液体点滴速度监测与控制系统设计.doc

摘要
目前医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定的高度上，利用势能差将液体输入到病人的体内（图1），通过软管口径的压紧和放松来控制点滴速度。有经验的医护人员可以根据药剂的特性对点滴速进行控制，但是一般的病人却无法做到，控制不好还有一定的危险性。在一些大医院一个护士常常需要负责十几个、甚至几十个床位的液体点滴,很容易出现混乱局面,导致工作效率降低。为了提高医院本身的管理水平和工作效率,减轻医护人员的劳动强度，对于可以进行自助式护理的病人来说，需要一种可以由病人自己操作，自动定时、定量向病人进行输液的装置；而对于医护人员来说，需要一种可以对所有的病人进行统一监控的智能监控装置。本设计就是针对以上问题而做的智能型液体点滴速度监控装置。设计要求为能有以下几种功能：

（1） 检测输液点滴速度
（2） 检测输液点滴高度
（3） 控制点滴速度
（4） 显示点滴速度
（5） 能设置点滴速度

【关键词】：势能差、软管口径、劳动强度、智能监控装置。

目录
第一章 系统方案选择与论证 1
1.1 题目要求 1
1.1.1 基本要求 1
1.1.2 发挥部分 1
1.1.3 说明 2
1.2 系统基本方案 2
1.2.1 系统各个模块的选择与论证 3
12.2 系统最终方案确定 4
第二章 系统的硬件设计与实现 5
2.1系统硬件的基本组成部分 5
2.2主要单元电路设计 5
2.2.1.点滴速度测量电路设计 5
2.2. 2 储液检测电路 6
2.2.3 点滴速度控制电路设计 7
2.2. 4 键盘显示电路 9
第三章系统的软件设计 10
3.1检测点滴速度子程序 11
3.2储液检测子程序 11
3.3点滴速度控制子程序 12
3.4键盘显示子程序 12
3.5系统的主程序设计 14
附录 程序清单 16
致谢 26

第一章 系统方案选择与论证
1.1 题目要求
设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置。
1.1.1 基本要求
（1）在漏斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。
（2）通过改变H2控制点滴速度，也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其他方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20～150（滴/分），控制误差范围为设定值±10%±1滴。
（3）调整时间≤3min（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。
（4）当H1降到警戒值（2～3cm）时，能发出报警信号。
1.1.2 发挥部分
设计并制作一个有主站控制16个从站的有线监控系统。16个从站中，只有一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其他从站为模拟从站（仅要求制作一个模拟从站）。
（1） 主站功能：
a． 具有定点和巡回检测两种方式。
b． 可以显示从站传过来的从站号和点滴速度。
c． 在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各个从站的点滴速度。
d． 能收到从站发出来的报警信号后，能声光报警并能显示相应的从站号；可以手动方式解除报警状态。
（2） 从站功能：
a． 能够输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可以任意设定。
b． 接收主站设定的点滴速度信息并显示。
c． 对异常情况进行报警。
（3） 主站和从站家的通信方式不限，通信协议自定，但应该尽量减少信号传输线的数量。
（4） 其他。
1.1.3 说明
（1）控制电机类型不限，其安装位置与安装方式自定。
（2）储液瓶用医用250ml注射页玻璃瓶（瓶中为无色透明液体）。
（3）受液瓶用1.25L的饮料瓶。
（4）点滴器采用针柄颜色为深蓝色的医用一次性输液器（滴管滴出20点水相当 与1ml±0.1ml）.
（5）赛区测试时，仅提供医用移动式点滴支架，其高度约为1.8m,也可以自带支架；测试所需其他设备自备。
（6）滴速夹在测试开始后不允许调节。
（7）发挥部分第（2）项从站功能中，c中的异常情况自行确定。
1.2 系统基本方案
根据题目要求系统可以分为以下几个模块：点滴速度测量模块，储液液面检测模块，键盘显示模块，电机系统控制（点滴速度控制）模块。系统的基本框图如图1.2.1所示。

