液体点滴速度控制教学实验装置的设计

[摘要]单片机的教学实验在信息电子专业的教学中占有十分重要的地位，为了使同学们掌握单片机的开发系统的基本知识，本文设计了一个液体点滴速度自动控制的实验装置，该装置能够由人工设定点滴速度，并能根据监测到的点滴速度通过控制算法达到设定速度，而且调整时间较快。该装置不仅可以很好地应用到教学实验中，并且还可以推广到实际应用中。

[关键词]点滴速度 自动控制装置 教学装置

一、前言

在传统医疗过程中，给病人输液一直采用人工观测和人工调节点滴的速度，点滴的监控受到医务人员责任心和熟练程度的限制，给病人和医疗过程带来一定的安全隐患。同时，现阶段实践性教学环节有它的薄弱之处，大都处于滞后、分散、针对性不强、系统性不够、综合性不强等低层次循环状态，师生重视程度不够，一方面，造成学生找不到工作，另一方面，某些岗位的高级应用技术人才紧缺。为此，必须充分重视实践教学环节，充分发挥出实践性教学的最大功效。其有效措施之一，就是配合一些优秀的实验教学模型，开展设计性、系统性、综合性的实验和实习教学。对实验教学模型有几点主要要求：（1）系统性；（2）新技术的综合性；（3）设计性；（4）直观性。

本文将89C51单片机用于对输液实验装置的设计，实现键盘设定输液速度，通过传感系统来确定点滴速度和对液位警戒线的检测，利用LED数码显示屏实时显示，通过电机控制储液瓶的高度来达到控速的目的，整个系统结构简单，易于实现。

二、硬件设计

系统硬件结构框图如图1所示。主要包括单片机系统、液滴探测、液位检测、报警输出、步进电机控制、看门狗等电路。单片机系统选用AT89C51，内含4 K字节的EEPROM，便于研制阶段反复调试和修改；为提高系统的可靠性，使得当系统掉电、上电后程序可以恢复正常，本文设计了看门狗硬件电路。

1.点滴速度检测

滴速检测是采用LM339过零比较电路，采用红外发射—接收对管作为液滴检测器件，根据接收到的光强的强弱判断是否有液滴滴下。当没有药液滴下时，红外接收器接收到红外发射器的强度稳定的信号。当液滴滴下时，红外光电传感器发射的光透过液滴后强度发生变化，光电接收管接收强度变化的光信号后，输出变化的电压信号，此电压信号经放大、整形后被转化为TTL电平信号，送给单片机，单片机根据相继二滴的时间间隔，计算出检测滴液的速度。该电路中，LM339的输出端要加上一个施密特触发器将输出脉冲波形整形后，再输入单片机的INT0中断口，其主要作用是克服葫芦状液滴形成的双脉冲。

2.点滴速度控制

采用实时检测，当单片机检测到的输液实时速度与设定值有偏差时，实时调节让单片机给出信号，单片机执行相应的控制算法，控制电机的通断和正转、反转，由步进电机带动储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度，由于其高度的改变与点滴速度基本成线性关系，从而调节点滴速度。将检测到的速度与设定速度之差作为反馈量，来进一步控制步进电机的转动方向和步距，从而形成闭环系统以达到控制输液速度的目的。

3.键盘方案选择

采用矩阵式级联键盘，采用矩阵式行列扫描方式，并通过8279芯片与CPU连接。这样当按键较多时可降低占用单片机的I/O接口数目，而且，由8279对键盘进行自动扫描，可以去除抖动，充分提高CPU的工作效率。

4.液面高度的检测

液面高度检测可以分为三部分，首先，是调制与解调电路。其次，是红外发射与接收部分，我们让红外发射和接收管正对放置在瓶子两边，警戒线的高度，由于有水和没水时接收到信号强度不同，而在液面处对红外线的反应也与有水和没水不一样。最后，是放大部分，根据接收信号强弱不同，用比较器处理可得到水位到临界线时引起的较大的电信号差异，由此判断水位到警戒线，单片机发出报警信号。

5.显示与报警系统部分

在主站部分，选用了一个有源蜂鸣器。当从站储液瓶中的水面到达距底部3cm时，单片机将接收到一个报警信号，并将此信号发给报警系统，使主站蜂鸣器和报警灯同时工作，报警灯选用闪烁发光二极管，便实现了声光同时报警，同时从站的报警灯也亮，为医护人员提供方便。

6.看门狗电路

为了防止程序跑飞，本系统设计了看门狗电路。考虑到系统的硬件设计要求、可靠性、音质电路板的控件要求、系统成本和系统功耗等方面的要求，我们选用X25045作为看门狗电路的主要芯片。X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将多个功能集成在单个芯片内，能够很好地满足本系统的需要。通过在每一次开机时，系统将自动显示上次点滴的速度和上次的流量，并默认当前输液点滴速度和流量为上次所存储的滴速和流量，医护人员和病人可根据各自需要自行调节改变默认值。

