点滴测速装置设计说明书

点 滴 测 速 装 置 目录第1章 绪 论11.1 液体点滴速度控制系统的背景11.2 国内外发展概况11.3 研究意义12.1系统方案选择22.1.1 方案论证22.1.2方案确定22.2 系统总体设计3第3章 硬件设计43.1 硬件选型43.1.1AT89C5143.1.2 集成运算放大器LM32443.1.3 电压比较器件LM33953.1.4 步进电机驱动ULN200363.1.5看门狗63.1.6 LCD显示73.2硬件模块设计83.2.1液体点滴速度检测电路83.2.2储液瓶液面检测电路93.2.3键盘电路93.2.4显示模块103.2.5电动机控制模块113.2.6滑轮机械控制模块11第4章 软件设计134.1 系统流程134.2系统图13 第1章 绪 论1.1 液体点滴速度控制系统的背景 输液是医院常用的医疗手法。在输液过程中，输液速度是一个很重要的参数，决定输液速度的因素有患者年龄、患者病情、药物种类。目前，我国医疗机构在进行输液治疗时，输液速度和输液量几乎全部都是不准确的。而在未来的医疗机构里，特别是在一些大型医院里，在给病人输液时，对输液速度和输液量的数值的准确程度的要求会越来越高，因此就需要既实用又廉价的输液检测控制系统产品的出现。1.2 国内外发展概况国外对点滴输液监控装置的研制较早，如日本、美国和德国等国家上世纪80年代末就进行了这方面的研制。现在市场上流行的大多是国外产品，类型多样，性能较好，但是这些产品在国内只有一些大型医院引进，因其价格昂贵主要用于危重病人。国内对输液装置的研制起步较晚，大都在90年代中期开始研究，市场上也有一些国产输液装置。不过总体来说，种类较少，性能也需改进。我国的点滴输液自动化程度得到普及，还需要很长的路要走。将来的液体输液泵将向更小型化、更便携化、控制更精确、更安全可靠发展。1.3 研究意义人工调整点滴速度不够准确和方便，工作量很大。于是设计从实用、可靠、操作方便、节约劳力、提高操作准确性的原则出发，提出了一种基于红外检测技术于不仅能够进行实时监控并能准确调节点滴速度的控制装置。这对普通病人、特护病人和输液速度有较严格要求的病人都是非常有意的。 第2章 系统总体设计2.1系统方案选择2.1.1 方案论证液体点滴速度控制系统就是用微型计算机来控制点滴速度的装置。装置主要是通过对液体点滴的滴速进行检测并根据这些数据对滴速进行实时控制。滴速检测主要是通过传感器来实现，而对滴速进行控制可以通过以下几种方案来实现。方案一：通过改变滴斗到受液瓶的高度来调节点滴的速度。在输液管截面积确定的条件下，由公式：=可以知道压强随着液面高度的不同而不同，从而使点滴的速度不同。主要是通过电动机带动储液瓶使储液瓶上升或下降从而改变滴斗到受液瓶的高度，由此便可以调节点滴速度，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，不过这种方法只适用于大范围的调节，滴速难以准确控制。方案三：通过改变输液软管的截面积来控制点滴速度。在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积来实现点滴速度的控制。因为输液软管的截面积较小且形变后恢复较慢，难以实现点滴速度的准确控制。2.1.2方案确定设计主要是为了实现液体点滴速度的准确控制，因此相比较方案一最合适。由此得出系统的原理图，如图2-1所示。要求系统实现的功能有：（1）在滴斗处检测点滴速度；（2）点滴速度要求实现自动控制，并能动态显示，滴速也可用键盘设定；（3）当液位降到储液瓶的23cm时，要求发出报警信号。图2-1系统原理图2.2 系统总体设计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。基本系统框图如图2-2所示。点滴速度测量模块报警模块键盘输入模块 AT89C51单片机 电机控制模块 滑轮机械模块储液液面检测模块显示模块图2.2系统基本结构框图 第3章 硬件设计3.1 硬件选型3.1.1AT89C51MCS-51系列中，用HMOS工艺制造的单片机都采用双列直插式(DIP40)脚封装，引脚信号完全相同。图为3-1引脚图，这40根引脚大致可分为：电源（VCC、VSS、VPP、VPD）、时钟（XTAL1、XTAL2）、I/O口（P0P3）、地址总线(P0口、P2口)和控制总线（ALE、RST、PROG、PSEN、EA）等几部分。管脚功能： 图3-1 AT89C513.1.2 集成运算放大器LM324LM324N参数：（1）短路保护输出；（2）真差动输入级；（3）单电源工作:3伏至32伏；（4）低输入偏置电流:最大100纳安(LM324A)；（5）每一封装四个放大器；（6）内部补偿；（7）共模范围扩展到负电源；（8）行业标准引脚输出；（9）在输入端的静电放电希位增加可靠性而不影响器件的工作。LM324的引脚排列见图3-2所示： 图3-2 LM324引脚排列图3.1.3 电压比较器件LM339LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为236V，双电源电压为1V18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。如图3-3所示：图3-3 LM339外型及引脚排列图3.1.4 步进电机驱动ULN2003ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003内部结构及等效电路图如图3-4 所示： 图3-4 ULN2003内部框图及等效电路图3.1.5看门狗本设计采用MAXIM公司生产的MAX706P（高电平复位）硬件看门狗。MAX706P内部由时基信号发生器、看门狗定时器、复位信号发生器及掉点电压比较器构成，其中时基信号发生器提供看门狗定时脉冲。芯片引脚和电路连接如图3-5a、3-5b所示。MAX706P的应用图如下：VccWDIP2.0MAX706PMAX706PAT80C51 RESTWDOMRVccPF0WDIGNDPFIPFIVccVccRESTRESTWDIWDOMRP2.0图3-5（a）芯片引脚图 图3-5（b）看门狗与单片机连接图 MAX706P的内部看门狗的定时器的定时时间为1.6秒,如果在1.6秒内WDI引脚保持为固定电平，看门狗定时器输出端WDO变为低电平，二极管导通，使低电平加到MR端，MAX706P产生RESET信号，使单片机复位，直到复位后看门狗被清零。