图1.2.1系统基本框图
1.2.1 系统各个模块的选择与论证
（1） 点滴速度测量
方案一 ：采用电感式传感器测量点滴速度。在输液器的漏斗外围绕线圈作为敏感元件。当液滴滴下是电感量发生变化，通过LC振荡电路后输出变化的频率值，经过F/V变换电路及电压比较后输出TTL电平信号来检测点滴速度。此方案测量精度比较高，但是外围电路比较复杂。
方案二：采用红外对管发射接收。采用断续式的工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。为了提高抗干扰能力，可以采用两对红外传感器一发一收，而不是只用一只传感器以反射式状态工作。红外传感器有以下优点：尺寸小，质量轻，安装在滴斗上较简单；对辅助电路要求少，在近距可以用直流发射，电路简单，性能稳定。此方案简单，较容易实现。
（2） 储液检测电路
题目要求是在储液瓶中的液位低于2～3cm时发出报警信号。在此是关键如何检测到液位的高度，报警较易实现。检测液位有多种方法。
方案一：同点滴速度测量模块，仍然采用红外对管发射接收。根据该接收管收到的光强的大小来判断液位是否达到警戒水位。
方案二：采用称重传感器检测。利用称重传感器检测总质量，并与实际测量中当液体液面达到设定位置时的总质量相比较，根据液体体积与质量的关系，当测量总质量与设定值相等时发出报警。
方案三：用测定电容的方法来检测。在瓶壁上用两块薄金属箔包裹构造出一个电容。根据电容中的介质不同，可以确定是否达到警戒水位。此数据可以由实验中得出。
（3） 电机控制系统（点滴速度控制）模块
利用电机来控制调节点滴的速度有两种方案：
方案一：通过改变滴斗到受液瓶的高度H2来调节点滴的速度。由电动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H2，从而调节点滴速度。此种调节方法简单，容易实现。
方案二：通过控制滴速夹的松紧来控制点滴的速度。不过滴速夹用于大范围的调节滴速，难以控制，适用于粗调。
（4） 键盘显示单元
根据题目条件滴速的大小要由人工设定的。滴速的设定值与调整值都可以在键盘上显示。对于其显示有以下的两种方案：
方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）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。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且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。按键采用单列三按键。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。
1.2.2 系统最终方案确定
根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块方案确定如下：
（1）点滴速度测量采用红外对管发射接收方式。
（2）储液检测电路仍然采纳红外对管发射接收装置。
（3）点滴速度控制是利用电动机正反转来调节储液瓶的高度来实现的。
（4）键盘显示用的是单列三按键数码来显示的。

第二章 系统的硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成部分
本题目中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可以分为传感器检测部分和控制部分。
传感器检测部分：系统利用红外对管发射接收即光点传感器将检测到的信号转化为控制器可以辨别的电信号。传感器检测电路包括2个单元电路：点滴速度测量电路、储液检测电路。
智能控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度及数码管的显示，完成了点滴装置的自动检测、自动调速、数码显示及报警功能等各项任务。开控制部分主要包括3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、数码管的动态显示电路。
2.2主要单元电路设计
2.2.1.点滴速度测量电路设计
采用红外对管发射接收测量点滴速度，其电路原理图如图2.1.1.所示。

图2.2.1.1点滴速度测量电路
由电路图可以看到，接收管与发射管正相对，无液滴滴下时，接收管收到信号，输出低电平；有液滴滴下时，下落的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的发散作用，导致接收光强的较大改变，接收管不能收到较强的信号，产生一个较长的脉动，但是波形不是太好，需要经过一级施密特触发器整形，输出一个正向的脉冲信号送给单片机中断口，据此就可以正确的测出液滴的滴数，即点滴的速度（滴/分）。
2.2. 2 储液检测电路
储液检测电路图仍然是和点滴速度测量电路一样，只是所接单片机的接口不同。其电路图如2.1.2.图所示。
该电路图的原理和点滴雕塑度检测电路的原理是一样的。由于红外光在水中和空气中的吸收系数不同，从而通过空气和水后的光强也是不同的。
其报警信号也是由储液信号来决定的。当储液的液面的高度为2～3cm后，会由红外对管发射接收产生检测信号，即为报警信号。

