数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置设计

.摘 要输液装置是医疗器械中一种被广泛使用且非常重要的一次性消耗器材，在传统的输液过程中，通常是由人工设置输液点滴的速度，也是依靠人工来监测输液瓶中液位高度等输液的状态。这种人工的方式既费时费工，也存在着非常大的安全隐患，因而设计一种数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置就有着非常迫切的现实意义。就数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置的问题而言，整个装置通过采用 AT89S52单片机主控模块，行列按键及对射式光电传感器的输入模块，以及控制储液瓶移动的步进电机驱动单元和LCD显示单元及光电报警单元一同构成的输出模块，三个模块相结合的方案。采取硬件设计与软件设计及模拟仿真的方法。硬件电路设计采用对射式光电传感器红外检测采集液滴数据，以及检测储液瓶内剩余液量并报警。通过键盘输入控制设置点滴速度，步进式电动机控制吊瓶移动改变点滴滴速，单片机驱动电机控制药液的滴速滴注，由 LCD显示检测滴速值。软件系统设计主要包括单片机主控程序、点滴速度测量程序、电机控制程序、LCD显示程序、报警程序以及输入键盘程序几大部分的设计。在模拟仿真方面，运用Proteus 和 Keil 软件进行了软件仿真设计，更具科学性可将理论运用于医疗实际,将更有助于临床的实际应用。关键词：点滴监控；光电传感器；AT89S52单片机；步进电机ABSTRACTWith the development and application of information technology and microelectronics technology, in medical and health field a concomitant information revolution is underway. In medical and health field, according to the needs of the infusion flow control, this paper presents a kind of control device based on single-chip technology of liquid dropping speed monitoring scheme. The device is mainly in order to overcome the manual monitoring liquid level and liquid flow, the consumption of energy is too large, the efficiency is too low, the disadvantages, the device in theory and practical application has important value, and to the field of medical health is more important.On problems of digital medical transfusion status of photoelectric detection and drop speed monitoring device, through the use of its core is AT89C51 microcontroller, is based on the input composition and the reflective photoelectric sensor in the matrix keyboard keys system. The output is in intelligent control bottle moving stepper motor, LED digital tube and bee sound alarm circuit composed of. Take the hardware design and the software design and simulation, is used in hardware circuit of infrared reflective photoelectric sensor detection collecting droplet data, and detection of the liquid storage bottle residual liquid and alarm. Through the keyboard input control set of dropping speed, step motor control the bottle move to change for control the Drip drip speed MCU drive gear motor drives the spiral pressing mechanism control liquid drip infusion, and LED digital tube display dripping speed of detection value. System software mainly includes MCU control procedures, Disu detection