7.电机驱动电路

在选择驱动电路时，我们应该使信号的周期性误差尽量减小，而对位置、速度的控制要求简单，步进电机则正好满足了这一要求。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制电机。每输入一个脉冲，步进电机就转动一个角度或前进一步。所以，控制输入的脉冲数就可以控制步进电机的位移量，控制脉冲频率就可以控制步进电机的转速或线速度，在负载能力范围内，这些关系不受外界因素的限制。为使电机顺利完成正反向运行，完成液滴速度的调整，设计PWM电路，完成对电机的驱动。为使电机制动效果好，选择惯性小的电机。此外，不仅电机特别适用于开环的数字控制系统。为步进电机配上专用的驱动电源便构成了步进电机系统。步进电机转速的高低、升降速、启动或停止完全取决于CP脉冲的频率。

三、软件设计

该系统的软件部分主要完成滴速测试、液位测试、步进电机驱动控制、报警等功能。

1.主程序

主程序在完成所有初始化工作后，开始查询键盘输入状态，检测输液速度，设定值与测量值有偏差时，根据偏差e的大小，调用控制算法子程序，各功能模块完成后又返回查键。

2.输液速度测量子程序

测量输液速度的方法很多，本文采用周期测量法来实现滴速的测量，该方法原理简单，易于实现。该方法的原理为：当液滴通过检测装置时，检测电路会发出负脉冲，以此来触发单片机中断程序，并且启动定时计数器，当下次中断产生时，定时计数器停止计时，以此便能计算出通过测试两滴液体通过检测装置间的时间差，进而可以求出每分钟的液滴流速。

3.液位检测和报警程序

其软件部分的实现原理和点滴速度检测相同。其软件实现过程为：当发射和接收二极管之间的液面发生变化时LM567的输出端将会有高低电平的变化，则与输出口连接的单片机P2.1口将有高低电平变化。所以，软件实现时可以通过对P2.1口进行连续的查询，从而来确定是否发出液位警报。在检测液面位置的时候为防止因为药瓶振荡而使信号出现误发情况，需要采取多次检测比较，可以连续采集五次并将P2.1的数值累加存于寄存器A中，判断累加器的数值为0时才进行发送。或者采取一个较短时间的延时再进行有效检测，而在延时期间的检测认定为无效的检测。

4.步进电机驱动控制程序

步进电机可以通过对其输入的脉冲个数进行控制而达到对其转动角度的严格控制。要达到通过步进电机控制输液瓶的高度，只要将电机转动的角度和输液瓶上升高度之间的函数关系找出即可。我们采取分段检测的方式。首先，把液滴速度对应高度测出来，并拟合出一个滴速V与高度h的关系式。当键盘预设一个滴速后，单片机先将该滴速与当前的液滴速度进行比较，确定步进电机的转动方向，同时求出这两个速度对应高度差值，确定转动的圈数；之后，再启动电机按照求出的转动方向和转动圈数转动，并且电机启动的同时停止数据检测，等到电机停止时再进行滴速检测，判断当前滴速和预设滴速的差值是否在误差允许范围之内。若差值在误差范围内时电机不再转动等待新的命令;若差值超出误差范围再重复进行调整。

四、装置操作说明

本装置可以通过键盘实现操作，根据流程打开电源后，系统进入待命状态。系统初始化时已经有默认的容量和速度设定，本装置可以通过数字键分别为流量、速度等按键设置相应的参数，回车键（Enter）输入完毕确认，取消键（Cancel）可以取消输入操作。如果输入数据非法，则自动取消输入。按启动键系统开始运行，运行后系统自动进入控制状态。在系统运行过程中，当容量报警等情况时，需要系统中止运行，只是可以按停止键，系统进入安全模式。在中止后可重新设定参数，并且重新启动。系统自动进行点滴计数，根据输入的容量，推算出结束点滴数，并在计数到达时进入安全模式并报警。

五、结束语

本设计核心是89C51单片机，完成了液滴的实时有效的控制与显示。在设计中， 通过红外传感器来实现对液滴速度的检测、用步进电机调节储液瓶高度来实现对液滴流速的控制、用电容传感器来实现对液面的检测。该测控系统是光电技术、微机技术和计算机网络技术的综合应用，可以很好地应用于教学实验中。此外，该实验装置硬件简单，易于实现，有着较好的实用价值，可以在医院中推广，便于医护人员监控输液状况。

参考文献：

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[6]Wheater，S.M: Little，M.C. The design and implementation of a framework for configurable software.1996.

（作者单位：浙江理工大学信息与电子学院）

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