将WDI接到AT89C51的P2.0线上，在程序中只要在小于1.6秒时间内该口线取反一次，既能使定时器清零而重新技术，不产生超时溢出，程序正常运行。当程序跑飞，不能执行产生WDI的跳变指令，到1.6秒WDO因超时溢出而变低，产生复位信号，使程序复位。3.1.6 LCD显示LCD显示器选用：设计采用1602型LCD，1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。1602采用标准的16脚接口，1602液晶模块内部的控制器的控制指令：它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）。液晶显示模块和单片机AT89C51直接接口，电路如图3-6所示：图3-6接口电路 3.2硬件模块设计系统可以分为传感器检测部分和自动控制部分。传感器检测部分：系统利用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：点滴速度测量电路和储液检测电路。控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输入的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度。完成点滴装置的自动检测、自动调速、液晶显示屏显示以及报警功能等各项任务。主要包括3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、液晶显示屏的动态显示电路。3.2.1液体点滴速度检测电路应用红外对管发射接收式传感器来实现点滴速度的测量。从下图中可以看到，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，输出高电平，从而产生一个较长的脉动，但是信号很小，所以需经过一个运算放大器LM324放大之后再经过电压比较器LM339就可以输出一个正向的脉冲信号送到单片机中断口，据此就可以正确的测出液滴的滴数，即点滴的速度（滴/分）。其检测电路图如图3-7所示： 图3-7点滴速度检图 3.2.2储液瓶液面检测电路储液瓶液面的检测也是设计中重要的一项，在实际生活中，由于人为疏忽的缘故，使储液瓶内的药液滴完，造成病人血液回流。设计中应解决这个问题，尽量避免这种情况发生，于是要求当储液瓶的液位低于储液瓶的23cm时发出报警。此问题的关键是如何检测到储液瓶瓶内液位的高度，使报警能够实现。同点滴速度测量模块，仍然采用红外对管发射接收式，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。3.2.3键盘电路设计中键盘每个按键功能的确定：键盘需要输入数据，因此需要0-9这十个数字键，当数据输入后要通过确认键来确定或是通过清除键来清除已输入的数据；当输液过程中出现其他突发意外，可以直接通过返回键返回到上级的正常情况，这样改动幅度比较小，对病人的伤害也就更小；另外键盘还需要一个开/关键。其显示面板图如图3-8所示： 确定清除返回下键上键0123456789开关图3-8键盘显示面板 键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。因此选用易采用非编码键盘。非编码键盘分为独立连接式键盘和矩阵式键盘。设计中采用矩阵式键盘。该键盘又称为行列式键盘。使用I/O口线组成行列结构，在每根行线与列线的交叉处，二线并不直接相通，而是通过一个按键跨接接通。通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可确认按键的状态，再通过键盘处理程序可识别是哪个按键按下。由以上功能可知，设计中共使用了16个按键，因此采用4x4矩阵式键盘，其键盘的控制电路如图3-9所示 图3-9键盘控制电路图 3.2.4显示模块常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管（LED,Light Emitting Diode）显示器、液晶显示器（LCD,Liquid Crystal Display）等。显示记录仪是以模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，虽然后来也出现了以微处理器为核心的数字式智能记录仪，但其价格昂贵，在目前的计算机控制系统中较少采用；LED数码管由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及仪器仪表广泛采用；而LCD则以其功耗极低，信息量大的特点，占据了计算器、便携式微型计算机等应用场合，并逐步用于智能仪器与控制系统中。设计中采用的是LCD显示器。3.2.5电动机控制模块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。步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移，比其他类型的电动机更适合于本系统，故选用步进电动机。本系统中使用步进电机来控制的高度，以控制点滴速度。由于单片机带负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在单片机和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载能力。电路原理图如图3-10所示:图3-10电机驱动电路3.2.6滑轮机械控制模块考虑到机械设备的结构，偏心轮需要的电机扭矩要求高。拉绳比较容易卡住液体点滴速度。因此在偏心轮和拉绳机械结构中采用了拉绳结构。图3-11a是偏心轮结构，图3-11b是拉绳结构。 轴心固定电机传动图3-11b 拉绳结构偏心轮固定板图3-11a 偏心轮结构输液管 第4章 软件设计4.1 系统流程 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。如图4-1所示判断储液瓶的高度，是否有中断？N点滴速度控制Y开始初始化键盘扫描结束报警显示调用点滴速度检测 图4-1 系统主程序图4.2系统图第 14 页