procedures, dripping speed display program, dripping speed control procedures, alarm program is made up of the following parts. In the simulation, the use of Proteus and keil software simulation software design, more scientific the theory is applied in the actual medical further expansion, in order to make it more intelligent, automation, the above, hypogynous machine (Master / slave) way into digital medical infusion monitor network. Will be more helpful to the clinical application.Keywords: spot monitoring; photoelectric sensor; AT89S52 MCU; stepping motor目 录1绪论11.1 课题背景11.2 课题意义12总体方案设计32.1 技术要求32.2 系统总体框图32.3 系统方案论证与比较42.3.1 控制方案的比较与选取42.3.2 点滴速度检测方案的比较与选取52.3.3 液位监测与报警方案比较与选取62.3.4 点滴速度控制方案的比较与选取62.3.5 电机的比较与选择72.3.6 滴速与键盘显示方案的选取73系统的硬件设计93.1 AT89S52单片机最小系统93.1.1 中央处理单元93.1.2 振荡电路103.1.3 复位单元电路103.2 点滴信号处理单元113.2.1 点滴信号检测单元113.2.2点滴信号的比较、滤波、整形单元123.3 液位检测单元123.4声光报警单元133.5 步进电机驱动单元143.6键盘单元153.7 LCD显示单元164系统的程序设计174.1主控程序设计174.2点滴速度测量程序设计184.3电机控制程序设计204.3.1 电机控制原理204.3.2点滴速度控制程序设计214.4报警模块程序设计234.5 输入键盘模块程序设计234.6 LCD显示模块程序设计275系统仿真285.1 程序编译285.2 仿真结果305.2.1 点滴速度检测仿真305.2.2 点滴速度控制仿真326总结及展望346.1 总结346.2 展望346.3 心得体会35致 谢36参考文献37附录 程序清单38.1绪论1.1 课题背景点滴是医学上经常使用的治疗方法。在病人点滴的过程中，时常因为病人身体状态差或者护理人员工作繁忙而无法关注到点滴的全过程，进而要专门请人监视护理，增加了医护人员的工作负担，也不便于病房管理。当输完药液后，如果不及时进行相应的处理，病人的血液就会因输液空管受到外界大气压而使其倒吸入输液管中，如果这样时间过长会使扎针处血管肿胀，或者造成血液体外感染。若处理过早，那么医用液体还没有完全输完就摘输液瓶取输液针管，就会造成药品的浪费。因而时常会使病人有不好的情绪，情节严重的还会投诉，医护人员对此又无可奈何。本课题就是针对于以上问题，通过采用声光报警监控的方式方法，达到医院输液情况的实时有效监测的目的，并通过单片机与LCD显示器来实现点滴速度数据的及时显示和存储的要求，以及完成在危急状况下的报警任务。课题很大程度上推动了医院现代化，信息化的进程。1.2 课题意义在点滴速度监控装置系统中，点滴信号提取是点滴速度监控装置中不可或缺的一步。点滴信号自动化采集和有效便捷的传送也是信号处理的必要过程，医疗人员经常需要检测和掌控液体的储存量或液位，如人工肾机的透析储液瓶里面的剩余药液储存量、自动化洗胃机器中用来冲洗胃部的液体储液量、中医用到的药品沐浴机器中煎药锅中的液位、静脉注射输液液体量检测等等。假如对于仪器或机器中液体储存量缺少监测，那么在液体储存量，不加控制情况下，很大可能会给病患带来人身伤害，情况更严重的会危及其生命。所以通过对这些液体储存量的监控与了解，医护人员便可以随时发现液体剩余量，就可以在存储瓶中剩余液体缺少时，及时自动或者进行人工添加或者采取其他有效措施，以及时保持医疗设施的安全有效持久的运行。因此，怎样更好更快地对医疗液位进行全方位监测，长久以来是医学工程人员思考较多的课题之一。而在医学中，一直采用穿刺静脉的办法将药液直接从静脉注入身体内部，这种点滴方法称为静脉式点滴输液。可是一直以来没有快捷并高效的监控装置，对已输液量或剩余液量等的监控，从而需要专人护理，加重了护理人员的工作负担，也不便于病房的综合集中化管理。所以我们设计点滴速度监控装置，该装置监控输液点滴数，当储液瓶中剩余量低于预定值、输液点滴速度过高或过低时，发出声光报警信号，提醒护理人员立即加以处理。可以很好的有效快速的处理上述问题。它在医学应用上具有很大的使用性价值。本装置的成功将大大降低了医务人员的工作量，同时缓解病人自己的包袱。促使医院向信息化、网络化、自动化、智能化方向快速有效全面的发展，使医院的生活管理工作更加健全有序。此次设计的数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置，是使用了目前市面上成本较低的，性价比高的AT89S52单片机和红外光电对射传感器，它针对性强、操作方便、使用简单、成本低廉、便于推广等特点。