一种医用液体点滴速度监控系统的设计

华旭奋,赵 勇

(无锡职业技术学院机电技术学院,江苏 无锡 214121)

一种医用液体点滴速度监控系统的设计

华旭奋,赵 勇

(无锡职业技术学院机电技术学院,江苏 无锡 214121)

利用单片机控制程序结合现代传感器技术的电子自动化的产品,它结合了许多电子装置最基本的功能:利用单片机对传感器送来的数据进行处理,然后将处理后的数据送到执行机构执行,以达到自动控制的目的。系统不需要对储液瓶进行实时的人工监控,这在一定程度上减轻了人的工作量,释放了工作时间,提高了工作效率。

点滴速度;步进电机;光电传感器;单片机

20世纪90年代,电子技术的迅猛发展,特别是传感器和大规模集成电路的发展,推动了现代电子产品在社会各个领域的发展,并且对社会生产力的发展和社会信息化程度的起到了促进作用,同时也使现代电子产品性能进一步提高。生产生活的自动化程度越来越高,自动化控制的程度越来越高,功能越来越人性化,这些自动化的产品已经渗透到生产生活的每个方面。液体点滴速度监控装置在这个大背景下就应运而生。

1 方案设计

本设计将利用单片机控制程序结合现代传感器技术的电子自动化的产品,利用单片机对传感器送来的数据进行处理,然后将处理后的数据送到执行机构执行,以达到自动控制的目的。本系统不需要对储液瓶进行实时的人工监控,这在一定程度上减轻了人的工作量。释放了工作时间,提高了工作效率。

具体说,检测单元是光电传感器,主要完成点滴速度的检测,和警戒线的检测,为控制单元提供数据。控制单元是单片机,它主要对传感器送来的数据进行相应的处理,然后将处理后的数据送到执行机构,由执行机构对控制对象进行相应的调整,以达到目的。执行机构是以步进电机为核心的机械控制部分,它受单片机的控制,改变储液瓶的高度,从而改变液滴的滴速,而改变后的点滴速度又由检测单元检测,如此循环往复,最终达到相对的平衡状态。

在本系统中,检测单元主要是,光电传感器;控制单元以A T89S52为核心,加少量的辅助控制芯片的单片机系统;执行机构主要是可控性较高的混合式步进电机。本设计的系统框图如1所示:

图1 系统框图Fig.1 System diagram

2 硬件设计

2.1 点滴速度检测电路设计

采用槽型光耦器件。检测原理见图2。

图2 槽形光耦检测原理Fig.2 S lotted op to detection p rincip le

根据光学折射原理,光线在穿透密度不同的介质时,在交界面将产生反射与折射。将滴管放置在检测用槽形光耦的中间,在检测过程中,液滴呈近椭圆状向下作加速运动并通过槽型光耦,由于液滴的表面是曲面,所以上半部与下半部将光线两次折射,使接收端接收不到光而产生两次高电平,仅在液滴中部光线可以直射穿过,使接收端输出低电平,从而实现计数功能。

滴速检测是整个系统的核心,检测精度是衡量系统精确性的一个最重要指标。为了增加单位时间内的计数脉冲从而提高计数精度,采用了上下两个光耦共同工作的方式。这样每个液滴就得到了4个高电平脉冲。利用示波器观测波形如图3。但是单片机是对负跳变脉冲进行计数的,所以要对两路光耦信号进行“或非”处理,产生负跳变脉冲,供单片机计数使用。产生的脉冲数经过单片机处理后,得到相应的点滴速度。具体检测电路如图4。

图3 两路光耦器件输出的脉冲波形Fig.3 Tw o pu lse ou tpu t op tocoup ler dev ices

图4 点滴速度检测电路Fig.4 B it by b it rate detec tion c ircu it

2.2 储液瓶告警电路的设计

采用红外发射管和红外接收管。因为液体对红外光的传播有一定的散射作用,所以能够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。储液瓶告警信号一旦为低电平时,单片机立刻转到中断服务程序,进行声光报警。电路如图5所示。

图5 储液瓶告警电路Fig.5 Reserve liquid bo ttle alarm circuit

2.3 键盘电路的设计

采用直接读取的独立式按键。该方案电路设计简单,且编程极其容易,但是需要不断地对I/O进行扫描,加长了程序的执行周期。但是在有键盘输入时,立即转入中断的服务程序,键盘响应效果好,效率高,节省CPU资源。

在本设计中,由于主机要能够设定和查询从机的状态,而从机不需要查询本机或是其他从机的状态,所以无需设置查询键,故从机只设置11按键。即在主机键盘的基础上去除一个按键,在本文中只给出主机键盘的电路图,主机键盘电路如图6。为了节约成本,在本设计中,采用低廉的二极管充当“与”门,电阻R和电容C是防止出现键盘误触发而进入中断服务程序,提高键盘抗干扰的性能。

