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1、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。待测和控制 量传感器信号处理人机对话界面 电机驱动速度控制 图1此方案的传感器采用简单
2、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H2的高度。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420MA标准电流值，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420MA标准电流值，将此两个信息同时进入数字PID调节器。通过偏差计算再输出一组420MA标准电流值，通过变频调速器控制电动
3、机调节H2的高度，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10MS为时基单位）。然后计算给定滴斗滴数（通过键盘）的时间间隔（以10MS为时基单位）。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
4、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。显示与键盘控制滴斗AT89C51基本系统红外传感器及信号处理输液管步进电机驱动 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。
5、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、 AT89C51单片机基本系统 控制与数值信号处理的核心采用AT89C51单片机，采用串口工作方式。电路如图3。图32、 显示与键盘 如图4利用74LS164进行串行动态9位数码管显示，74LS164的主要功能是8bits的串入并出数据处理。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
6、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3cm时由单片机采集到报警信号，由报警芯片发出声光报警。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 61号从站主控站模拟从 站 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
7、，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nn-1中断前： (n+1)(n-1)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20Hz150Hz的脉冲而言，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
8、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隔时就
9、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PID算法，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
10、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
11、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
12、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：操作码操作数 2、程序流程图图8传感测量： 时钟： 图9 图10键盘： 步进电机控制： 图11 图123、源程序：时间基准缓冲区：秒55h 0.01秒56h 键盘设置缓冲区：秒57h 0.01秒58h传感测量缓冲区：前次秒51h 0.01秒52h 当前秒53h 0.01秒54h 差
13、值秒4fh 0.01秒50h最终显示缓冲区：选择值：54h测定值5ah 5bh 5ch 设置值 5dh 5eh 5fhR4用于步进电机的步进记忆org 0000hajmp mainorg 0003hajmp jpint ;int0org 000bhajmp times ;t0org 0013hajmp cgint ;int1org 0040hmain:mov sp,#60h ;设置堆栈 mov 41h,#00h mov 42h,#00h mov 43h,#00h mov 44h,#00h mov 45h,#00h mov 46h,#00h mov 47h,#00h mov 48h,#00h mov 4fh,#00h mov 50h,#00h mov 51h,#00h mov 52h,#00h mov 53h,#00h mov 54h,#00h ;初值设置 mov 55h,#00h mov 56h,#00h ;以上为时间初值 mov 54h,#00h mov 57h,#00h ;初值显示为00 mov 58h,#00h mov 59h,#00