图2.2 2.储液检测电路

2.2.3 点滴速度控制电路设计
系统将点滴速度采集信号和储液信号进行处理后，在相应的单片机的I/O控制口输出对应的控制信号来驱动电动机的正反转，从而进行精确的控制。
图2.2.3.所示的电路为电动机的速度采集电路。在电动机上安装一个连杆，连杆的另一头接S1开关，每当电动机旋转一周，四S1开关闭合一次，则通过单片机的P3.2口就可以送入一个计数信号。在单位时间内观察计数值即可的到电动机的转速。

图2. 2.3电机的转速采集电路

点滴的控制其实是靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号驱动电动机，控制电动机的正转或反转，进而带动储液瓶的上升或下降来调节滴斗的高度即控制点滴的速度。
电动机驱动电路就如图2.2. 4示。
图2.2. 4路采用的是H型的开关驱动电路。整个的电路可以分为两级：第一级接单片机的I/O口，用射级跟随电路加大电流的驱动能力；第三级才是驱动电路。当P3.0为高电平时，Q5导通，Q3，Q7导通，电动机两端的电压为+5V，电动机正转；当P3.1为高电平时，Q6导通，Q4，Q8导通，电动机两端的电压为-5V，电动机反转。

图2.2.4电动机驱动电路
本电路采用的是H型的开关驱动电路。整个的电路可以分为两级：第一级接单片机的I/O口，用射级跟随电路加大电流的驱动能力；第三级才是驱动电路。当P3.0为高电平时，Q5导通，Q3，Q7导通，电动机两端的电压为+5V，电动机正转；当P3.1为高电平时，Q6导通，Q4，Q8导通，电动机两端的电压为-5V，电动机反转。
点滴控制靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号控制电机上升或下降调节滴斗的高度。
2.2. 4 键盘显示电路
由于本系统中采用动态显示方式驱动3个七段数码管，来显示点滴的速度。数码管采用共阴极，由于AT89C52单片机每个I/O的拉电流只有1—2mA。所以在位码和段码都加上了反向驱动器。
键盘采用按键开关经上拉电阻分别接P1.0、P1.1、P1.2口上，起到确定、上调和下调作用。每按上调和下调键，设定速度值增1减1。单片机XTAL2、XTAL1接12MHZ晶振，提供系统时钟基值。另RESET接上电复位按键。原理图如图2.2.5示。

图2.2.5键盘显示电路
第三章系统的软件设计
系统的软件设计采用汇编语言，对单片机进行编程来实现各项功能。
主程序对模块进行初始化，接收从传感器传来的信号，并对此信号进行处理，输出调整信号控制电动机的转动，扫描键盘进行动态显示。用的是循环查询方式，来显示和控制点滴的速度。
3.1检测点滴速度子程序
检测点滴速度子程序主要是用与系统信号的采集。经过光电传感器采集，后由施密特触发器整形，输出到单片机的端口送入单片机内部。检测点滴速度子程序如图3.1.1所示。

图3.1.1检测点滴速度子程序
3.2储液检测子程序
本程序主要是用于测量储液瓶内部的液位高度的，当液位低于2～3cm时，发出报警信号。如果液位的高度不在此区间内，则点滴的速度照常采集，并送入单片机内部。其储液子程序流程图如图3.2.1所示。

图3.2.1储液子程序流程图
3.3点滴速度控制子程序
根据题目的设计要求，首先读出6秒内的点滴的数目（将一分种平均划分成十分），进而得到当前的点滴的速度。根据其设定的速度值与当前的点滴的速度的误差来确定电动机的正转与反转，即控制储液瓶的位置的高低，进一步影响下一个6秒内的点滴的速度，如此的循环往复。其点滴速度的电动机控制程序流程图如3.3.1所示。

图3.3.1点滴速度的电动机控制程序流程图
3.4键盘显示子程序
键盘及显示字程序主要是用于判断速度有没有调整的动向和点滴速度的显示（包括当前值和设定值）。其程序流程图如3.4.1所示。