2.4 显示电路的设计

由于本系统最多只需显示三位点滴数和两位从机号,信息量比较少,由于数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化,对外界环境要求较低等特点,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。故采用5位LED七段数码管显示点滴数目和从机号。显示电路如图7。

图6 主机键盘电路示意图Fig.6 H ost keyboard circu it d iag ram

在本设计中采用动态扫描的形式来显示机号和点滴数。在数码管驱动方面,采用廉价的三极管作为驱动器,节约了设计成本。

图7 显示电路Fig.7 D isp lay circuit

2.5 执行机构的设计

综合考虑设计要求,一方面调节步长要尽可能的小,定位要好;另一方面如果停止信号到来,滑轮能够快速停止,通过对比,利用步进电机可以自如控制吊瓶的上、下缓移,完全满足题目的要求,因此选用步进电机。用单片机控制步进电机,具有快速启停能力,延时短,定位准确,精度高,可操作性强,并且力矩足够大,确保吊瓶不下滑。

为了降低控制系统对步进电机的误动作的概率,本设计中是采用专用步进电机控制芯片QA 748036控制步进电机,该芯片采用三相六拍的方式控制步进电机的。

因为QA 748036驱动电流太小,所以必须要对电流进行放大,才能够有效的驱动步进电机工作,因此在QA 748036的A,B,C三相输出的后级加了一块达林顿电流驱动器——M C 1411P。

执行机构是实现系统功能的最终装置,可靠性一定要高,即在给脉冲方面,尽量避免误触发的现象发生,所以在本设计中利用专用的控制芯片提高了执行机构的可靠性。

2.6 通信方案的设计

本系统采用的是RS-485通信协议。由于本设计只有16台从机,在一个字节中只要用到低四位,所以主机的数据发送方式比较灵活。在现有的单片机串口通信条件下,主机在向从机发送的第一个字节,包含了设置/查询信息,即当第一个字节的最高位的为1的时候,表示主机向从机发送的是查询命令;当第一个字节的最高位为0的时候,表示主机向从机发送的是设置命令。即主机可以跟据这个标志,灵活的决定是向从机发送一个字节还是发送两个字节。在从机接收方面,从机可以根据这个设置/查询标志来决定是否接收第二个字节;在从机发送方面,可以根据这个标志决定发不发送数据。如果接收的是查询命令,则发送本机数据;如果接收的是设置命令则把主机点滴数的提取出来进行存储,并把主机设定的点滴数与当前从机的点滴数对比,之后进行调整。

处理器采用A T89S52,是因为A T89S52才有足够的资源供从机使用。

3 软件设计

本系统采用C语言编程。C语言有一个突出的优点就是适合于多种操作系统,同样也适用于嵌入式系统编程。

4 软件调试

本系统主要是用Keil uV ision3程序,来调试和编译的。KEILC 51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C 51 V 8版本是目前最高效、灵活的8051开发平台。

5 硬件调试

1)正确安装硬件。2)检查硬件的电器连接是否可靠。3)测试系统性能,将测得参数与设计参数比较,若两者不符,怎修改软件,重复软硬件调试的所有步骤,直到两者相符为止。

6 结 论

液体点滴速度监控系统为一个主从式测控系统,以A T89S52单片机为控制核心。该液体点滴速度监控装置的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活;且安装方便、智能性高、误报率低,同时从机的信号经过单片机系统处理后,可以经过RS-485通信网络和主机通信,由通讯网络把主站和多个从站连成一个系统,便于户统一管理和远程控制。经实际测试,该系统具有低功耗、准确性高、性能稳定等特点,最大限度释放了医护人员的工作量,提高了生活质量和工作的效率。

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A M ed ica lL iquid D ropp ing Ra te Con tro l System Design

HUA Xu-fen,ZHAO Yong
(M echan ical and E lec trical Institu te,W ux i Institu te of Techno logy,W ux i 214121,China)

The design uses the Sing le-chip M ic rocom pu ter con tro lp rog ram com bined w ithm odern senso r techno logy,elec tronic au tom ation p roduc ts,com bining the basic func tions ofm any electronic dev ices:using them ic rocom pu ter dealing w ith the senso r data,and then send ing the data to the execu ting agencies in o rder to achieve au tom atic con tro lpu rposes.The system does no t require liquid sto rage bo ttle of artificial real-tim em onito ring,w hich to som e ex ten t,reduces the hum an w o rk load,releasesw o rk ing hou rs, im p rovesw o rk ing efficiency.

d ropp ing rate;stepperm o to r;pho toe lec tric senso r;sing le-ch ip m icrocom pu ter

TP 273+.5

A

1671-7880(2010)01-0038-04

2009-10-05

华旭奋(1982— ),女,江苏常州人,助教。