2总体方案设计2.1 技术要求设计并制作一个数字式医用输液状态光电检测及点滴速度监控装置，示意图如图1所示。h1h2电动机滑轮点滴移动支架储液瓶瓶受液瓶滴斗滴速夹（1）在滴斗处检测点滴速度，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，如图1所示；也可以通过控制输液软管夹头的松紧程度等其它方法来控制点滴速度。点滴速度可用键盘输入并显示，设定范围为20150(滴/分)，控制误差范围为设定值10%1滴。（3）调整时间3分钟（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（23cm）时，能发出报警信号。 图1 液体点滴速度监测与控制装置图2.2 系统总体框图根据本论文的功能具体要求，本装置的硬件设计主要由以下几个部分组成:由AT89C51单片机，点滴信号处理单元，液位检测单元，声光报警单元，步进电机驱动单元，LCD显示单元及键盘单元组成。点滴信号处理单元又分为点滴信号检测单元，点滴信号比较，滤波，整形单元，其中信号检测单元完成点滴信号的采集;信号的比较，滤波，整形单元则完成了对整形脉冲和转换A/D这两个步骤，进而把采集到的模拟信号变为可直观理解的数字信号。液位检测单元，检测液位是否降到要求所在位置，是则为传递信号于声光报警单元。声光报警单元用来发出并传递报警信号。步进电机驱动单元，实现了对电机的驱动和控制，达到控制储液瓶高度，从而达到点滴速度控制的目的。LCD显示单元通过收到单片机发出的信号，实现对液体点滴速度的显示。键盘单元，则可以设定或修改点滴速度。图2 系统总体框图2.3 系统方案论证与比较2.3.1 控制方案的比较与选取方案一：此方案是使用传统方式，模拟电路控制方案，虽然其特点是电路不复杂，便于实行。可是通过模拟电路的方案，但很难把精度做高，也不易于达到设计装置要求中的键盘输入和实时显示点滴速度这两个环节的目的。方案二：通过采用AT89S52单片机系统来实现此控制方案，可用编写程序的方式，去完成这种麻烦的算法和繁琐的控制。此方案更加简单的实现了装置要求中的键盘输入和实时点滴速度设定等功能需求。通过上述两种方案的比较，决定采用方案二。2.3.2 点滴速度检测方案的比较与选取对点滴速度的检测，其根本原理是通过记下在一段时间内滴下的液滴数量，用AT89S52单片机内部自带的定时器与计数器，进行计时与计数处理。这样就是要对落下的液滴落下时的计数有很高的要求，可以考虑到以下几种方案。方案一：发光二极管与光敏三极管传感器组成的检测电路。由于外部光源会造成极大的干扰，对于光敏三极管的运行状态方面。一旦外界光在强度方面有了变化，将会直接造成光敏三极管，对液滴进行误判断。即使采用超强亮度发光管可以解缓此类干扰，但此时却会造成了很大的功率损失。所以方案一不可采取。方案二：不调制的红外对射传感器。由于对发光管采用直流电压进行直接供电，但是平均功率存在范围限制，那就要保持发光管工作电流不能高于元件的额定值的问题，并且克服透壁照射的困难问题以及传感器容易受到外部光源等干扰的问题，所以此方案不予考虑。方案三：脉冲调制的红外对射传感器。使用断续式工作方式，通过接收管被滴落的液滴暂时的挡住了，阻断了红外线信号短暂的采集，从而产生高电平的脉冲式信号。同时红外对射管的发射口半径不大，又是单光源单光束发射的方式，液滴在红外线相对正交处下落，形成信号非常强烈的脉冲，便于检测到，易于再次处理。考虑到环境光主要是对直流分量类型的信号有很大的干扰，如果采用调制了的带有交流分量的信号，则可以很大程度上减少外界光线对红外对射传感器的干扰。而且红外发射管的平均电流决定红外发射管的最大工作电流，那么采用调制信号并且信号的占空比合理的话，可以使电流瞬间会变得很大，极大程度上的提高了信号噪声比，改善了系统的抗干扰能力。方案四：采用超声波传感器。此方案采用调制脉冲发射方式，将超声波发射器与接收器两者正对的固定于滴斗外壁的两侧，当液滴滴落到发射器和接受器两者之间时，暂时挡住接收器接收信号，使其产生一个低电平的脉冲信号，在接收传感器接收一个信号并且进行解调，并检测出相应的脉冲信号，送至AT89S52单片机实现计数一次。这样液滴滴数与电脉冲信号之间的对应关系，就可以简便有效建立了，自然而然的实现点滴测速的目的。但超声波传感器装置在调试过程十分麻烦，再者一般的超声波传感器，相对液体来说体积太大，假使液滴垂直落下，但此时所能挡住的超声波信号也是十分有限的，这样即便接收到了一定的电信号也是极其微弱的信号，断续的信号，有很大的局限性。此外这方案受外界干扰太大，就滴斗壁而言，对超声波对其反应很是强列，使得信号穿透滴斗在另一侧成功接收便成了问题，假如要接收到的话，就要保证超声波信号得有一定的强度，就需要提供较高电压进行信号强度的维持，这对病人以及医护人员的工作带来极大的安全隐患。所以分析思考后，发现操作性有待考虑。通过上述四种方案的对比思考，综合考虑决定采用方案三。2.3.3 液位监测与报警方案比较与选取课题基本要求里写道，在储液瓶内液位降至23cm时，就要能发出报警信号。所以怎样快速有效精准的检测到液位高度是至关重要的，而发出报警信号则便于实现。而检测液位高度却存在很多种方案：方案一：电极法 方法就是往输液瓶内插入两根性能不同的电极，利用药物的导电性能是否变化来检测判断瓶内液体药物是否用完，更进而去确定液位高度。毫无疑问，该方法虽然具有很低的成本，但同时也存在着很大的安全隐患，首先，药液特性是否会因为通电而受到影响，而导致失效，这有待考究。其次还有电极在消毒方面也存在问题。