图3.4.1系统键盘显示子程序

3.5系统的主程序设计

图3.5.1系统主程序流程图

参考文献：
[1] 单片机应用开发实用子程序. 边春元等 编著. 人民邮电出版社. 2005
[2] 全国大学生电子设计大赛培训系列教程. 高吉祥 主编.电子工业出版社.2007
[3] 单片微型计算机原理及应用. 张毅坤等 编著. 西安电子科技大学出版社.1998
[4] 微型计算机接口技术 . 王兆月等 编著. 机械工业出版社 .2006
[5] 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编2003 北京理工大学出版社2005
[6] 严天峰《89C51单片机I/O口模拟串行通信的实现方法》《电子世界》2001.2 P34
[7] 王关健 《单片机智能温控电路》《电子世界》2001.11 P28
[8] 吴义彬《继电器用户实用手册》第一版 国防工业出版社 杨其芳 1992.6出版 第二章《选用导则》P38～P40[5] 吴义彬《继电器用户实用手册》第一版 国防工业出版社 杨其芳 1992.6出版 第七章《基本应用电路原理》P94～P95
[9] 杨荫彪《特种半导体器件及其应用》第一版 电子工业出版社 王昌喜1991出版 第十二章《半导体光敏器件》P143～P153
[10] 杨荫彪《特种半导体器件及其应用》第一版 电子工业出版社王昌喜1991出版 第十章《半导体发光器件》P97 ～P99
[11] 谈文心《运放及模拟集成电路》第一版 国防工业出版社 刘本鸿 1986出版 第二章《集成运算放大器的应用》P58～P61

附录
附录1 主要元器件清单
元 件 数量
AT89S51 1个
555 3个
红外对射光电二极管 3个
7404 2片
D1207 2个
A928A 2个
按键 4个
排阻1×1K 1个
晶振电路 1K
数码管 3个

附录 程序清单
系统的设计的如件程序清单如下：
SDDD DATA 30H
MC1 DATA 31H
MC2 DATA 32H
MC3 DATA 33H
MC4 DATA 34H
MC5 DATA 35H
MC6 DATA 36H
MC7 DATA 37H
MC8 DATA 38H
MC9 DATA 39H
MC10 DATA 3AH
CJDD DATA 40H
XS1 DATA 41H
XS2 DATA 42H
XS3 DATA 43H
K_ENTER BIT P1.0
K_JIA BIT P1.1
K_JIAN BIT P1.2

ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0013H
LCALL INT1
ORG 001BH
LCALL T1

ORG 0100H
MAIN:
MOV SP,#60H ;给堆栈指针赋初值
MOV TMOD,#14H ;定时器1在模式1下工作、计数器0工作在模式0
MOV TL1,#0B0H ;定时器每50ms产生一次溢出
MOV TH1,#3CH
SETB ET1 使能定时器1中断
SETB IT1;边沿触发
SETB EX1;开外部中断1
SETB EA ;使能总中断
SETB TR1 ;开始计时
MOV TL0,#00H
MOV TH0,#00H
SETB TR0 ;开始计数
MOV R5,#0AH
MOV R6,#0FFH
MOV R7,#78H
MOV R0,# MC1
CLR P1.7

MOV SDDD,#64H
MOV CJDD,#78H
MOV MC1,#78H
MOV MC2,#00H
MOV MC3,#00H
MOV MC4,#00H
MOV MC5,#00H
MOV MC6,#00H
MOV MC7,#00H
MOV MC8,#00H
MOV MC9,#00H
MOV MC10,#00H

LOOP:
MOV A,MC1
ADD A,MC2
ADD A,MC3
ADD A,MC4
ADD A,MC5
ADD A,MC6
ADD A,MC7
ADD A,MC8
ADD A,MC9
ADD A,MC10
MOV CJDD,A
LCALL JPCL
MOV R2,CJDD
LCALL SJCL ;数据处理程序
LCALL DISPLAY ;调用数码管显示子程序
LCALL DIANJI
AJMP LOOP

T1:
PUSH PSW
PUSH ACC
DJNZ R7,TC1
MOV R7,#78H
MOV @R0,TL0
INC R0
MOV TL0,#00H
MOV TH0,#00H
CJNE R0,#3BH,TC1
MOV R0,# MC1
TC1:
MOV TL1,#0B0H
MOV TH1,#3CH
POP ACC
POP PSW
RETI

