一種醫用液體點滴速度監控系統的設計

華旭奮,趙 勇

(無錫職業技術學院機電技術學院,江蘇 無錫 214121)

一種醫用液體點滴速度監控系統的設計

華旭奮,趙 勇

(無錫職業技術學院機電技術學院,江蘇 無錫 214121)

利用單片機控制程序結合現代傳感器技術的電子自動化的產品,它結合了許多電子裝置最基本的功能:利用單片機對傳感器送來的數據進行處理,然后將處理后的數據送到執行機構執行,以達到自動控制的目的。系統不需要對儲液瓶進行實時的人工監控,這在一定程度上減輕了人的工作量,釋放了工作時間,提高了工作效率。

點滴速度;步進電機;光電傳感器;單片機

20世紀90年代,電子技術的迅猛發展,特別是傳感器和大規模集成電路的發展,推動了現代電子產品在社會各個領域的發展,并且對社會生產力的發展和社會信息化程度的起到了促進作用,同時也使現代電子產品性能進一步提高。生產生活的自動化程度越來越高,自動化控制的程度越來越高,功能越來越人性化,這些自動化的產品已經滲透到生產生活的每個方面。液體點滴速度監控裝置在這個大背景下就應運而生。

1 方案設計

本設計將利用單片機控制程序結合現代傳感器技術的電子自動化的產品,利用單片機對傳感器送來的數據進行處理,然后將處理后的數據送到執行機構執行,以達到自動控制的目的。本系統不需要對儲液瓶進行實時的人工監控,這在一定程度上減輕了人的工作量。釋放了工作時間,提高了工作效率。

具體說,檢測單元是光電傳感器,主要完成點滴速度的檢測,和警戒線的檢測,為控制單元提供數據。控制單元是單片機,它主要對傳感器送來的數據進行相應的處理,然后將處理后的數據送到執行機構,由執行機構對控制對象進行相應的調整,以達到目的。執行機構是以步進電機為核心的機械控制部分,它受單片機的控制,改變儲液瓶的高度,從而改變液滴的滴速,而改變后的點滴速度又由檢測單元檢測,如此循環往復,最終達到相對的平衡狀態。

在本系統中,檢測單元主要是,光電傳感器;控制單元以A T89S52為核心,加少量的輔助控制芯片的單片機系統;執行機構主要是可控性較高的混合式步進電機。本設計的系統框圖如1所示:

圖1 系統框圖Fig.1 System diagram

2 硬件設計

2.1 點滴速度檢測電路設計

采用槽型光耦器件。檢測原理見圖2。

圖2 槽形光耦檢測原理Fig.2 S lotted op to detection p rincip le

根據光學折射原理,光線在穿透密度不同的介質時,在交界面將產生反射與折射。將滴管放置在檢測用槽形光耦的中間,在檢測過程中,液滴呈近橢圓狀向下作加速運動并通過槽型光耦,由于液滴的表面是曲面,所以上半部與下半部將光線兩次折射,使接收端接收不到光而產生兩次高電平,僅在液滴中部光線可以直射穿過,使接收端輸出低電平,從而實現計數功能。

滴速檢測是整個系統的核心,檢測精度是衡量系統精確性的一個最重要指標。為了增加單位時間內的計數脈沖從而提高計數精度,采用了上下兩個光耦共同工作的方式。這樣每個液滴就得到了4個高電平脈沖。利用示波器觀測波形如圖3。但是單片機是對負跳變脈沖進行計數的,所以要對兩路光耦信號進行“或非”處理,產生負跳變脈沖,供單片機計數使用。產生的脈沖數經過單片機處理后,得到相應的點滴速度。具體檢測電路如圖4。

圖3 兩路光耦器件輸出的脈沖波形Fig.3 Tw o pu lse ou tpu t op tocoup ler dev ices

圖4 點滴速度檢測電路Fig.4 B it by b it rate detec tion c ircu it

2.2 儲液瓶告警電路的設計

采用紅外發射管和紅外接收管。因為液體對紅外光的傳播有一定的散射作用,所以能夠根據該接收管收到的光強的大小來判斷液位是否達到警戒水位。儲液瓶告警信號一旦為低電平時,單片機立刻轉到中斷服務程序,進行聲光報警。電路如圖5所示。

圖5 儲液瓶告警電路Fig.5 Reserve liquid bo ttle alarm circuit

2.3 鍵盤電路的設計

采用直接讀取的獨立式按鍵。該方案電路設計簡單,且編程極其容易,但是需要不斷地對I/O進行掃描,加長了程序的執行周期。但是在有鍵盤輸入時,立即轉入中斷的服務程序,鍵盤響應效果好,效率高,節省CPU資源。

在本設計中,由于主機要能夠設定和查詢從機的狀態,而從機不需要查詢本機或是其他從機的狀態,所以無需設置查詢鍵,故從機只設置11按鍵。即在主機鍵盤的基礎上去除一個按鍵,在本文中只給出主機鍵盤的電路圖,主機鍵盤電路如圖6。為了節約成本,在本設計中,采用低廉的二極管充當“與”門,電阻R和電容C是防止出現鍵盤誤觸發而進入中斷服務程序,提高鍵盤抗干擾的性能。

