运算位数的限制而带来的数据尾数的丢失。前面说过这种误差将对我们对信号的处理和显示产生很大了影响，甚至会得到一个误差很大的最终输出，为避免这种情况，我们在保证精度的基础上采用了查表法，并且在建立表格时对数据进行一定的折中处理，使得最终得到了结果的误差能尽量小，实践证明我们这种方法还是有一定的实用性的。而且查表法的结果便于以后系统误差的自我校正，因为它保存了一个恒值。2、对数据表格的处理：前面说过我们这个系统的基准时钟有两个字节单元，而即使采用题目要求的滴速（20150 分/滴）也将需要 260 个字节，这已经超过了 8 位单片机的查表范围，所以怎样建立一个合理的查表算法是很有必要的。通过对数据的观察，我们发现虽然每个时间量有两个字节，但是在秒字节的单元里，总共只能出现 4 种取值，即 1、2 和 3 以及 0 ，所以我们可以以这 4 个值为标量对表格的数据进行划分，由于有了秒字节单元来做区分，我们只要在表格中写入 10 毫秒字节单元的值就行了，通过综合处理，在保证精度的基础上，我们所建立的表格的字节数为 100 多个，这样不仅满足了 8 位单片机的查表范围，而且大大了节省了内存，有利于系统资源的优化分配。 3、通信的建立：在选择方案时，考虑到通信线的多少，我们采用了串行通信，直接利用单片机本身的串行通信口，在软件上我们考虑用串行通信的方式 0 来进行通信。通信协议如下：先发送握手信号，然后发送被呼叫的从机号，每个从机在接收到地址时跟自身的地址进行比较，如果不是被呼叫机，则关闭通信链路；如果是则发送响应信号。当确定了通信的链路后，就按照预定的数据包格式进行通信。数据包格式如下：2、程序流程图操作码 操作数第 6 页 共 18 页图 8第 7 页 共 18 页传感测量： 时钟：图 9 图 10第 8 页