INT1:
PUSH PSW
PUSH ACC
SETB P1.7
POP ACC
POP PSW
RETI

JPCL:
JB K_ENTER,QUIT
LCALL K_DELAY
JB K_ENTER,QUIT
LOOP2:
MOV R2,SDDD
LCALL SJCL
LCALL DISPLAY
JB K_JIA,QUIT1
LCALL K_DELAY
JB K_JIA,QUIT1
LCALL JIA
QUIT1:
JB K_JIAN,QUIT0
LCALL K_DELAY
JB K_JIAN,QUIT0
LCALL JIAN
QUIT0:
DJNZ R5,LOOP2
MOV R5,#0AH
DJNZ R6,LOOP2
QUIT:
MOV R5,#0AH
MOV R6,#0FFH
RET

JIA:
MOV A,SDDD
INC A
MOV SDDD,A
CJNE A,#96H,TC2
MOV SDDD,#14H
TC2:
MOV R5,#00AH
MOV R6,#0FFH
RET
JIAN:
MOV A,SDDD
DEC A
MOV SDDD,A
CJNE A,#14H,TC3
MOV SDDD,#96H
TC3:
MOV R5,#0AH
MOV R6,#0FFH
RET

K_DELAY:
SETB PSW.4
SETB PSW.3
MOV R5,#0C8H
JOOP1: MOV R4,#0FFH
JOOP2: DJNZ R4,JOOP2
DJNZ R5,JOOP1
CLR PSW.4
CLR PSW.3
RET
SJCL:
MOV A,R2
MOV B,#64H
DIV AB
MOV XS1,A
MOV A,#0AH
XCH A,B
DIV AB
MOV XS2,A
MOV XS3,B
RET

DIANJI:
CLR C
MOV A,CJDD
CJNE A,SDDD,LOOP3
CLR P1.6
CLR P1.5
AJMP TC4
LOOP3:
JC LOOP4
SUBB A,SDDD
CJNE A,#05H,LOOP5
AJMP TC4
LOOP5:
JC TC4
CLR P1.6
SETB P1.5
AJMP TC4
LOOP4:
MOV A,SDDD
SUBB A,CJDD
CJNE A,#05H,LOOP6
AJMP TC4
LOOP6:
JC TC4
SETB P1.6
CLR P1.5
TC4:
RET

DISPLAY:
MOV DPTR,DISTAB
MOV R3,#01H
MOV R1,# XS1
DPLOP:
MOV A,@R1
MOVC A,@A+DPTR
MOV P2,R3
MOV P0,A
MOV A,R3
RL A
MOV R3,A
INC R1
LCALL DS1M
CJNE R3,#08H,DPLOP
MOV P0,#000H ;一次显示结束，P0口复位
MOV P2,#000H ;P2口复位
RET

DS1M:
SETB PSW.4
SETB PSW.3
MOV R7,#05H
JOOP0:
MOV R6,#64H

JOOP:
DJNZ R6,JOOP
DJNZ R7,JOOP0
CLR PSW.4
CLR PSW.3
RET

;数码管TAB
DISTAB:
DB 03FH ;0
DB 006H ;1
DB 05BH ;2
DB 04FH ;3
DB 066H ;4
DB 06DH ;5
DB 07DH ;6
DB 007H ;7
DB 07FH ;8
DB 06FH ;9
DB 000H ;NONE
END

致谢
经过三天的努力，终于把课程设计基本上完成。这是自己第一次动手，从设计电路到到编程，最后进行模拟调试，进一步完善设计。在这期间，遇到了不少困难，但是通过老师和同学们的帮助在，都得以解决，在此谨致以衷心的感谢。虽然我们花去了很多功夫，下了很大的功夫，但设计的结果也不能达到预想的效果，因为实际参数无法与设计精确匹配。本次设计综合运用了各类传感器。同时查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。在方案设计方面，讨论筛选出最优的设计方案，比如在设计显示电路时我们放弃LCD液晶来显示,而直接运用了数码管显示电路。通过这次的设计与制作，让我了解设计电路的程序与设计理念。通过这次学习，让我们对各种电路都有了大概的了解，对于我们以后的学习有很大的帮助。