2.4 顯示電路的設計

由于本系統最多只需顯示三位點滴數和兩位從機號,信息量比較少,由于數碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化,對外界環境要求較低等特點,同時數碼管采用BCD編碼顯示數字,程序編譯容易,資源占用較少。故采用5位LED七段數碼管顯示點滴數目和從機號。顯示電路如圖7。

圖6 主機鍵盤電路示意圖Fig.6 H ost keyboard circu it d iag ram

在本設計中采用動態掃描的形式來顯示機號和點滴數。在數碼管驅動方面,采用廉價的三極管作為驅動器,節約了設計成本。

圖7 顯示電路Fig.7 D isp lay circuit

2.5 執行機構的設計

綜合考慮設計要求,一方面調節步長要盡可能的小,定位要好;另一方面如果停止信號到來,滑輪能夠快速停止,通過對比,利用步進電機可以自如控制吊瓶的上、下緩移,完全滿足題目的要求,因此選用步進電機。用單片機控制步進電機,具有快速啟停能力,延時短,定位準確,精度高,可操作性強,并且力矩足夠大,確保吊瓶不下滑。

為了降低控制系統對步進電機的誤動作的概率,本設計中是采用專用步進電機控制芯片QA 748036控制步進電機,該芯片采用三相六拍的方式控制步進電機的。

因為QA 748036驅動電流太小,所以必須要對電流進行放大,才能夠有效的驅動步進電機工作,因此在QA 748036的A,B,C三相輸出的后級加了一塊達林頓電流驅動器——M C 1411P。

執行機構是實現系統功能的最終裝置,可靠性一定要高,即在給脈沖方面,盡量避免誤觸發的現象發生,所以在本設計中利用專用的控制芯片提高了執行機構的可靠性。

2.6 通信方案的設計

本系統采用的是RS-485通信協議。由于本設計只有16臺從機,在一個字節中只要用到低四位,所以主機的數據發送方式比較靈活。在現有的單片機串口通信條件下,主機在向從機發送的第一個字節,包含了設置/查詢信息,即當第一個字節的最高位的為1的時候,表示主機向從機發送的是查詢命令;當第一個字節的最高位為0的時候,表示主機向從機發送的是設置命令。即主機可以跟據這個標志,靈活的決定是向從機發送一個字節還是發送兩個字節。在從機接收方面,從機可以根據這個設置/查詢標志來決定是否接收第二個字節;在從機發送方面,可以根據這個標志決定發不發送數據。如果接收的是查詢命令,則發送本機數據;如果接收的是設置命令則把主機點滴數的提取出來進行存儲,并把主機設定的點滴數與當前從機的點滴數對比,之后進行調整。

處理器采用A T89S52,是因為A T89S52才有足夠的資源供從機使用。

3 軟件設計

本系統采用C語言編程。C語言有一個突出的優點就是適合于多種操作系統,同樣也適用于嵌入式系統編程。

4 軟件調試

本系統主要是用Keil uV ision3程序,來調試和編譯的。KEILC 51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發提供了C語言環境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C 51 V 8版本是目前最高效、靈活的8051開發平臺。

5 硬件調試

1)正確安裝硬件。2)檢查硬件的電器連接是否可靠。3)測試系統性能,將測得參數與設計參數比較,若兩者不符,怎修改軟件,重復軟硬件調試的所有步驟,直到兩者相符為止。

6 結 論

液體點滴速度監控系統為一個主從式測控系統,以A T89S52單片機為控制核心。該液體點滴速度監控裝置的最大特點就是使用戶能夠操作簡單、易懂、靈活;且安裝方便、智能性高、誤報率低,同時從機的信號經過單片機系統處理后,可以經過RS-485通信網絡和主機通信,由通訊網絡把主站和多個從站連成一個系統,便于戶統一管理和遠程控制。經實際測試,該系統具有低功耗、準確性高、性能穩定等特點,最大限度釋放了醫護人員的工作量,提高了生活質量和工作的效率。

[1] 劉大茂.單片機原理及其應用[M].上海:上海交通大學出版社,2001.

[2] 余永權.A TM EL 89系列單片機應用技術[M].北京:北京航空大學出版社,2002.

[3] 王廷才.電子線路輔助設計[M].北京:高等教育出版社,2004.

[4] 杜吉祥,喻波.電路設計與制作[M].北京:中國對外翻譯出版公司,1999.

[5] 萬福君,潘松峰.單片機原理系統設計與應用[M].安徽:中國科學技術大學出版社,2008.

[6] 陳隆昌,劉正新.控制電機[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

[7] 許曉峰.電機拖動[M].北京:高等教育出版社,2004.

[8] 馬西秦.自動檢測技術[M].北京:機械工業出版社,2008.

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

華旭奮(1982— ),女,江蘇常州人,助教。