方案二：测重法 它是利用弹簧秤或压力传感器或电磁感应开关，药液输完否是依据药物轻重变化来判断的，此方法虽然简单便捷，但在具体到减少多少质量液体降低多高的液位来说，无法给出具体对应关系，在可靠性和适应性方面想都不用想，肯定也有很大的问题。方案三：液面检测法 通过采用将光电传感器固定在输液瓶上的方式，利用液位下降到低于设计要求给定的高度时，对光的反射或折射情况的变化来判断药液输完与否的方法，此方法有一定的可操作及适应性。另外光电传感器有很多优点：就尺寸而言相对较小，质量较于轻便，便于操作在输液瓶上安装，此外对辅助电路条件也相对要求较少，并且可以直接在近距离用直流电压实现发射功能，电路不复杂，功能比较稳定。这个方案简单有效，实现比较容易，操作方便。方案四：超声回波检测法 它是通过采用脉冲电信号激励超声波发生器产生超声波，每当超声波由发生器产生后，通过空气介质传送到达输液瓶中液面后，经液面反射回到超声波接收器，通过检测超声波从发射到接收中间的时间差，再由超声波在介质中传播的速度及仪器安装高度，即可计算得出储液瓶中液位具体高度。超声波发生器具有非接触点且功能稳定、安全有保障的优点，具有实用价值，但是由于超声波发射及接收器，成本高及安装工作复杂繁琐，也限制了超声回波技术在现实生活中的应用与普及。综合比较上面四种方案，从可行性，可操作性的角度上，同时保证准确测量度上综合考虑，使用方案三，光电传感器达到测量储液瓶液面高度目的的液位检测法是最为合理的选择。2.3.4 点滴速度控制方案的比较与选取为了实现对液体点滴速度的控制，依照设计的要求，可以使用下面两种方案：方案一：通过掌控输液软管夹头松紧程度实现对输液软管截面的大小的控制，从而达到掌控点滴速度的目的。但是控制滴速夹，在实际应用当中，可移动的距离非常有限。同时在滴速夹的松紧调节过程中，还存在很多实际不确定因素，例如输液管粘度与液体粘度等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等物理参数，都相对难于计算处理，用电机方式实施起来较为困难。故采用夹头控制点滴速度将难以实现比较科学化合理化的线性控制。方案二：通过电机和滑轮组成控制模块，通过此控制模块，来掌控储液瓶的高度，从而完成控制液滴速度的目标。此方案实施起来较为简单便捷，但不足之处是控制储液瓶移动的距离比较大，所需要的时间过长，而且储液瓶高度与点滴速度之间很难找到明显的线性对应关系，并且没有现成的理论公式可以利用，但可以通过采集足够多的实验点数据，在自变量即储液瓶可移动距离，变化范围较大的情况下，以此来解析并得出两者之间存在的规律，得出大致可靠的控制点滴速度的实验公式。这项实验工作虽然较为繁杂，但较方案一来说，可行性高，精度较好，比较实际可靠。第一项与第二项方案经过各方面比较，在实际应用当中，使用电机调整储液瓶的高度来完成对点滴速度的控制，这个方案控制效果较好，因此决定选择第二项的方案。2.3.5 电机的比较与选择首先讲讲常用电机的类型，常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、伺服电机。比较上述三种电机，直流电机上电就可以转动，处掉电状态后惯性较大，处于停机状态时还会转动一定角度后才慢慢的停止；直流电机励磁转矩小、不存在抱死功能；但如果要求准确停在某一个位置，就要通过较复杂的闭环算法过程来实现了。步进电机转矩相对直流电机而言比较大，再者步进电机价格可以接受，控制精度也高，很适合用于精确的测量中,可有效提高点滴速度的控制精度。而伺服电机，虽然机械特性较好、输出功率很大、电机起动转矩大、驱动电路相对简单、正反转的控制较方便、而且具有容易抱死的功能即电机没有电提供时伺服电机的转矩非常大，但考虑到伺服电机实际价格动辄就是几千元，就成本上而言太过于昂贵，普及性上有待提高，故而弃用。综合考虑上述各种电机的特点后，就实际情况而言，最终选用步进电机。2.3.6 滴速与键盘显示方案的选取根据设计要求，点滴速度的实际大小要由我们自己给定的。点滴速度的初始值与修改值都可以从键盘输入传至AT89S52单片机。在显示电路显示实际的点滴速度，对于其显示有以下的两种方案：方案一：采用实际应用中使用较多的液晶式显示屏LCD。液晶式显示屏（LCD）具有无功损耗小、造型轻薄短小，不存在辐射危险，可观视面积大。以及画面感强，抗干扰效果好。方案二：采用传统单片机系统经常使用的八位LED七段数码管，显示实时点滴速度，按键采用行列式键盘。数码管具有：低功率损耗、低能源消耗、低电压使用、耐老化能力强、使用寿命长，对外界环境要求条件较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译工作量相对不多，资源占用情况好。可是工作电流较大，影响它的实际应用。综合以上两个方案看，决定方案一作为此次设计的点滴速度与键盘的显示。3系统的硬件设计3.1 AT89S52单片机最小系统此次设计所使用的单片机最小系统由中央处理单元AT89S52、振荡电路和复位单元电路这三个模块组成。其中AT89S52是8位单片机中一个最实用、最典型的芯片型号之一。3.1.1 中央处理单元该设计采用AT89S52单片机作为中央处理控制器。单片机是微型计算机其中很重要的模块之一，是微型机技术发展到一定时代的阶段的产物，它的全称是单片机微型计算机，简称，单片机。单片机是把组成微型计算机的各个功能部件:包括中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出接口(1/0)、定时器、计数器及串行通信接口等，通过使用大规模集成电路的手段将众多的功能部件集中在一块小小的芯片当中，构成一个体积小，质量轻，实用性高的微型计算机。因为以上原因，所以它特别适用于现代控制领域。单片机结构和指令功能要求全是严格按照工业控制要求来设计的，所以又叫做单片微型控制器(Single Chip Mieroeontroller)。在其他国家叫单片式微型计算器(Single Chip MICrocomputer)。AT89S52单片机，含有一个8位CPU处理器，128B RAM随机存储器，21个专用寄存器，4KB的内部ROM只读存储器，4个8位并行I/O口。综合各方面考虑，达到了这次设计的要求，所以采用AT89S52单片机，如图所示。图3 AT89S52单片机3.1.2 振荡电路 AT89S52的时钟方式可以通过两种方式生成，一种AT89S52内部时钟方式和一种外部时钟方式。AY89S52内部时钟方式是通过利用AT89S52内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2管脚上外接定时元件，让内部振荡电路运行，自激振荡。通过示波器可以明显的观察到XTAL2处输出的波形。定时元件由晶体振荡器和电容组成，构成并联谐振电路，如图所示。晶体振荡器的振荡频率大小的变化可在212MHz之间，电容C大小的变化在530pF之间。另一种外部时钟方式是XTAL1接地，XTAL2接外部振荡电源。图4 振荡电路3.1.3 复位单元电路在AT89S52单片机的振荡电路工作后，在RST引脚上会产生24个振荡周期以上的高电平，AT89S52单片机芯片内部自动初始化复位。AT89S52复位后，P0P3口处输出高电平，在 P0P3口的内容就会是FFH，初值07H写入入栈指针SP，其余的特殊功能寄存器和程序计数器PC将会被清零。当RST引脚由高电平转变为低电平后，AT89S52单片机便从0地址开始执行程序。AT89S52单片机初始复位不影响AT89S52的内部RAM的状态，包括工作寄存器R0R7在内。AT89S52复位后就是变成AT89S52内部寄存器的初始化状态。AT89S52单片机的复位方式通常有两种，上电复位和手动复位，而此次设计采用的是手动复位方式，具体电路如图所示。图5 复位单元3.2 点滴信号处理单元点滴信号处理单元又可以划分为点滴信号检测单元，点滴信号的比较、滤波、整形单元。3.2.1 点滴信号检测单元 点滴信号检测单元，由名字可以知道是用以检测是否有液滴滴下的，传感器方面采用红外对射式光电传感器，如图6所示：图6 点滴信号检测电路 红外对射传感器一般是由红外发射管和接收管组成的，它的主要作用是实现电信号转化到红外光信号再转换电信号的功能。因为可见光波长比红外光波短，相对而言红外光不太受到可见光影响，再者其红外对射传感器具有单个体积小，重量轻，便于装设的优点。所以成为点滴信号检测单元的首选传感器。采用脉冲调制的方式，使受环境光源的干扰程度达到最小化、同时增强信噪比。传感器的功能就是将被测量的物理量化学量变化过程的信号按照一定的线性关系转化成为适于传输和便于记录的电压或电流信号。所以传感器输出的电流信号，电压信号通常比较小，不能直接用来显示、记录及进行A/D转换，因此，我们需要有一个放大环节，把微小的信号放大到能与A/D转换器输入电压，电流能够匹配的幅度。信号转换就是把前面由光电传感器所采集到的光电信号转换成为A/D转换器能够处理的电信号。电阻R8为红外线发光二极管的限流电阻，电阻R9则起到电流信号转换为电压电压的功能。当有液滴滴落时，滴落的液滴到把发射管发射的红外光处，将短暂阻挡接受管收到信号，这样引起光敏二极管发生变化，产生数值极小的电流值，再通过电阻R9时，R9就把光敏二极管上的光通量转换到R8上的电流信号，再通过放大，整形和A/D转换，最后送入至单片机中进行处理。具体到此次设计采用的光电传感器，是使用型号QT50CM光电传感器来实现上述点滴信号检测单元的功能。3.2.2点滴信号的比较、滤波、整形单元传感器输入输出信号在实际应用中可以分为两类:一类为模拟式信号，例如湿度、温度、速度等的测量;另一类为数字式信号，例如需要用光电或电磁式传感器测量转速等的测量。对于模拟量信号，在进行调整匹配时，需要经过放大电路的放大、调制与解调电路的调制解调、滤波电路的滤去其他多余波形、采样保持电路的信号采样与维持、A/D和D/A转换电路的模数之间的转化。对于数字式信号而言，在进行调控配置时，通常只需使信号通过比较器的比较放大及整形电路的波形信号调整，进而再控制计数器进行计数即可。因此点滴信号是上面所说的第二类信号，数字式信号，只要进行比较和整形即可。点滴信号的比较，滤波，整形单元的比较和转换，整形就是对由完成红外光转变成电信号，电信号再转换成所需要的数字信号，进而再把得到的数字信号进行整形和模数变换，以便实现和单片计的接口问题。在点滴信号处理单元中所用的比较器是LM193。它具有可以调节失去调控的电压使其达到平衡的端口，并且具有连接负载可多样性变化及输出电流可高达5OmA的特点，可以很好的达到点滴信号处理单元中的信号的比较放大的目的图7 点滴信号的比较、滤波、整形单元3.3 液位检测单元考虑到实际的医院卫生标准，医用储液瓶中应尽量避免异物进入，选择红外对射传感器方案。虽然储液瓶壁厚度和外直径都比滴斗大的多，但在增大了红外发射功率后，通过液位高度变化，导致了储液瓶接收信号有差异，但还是可以使电流信号可以达到3040mV，这说明红外传感器对于液位检测单元来说也是可行的。而光电报警电路只需要在液位下降到设计要求液位的高度23cm以下后，发出警报信号，所以就考虑使用和点滴信号处理单元类似的设计电路，然后通过连接至计数器或者定时器T1上，通过掌握T1电平的变化，即可知道检测液面是否低于给定液面高度，低于的话，传送信号至光电报警单元然后报警。这样，电路可以简单、易懂，便于检测液位。图8 液面检测单元3.4声光报警单元此次设计采用一个蜂鸣器与一个发光二极管完成声光报警的功能。当传感器检测液位，显示实时液位低于给定值或红外光电传感器检测不到有液滴落下时，AT89S52单片机控制蜂鸣器报警以及发光二极管发光工作，传递声光报警信息。设计中的声光报警单元分为两部分:一是光报警。它是利用AT89S52的I/0口控制驱动发光二极管工作完成光报警的功能。二是声报警。它是利用蜂鸣器能发出声音告诉人们。在此次设计过程中光报警部分是在AT89S52的P3.4脚上接一个发光二极管，当报警信号来临时，它发出一亮一灭闪烁的光信号及时的通知护士人员进行储液瓶的处理。声报警部分，它是利用报警器来完成的。现在市面上使用的报警器的种类很多，比如:扬声器。蜂鸣器灯。此次设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器。蜂鸣器接通电源后，蜂鸣器里的振荡器产生的音频信号电流通过蜂鸣器里的电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。蜂鸣器里的振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振荡发出声音。以达到以上的声光报警单元的功能要求。图9 声光报警单元3.5 步进电机驱动单元这部分主要由步进电机及其驱动电路和一定的机械结构组成。电机安装在地面，电机的主轴上通过缠绕一根软线，而软线则通过连着支架顶部的滑轮并一端系在储液瓶上，从而达到电机的旋转可有效调控点滴装置的高度。步进电机是单纯的数字式控制电动机，将电脉冲信号即可转换成步进电机转矩的角位移，步进电机比其他类型的电动机更适合于这个装置，所以选用步进电动机，用来控制储液瓶的高度，从而控制点滴速度。就本设计要求而言，通过上网查阅相关资料得知目前医院使用的输液瓶有玻璃瓶、塑料瓶、塑料袋3种，最常见的有100ml、250ml和500ml三种规格。以500ml的玻璃输液瓶为例子，测得其质量最多1Kg，通过G=mg (1)可以算出其重量为9.8N，根据 P=FV/k （2）其中P为功率（KW），F为重力（kN),k为传动机械效率（一般为0.8）可以算出需要的电机的功率为0.6w，通过上网查询可知吉利牌550型微型电机的额定功率为0.5-240W,符合设计的需要，所以本设计选择吉利牌550型电机。电机驱动芯片方面采用一种高电压、大电流两通道的直流驱动的L298与L297,其中L297是步进电机前级驱动芯片，由此前两个芯片配合使用能组成步进电机驱动电路。因为单片机的电流过小，无法驱动电机，L298在组合的驱动电路中起到放大电流的作用。L298有四个输入，四个输出；并且有两个使能端。一般情况下，可以直接把EA,EB两个使能端接高电平，直接通过控制输入口输出口即接单片机的I/O口,来控制电机。 图10 L298内部结构图3.6键盘单元本设计因使用的按键较多，所以采用行列式键盘。而一个完整的行列式键盘应当达到以下功能要求：（1）检测有无按键按下，并采取硬件或软件去机械抖动的方法，克服键盘按键机械触点抖动，所造成按键误判的使用问题。（2）有健全可靠的逻辑处理方法。每次仅处理一个按键，期间无论任何按键的何种按下对系统的运行不产生任何的影响，并且无论一次按键时间有多长，系统都只实现一次按键功能程序的安全有效运行。（3）能够准确输出按键值，并符合系统跳转指令的各项要求。使用行列式键盘可以很好的达到以上键盘单元的功能条件。图11 键盘单元电路3.7 LCD显示单元显示电路主要实现对输液过程中点滴速度的实时显示，此次设计采用显示器液晶LCD1602来实现。LCD1602又名液晶型工业字符显示器，能够一时间显示32个字符，一般有14条引脚线或16脚引脚线，多出来的两条线是背光电源线与接地线。 LCD1602还提供各种控制命令：（1）清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置；（2）光标复位，光标返回到地址00H；（3）光标和显示模式设置I/D；（4）显示开关控制等多种功能。图12 LCD显示单元4系统的程序设计该系统在硬件方面控制核心是AT89S52单片机，而在软件方面，其核心是程序，程序是单片机系统的控制关键，一个单片机控制系统的各项功能能否很好的去实现，是否有较强的可靠性，在非常大程度上都取决于程序本身是否科学合理可行。而本装置的系统程序设计的要点在于:(1)定时器O中断处理程序，主要是用于对光电传感器传送过来的点滴信号进行精确的计数；(2)定时器1中断处理程序，主要是用于对光电传感器传送过来的检测液位高度的实时信号中所进行的中断处理；(3)主控模块框架科学合理的构建，关键点是处理器各种资源的科学分配和合理运用；所以达到以上程序设计的要点，显得至关重要。4.1主控程序设计主控模块作为核心程序，在运行的时候保证对数据缓冲区与部分串口进行初始化处理，然后协调各子程序进行有条不紊的运行。此次设计的初始化工作主要包括以下两方面，一方面是对串口进行初始化处理，让串口工作在方式1，波特率则由定时器T1的溢出率进行给定，设置为1200bit/s，并使其处于允许接收的状态。AT89S52单片机其他单元电路中的频率也为11.0592MHz，需要将定时器1的初始值设定为248(0E8)。因为串口数据通信过程中的发送与接收都必须由中断的方式来进行实现，所以还必须设定串口通信的中断方式；另一方面是对于外部中断0的设置，在点滴速度监控装置中，每当有液滴下落时，点滴信号检测电路就会将红外线对射传感器产生的电信号采集到，并送到信号比较放大，整形与A /D转换单元电路中，然后生成一个数字脉冲信号，送至AT89S52单片机内部使其生成一个外部中断0。系统在此中断计数的过程中，需要开启外部中断0的方式，且将外部中断0设置在电平触发模式，以及用于技术上的R4寄存器的清零处理。图13 主控程序流程图4.2点滴速度测量程序设计点滴速度可以有以下两种方式进行测量：方式一：用时间单位为点滴间隔，在采集一次点滴的时间，通过60除以点滴单位时间就可获得每分钟内的点滴数目的方法。这种方法使用到除法步骤，并且当点滴速度很大时，点滴数目测量误差也会相对变大，因此测量点滴单位时间的误差会被60秒这一段时间单位进行扩大。但这个方法在修正点滴速度时，可以实时的掌握点滴速度变化情况，可以在调整点滴速度中得以适当运用。方式二：以单位时间采集点滴数目实现点滴速度的测量方法。通过简单的乘法步骤就可预算出点滴速度，但此方法也存在与方式一类似的问题，在单位时间内有可能得不到完整的点滴数目，从而产生一定的点滴数目测量误差。可是，此方法在点滴速度相对恒定的状况下来说，可以使用不同时间段里的多个单位时间获取点滴数目平均值的方法，从而求得单位时间的平均点滴数目，减少实验误差，从而可以达到较高的测量点滴速度的精准度。在本设计系统中，就是采用这两种方式相结合的办法进行测量。以点滴为单位，同时采集单位时间内的点滴数。通过对多个点滴同时进行测量计算出点滴速度。实现原理如下：AB中断计数中断计数图14 速度计算实现原理采用定时器T0定时，时间为200us，当采集到第一个出现的脉冲信号时，程序转到中断处理部分，将计数器COUNT存储内容输出，再将计数器COUNT清零作为记录脉冲信号的初始值计为COUNT0，当定时器定时到达200us时，中断程序采集到输入信号，检测此时是否有脉冲信号传送到，是就将计数器COUNT内容加1即为COUNT=1，设定另外的计数器COUNT1采集检测到的数字脉冲信号数目，给定计数器COUNT1的存储单元大小为10，这样可以知道循环存储脉冲次数。在定时器COUNT1中取出5个相临脉冲信号点，假设脉冲起始点是y，此时相应的计数器COUNT内值是n1，第五个脉冲点就是y+5，此时相应的计数器COUNT内值是n2，这样就能精确的计算出5个脉冲点所需要的时间为： (3)由式(3)得到临近时间段里的脉冲信号时间间隔的平均值，这样就可以得到，点滴速度： (4) 其中根据上面的公式分析和计算，得到点滴速度测量的程序流程图如图。图14 点滴速度测量程序流程图4.3电机控制程序设计4.3.1 电机控制原理电机控制原理：检测液体实时的点滴速度，与150滴/分进行对比，当实时的点滴速度小于150滴/分时，电机控制储液瓶装置缓慢上升直到实时的点滴速度到达150滴/分。慢慢得在降低储液瓶高度，在采集实时的点滴速度，和相应储液瓶高度建立一一对应表。可以通过两种方式生成列表。方式一：等间隔方式生成列表。步进电机工作在非匀速状态，维持储液瓶等间隔下降。通过储液瓶高度与点滴速度存在一定的线性关系，可以得到等间隔方式生成的比较精准的电机控制列表，但是此时就要完成电机的非匀速转动的控制，在这方面就无形中增加了相应软件的难度。方式二：步进电机匀速生成列表。当步进电机处于正常工作中的转动状态时，电机绕线半径相对变小，储液瓶装置在同样单位时间内下降位移间隔变减小，这样使得点滴速度较小时调节范围缩小，从而使匀速状态调节效果比等间隔产生的效果更好，更为科学合理。综合比较，在设计过程与实际检测中，观察到使用步进电机匀速方式生成列表整体效果比较好，实用性搞，因此采取步进电机匀速方式生成电机控制列表的方式。4.3.2点滴速度控制程序设计通过掌控储液瓶高度来完成对点滴速度的控制，而储液瓶高度是由步进电机的转速来控制的，那么就可以直接避免去实时测量储液瓶高度的大小，而是采用间接的方法，通过改变步进电机的转速实现对储液瓶高度的控制，进而达到点滴速度控制的目的。在对点滴速度进行控制之前，AT89S52单片机通过算得电机的转速大小和储液瓶高度大小之间的对应关系，再生成储液瓶高度与点滴速度有一一对应规律的列表。为了保证控制过程的精准度，必须缩短实时控制中的调节时间，可以先进行大范围的调节，调节到给定的点滴速度周围时，再由微调的方式将点滴速度控制在滴的精度内。 图15 步进电机调整点滴速度程序流程根据试验及查询相关书籍期刊，得知液体的点滴速度和储液瓶的高度成线性对应规律，如下图，如果我们把每厘米对应的储液瓶高度值输入AT89S52单片机，然后根据现在实时的点滴速度和键盘输入的点滴速度相比较，如果实时的点滴速度过大，使步进电机进行反转，调整储液瓶到相应的高度；如果实时的点滴速度过小，使步进电机进行正转，调整储液瓶到相应的高度。但步进电机是在理想条件下的匀速运动的情况下进行调整，而实际情况是步进电机不会再匀速情况下进行运动，因而生成了一定的误差，但由于是在条件允许的误差范围内，所以是可以接受的，可见此种方法是可以很好的调控点滴速度的。4.4报警模块程序设计检测液位是否低于预定值的报警模块程序的设计主要是INT1中断来完成的。一旦感应到光电传感器有信号波动，类似于在检测点液速度时有液体滴下，表明液位已经低于所设定的预定值。此时INT1的电平发生变化，INT1开始运行，给报警标志位置1，并把单片机的P3.4引脚置1，使其驱动蜂鸣器和发光二极管声光报警，达到告诉护士要及时更换储液瓶的目的。图16 报警模块程序流程图4.5 输入键盘模块程序设计 输入键盘使用的是行列键盘，行列键盘中，列线通过电阻接正电源，并将列线所接的AT989S52单片机的I/O口作为输出端子，而行线所接的AT89S52单片机的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是低电平，代表无键按下。列线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线电流就会被降低，这样，通过关注读入输入线的状态变化就可得知是否有键按下了。确定行列式键盘上具体是哪个键被按下使用的是“行扫描法”。1、搜索键盘中有无键按下 设全部列线Y0-Y3置为低电平，然后检测行线的状态。只要有一行行线的电平为低电平，则表明键盘中有键被按下，而且被按下的键位于低电平线与4根列线相交的4个按键当中。若所有行线均处于高电平，则键盘中无键按下。2、搜索被按下的键的所在的位置 在确认有键按下后，即进入具体确定闭合键所在位置的过程。其方法是：逐一将列线置为低电平状态，即在设某根列线为低电平状态时，其它线为高电平状态。在知道某根列线位置为低电平后，再逐个检测各行线实时的电平状态。若某行为低，则该行线与设为低电平的列线交叉处的按键就是被按下的按键。AT89S52单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的行线接到P1口的低4位，键盘的列线接到P1口的高4位。行线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把行线P1.0-P1.3设置为输入线，列线P1.4-P.17设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点按键。一个科学的键盘程序应该达到以下的要求：1、检测当前是否有键按下。检测的方法是将P1.4-P1.7输出全设置为“0”，读取此时P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则表示无键按下，否则表示有键按下。2、去除键抖动。当检测到有键按下时，经过延时程序，延时一段时间再做下一步的检测判断。3、若有键按下，应识别出是哪一个键按下。处理方法是对键盘的行线以及列线进行全盘扫描。4、为了达到设计要求，键每闭合一次CPU仅进行一次运行，必须消除键释放时的触点机械抖动的问题。图17 键盘行扫描法扫描流程图图18 键盘输入程序4.6 LCD显示模块程序设计LCD显示模块通过反向器驱动LCD显示器，来显示出当前实时点滴速度。图19 LCD显示程序流程图5系统仿真5.1 程序编译此次设计的程序编译是在keil软件中进行的，步骤如下：第一步：新建工程。在“菜单栏”“Project”“New”“ vision Project”输入要保存的工程名。根据AT89S52单片机的型号选择CPU处理器，如图20所示，然后点击“确定”图20 新建工程第二步：新建文件并保存。文件名要带扩展名。用C语言编写出的程序，文件扩展名为“.c”；用汇编语言编写的程序，文件扩展名为“.asm”。本次设计编程为C语言，所以文件扩展名应为“.c”。点击“保存”选项，如图21所示图21 新建文件第三步：添加新建文件到新建工程。在工程管理器中，鼠标选择并点击”Target 1“,然后右键点击“New Group”选择“Add File to Group Source Groutp 1，如图22所示。图22 添加文件第四步：程序编译。编写完程序以后点击“编译”，选择“Output”窗口，勾选上“Greate HEX Fomat”选项，如图23所示，点击确定。图23 程序编译界面5.2 仿真结果5.2.1 点滴速度检测仿真1.打开Proteus仿真软件，绘制仿真电路图，如图24所示图24 点滴速度检测电路2.程序导入将编译完的“.hex”文件导入到AT89S52单片机中，如图25所示图25 程序导入界面3.开始仿真点击运行仿真，此时LCD显示器点亮并显示“welcome”，如下图26所示图26 点滴速度仿真图其中diandi为当前所测得点滴速度，diandi_H为设定点滴速度。图中4个按钮ON为开始检测，SET为设定diandi_H值按钮，UP为增加设定值，DOWN为降低设定值。分别按下4个按钮，系统出现以下情况 图27 点滴速度显示界面 第一幅图为ON按钮，系统开始检测滴速；第二幅图为按下SET按钮，设定滴速报警值；第三幅图为按下DOWN按钮，设定滴速报警值减小到20滴/min，此时系统报警；第四幅图为按下UP按钮，设定滴速报警值增加到150滴/min。当diandi值高于diandi_H值时蜂鸣器报警，diandi_H的值上限为150滴/分，下限位20滴/分。5.2.2 点滴速度控制仿真1.打开Proteus仿真软件，绘制仿真电路图，如图28所示图28 点滴速度控制电路2.程序导入将编译好的电机控制程序导入Proteus中模拟的AT89S52单片机中，具体操作步骤跟点滴速度检测程序的导入方法相同。3.开始仿真点击运行仿真，系统出现如下图29所示画面图29 点滴速度控制仿真图 其中LCD显示器SPEED为电机实时的转速（n/min）,RUN START显示的是电机当前转动状态（CW为正转，CCW为反转），电机正转带动药瓶上升，点滴速度变大；电机反转带动药瓶下降，点滴速度变小。4个按钮中从上到下依次为加速按钮、减速按钮、正转按钮和反转按钮。考虑到如果当点滴速度很小时，要缓慢的增加滴速所需要的时间可能较长，所以电机设计了加速和减速功能。分别按下4个按钮系统出现以下几种情况： 图30 电机正反转显示界