以89C51單片機為核心控制器件的液體點滴速度監控系統設計

2020-12-25 電子發燒友

以89C51單片機為核心控制器件的液體點滴速度監控系統設計

工程師黃明星 發表於 2018-08-15 17:12:03

1. 引言

液體點滴速度控制系統對於大型醫院來說是一套能夠提高效率和服務質量的控制設備，特別是遠程監控功能能使護士站對於病人的點滴狀況進行實時監視，並可根據病人狀態調節點滴速度。目前市場上點滴控制系統不少，本文的設計點在於低成本，僅使用最廉價89C51單片機以及普通的元件實現整套系統。

2. 系統設計要求

2.1． 從站設計要求

A．在滴鬥處檢測點滴速度，並使用數顯裝置動態顯示點滴速度（滴/分）。

B．通過改變點滴瓶高度控制點滴速度，點滴速度可用鍵盤設定並顯示，設定範圍為20—150（滴/分），控制誤差範圍為設定值+/-10%+/-1 滴。

C．系統調整時間《=3 分鐘。

D．當點滴瓶裡的液面低於警戒值時，能發出報警信號

2.2． 系統通訊設計要求

設計並製作一個由主站控制16 個從站的有線監控系統

A．主站功能：具有定點和巡迴檢測兩種方式；可顯示從站傳輸過來的從站號和點滴速度；在巡迴檢測時，住站能任意設定要查詢的從站數量，從站號和各從站的點滴速度；受到從站發來的報警信號後，能聲光報警並顯示相應的從站號；可用手動方式解除報警狀態。

B．從站功能：能輸出從站號，點滴速度和報警信號；從站號和點滴速度可以任意設定；接收主站設定的點滴速度信息並顯示；對異常情況進行報警。

C．主站和從站間的通信方式不限，通信協議自定，但儘量減少信號傳輸的數量。

3. 系統設計框圖

圖1 系統設計圖

4. 硬體設計方案與論證

4.1． 點滴速度檢測方案

本文使用槽型光電耦合器。由KODENSHI 公司的photointerrupterLG-207 的內置的放大器和施密特集成電路和LITEON 公司的加指示燈。在槽型光耦輸出信號口接發光管。因為該耦合 器輸出的是經過整形的脈衝信號，單片機很容易就能讀到，該脈衝同時驅動的指示發光管，能很直觀清晰的了解水滴下落的檢測情況，所以此裝置十分適合用於水滴滴速的檢測。

圖2 槽型光耦電路原理圖

4.2． 液面檢測報警方案

由發光二級管和光電三級管組成的光電傳感器。發光二級管和光電三級管分別固定在警戒位置的兩側，保證發光二極體發出的紅外光和接收的三級管水平，光電三級管可以接收到發光二極體發出的紅外光。當液面的高度正常時（高於警戒位），輸出一個4.2V 的高電平。若液面的高度低於警戒位，此時光點三級管輸出的是一個0. 2V 的低電平。在兩種情況下的輸出電壓有明顯的跳變，可以直接將低於警戒位三級管發出的低電平作為報警信號送給單片機。

4.3． 電動機驅動方案

方案一： 直流電動機驅動。直流電機的優勢在於：可以自鎖，且帶負載能力強，在12V的電壓下電動機運行平穩。當電動機停止運行時，能很容易的拖住的輸液瓶，使其停穩在相應的位置上。這種優點對於調節滴液瓶的高度比有利。但是直流電機不可避免地使電動機的起停產生延時。這樣的拖動對提高輸液瓶定位的精度和點滴速度控制來說有些不利。控制電路採用慢速繼電器對電動機的開或關進行控制，只要有12V 的電壓就能通過開關的切換對電機進行的正反轉進行調整。電路簡單容易實現。

方案二： 4 相8 拍步進電機。向步進電機每發一個脈衝，電機轉動0.9 度（步進度為0.9 度/Step）。這樣的性能對於精確控制十分有利。但是步進電機也存在明顯的不足：不能自鎖，負載能力不如直流電機，驅動電流較大，運行時容易失步。電機停止運行時，由於拖動的是象輸液瓶這樣較重的負載而不能停穩，導致滴液瓶高度上的變化。

綜合各方面指標，特別是考慮到電機的帶負載能力，本文決定採用了直流電動機的拖動方案來實現。

4.4． 數字顯示方案

採用字符式LCD（Liquid Crystal Display）顯示［3］。可以用數字、部分符號和英文顯示較為清晰的提示，實現相對簡單，且對於本系統的點滴速度的動態顯示，足以滿足要求。

4.5． 滴速調節按鈕設定方案

每個按鈕開關都接10K 的下接電阻，使其處於關斷狀態輸出位低電平，而非浮空狀態［4］。要進行設定之前首先要按下「Ctrl」按鈕，輸出高電平給單片機的P0.5，說明設定開始。之後若按下按鈕「++」，輸出高電平給單片機的P0.6；若按下按鈕「--」，輸出高電平給單片機的P0.7。退出設定，要求同時給P0.6 和P0.7 以高電平，即需要同時按下按鈕「++」「--」對單片機進行說明。

4.6． 系統報警

聲光報警。一旦接收到報警信號，立即啟動鳥叫門鈴報警電路

5. 軟體設計

5.1． 單片機部分

單片機最小系統採用89C51 處理器，是整個硬體系統的核心。主要負責實現設定速度並顯示；現場點滴的脈衝讀入和現場點滴速度的檢測和顯示；接收液面檢測的報警信號，實現報警。

5.2． 點滴速度的測量顯示

方案一：以15 秒鐘為單位（滴/15 秒）進行點滴速度的測量，得到的速度值轉換成 以1 分鐘為單位的要求的速度（滴/分）。考慮此方案是由於設計要求在3 分鐘之內調整到設定速度，若直接採用（滴/分）作為單位，就沒有足夠的調整時間，而且以15 秒為單位的速度不會變化太大，對於電機的控制來說，更為平穩。

方案二：測連續兩滴液滴的下落時間間隔t，再轉化成每分鐘的點滴數。由於每兩滴液滴的下落時間間隔會有所偏差，導致最終轉換的結果會有所誤差，故不採用。

5.3． 軟體流程圖

A. 轉速控制流程圖

圖3 直流電機控制流程圖

B. PC 主站與多個從機通訊程序流程圖

圖4 主從站通訊監控流程

5.4． 通訊協議

主從站的通訊需要一定的通訊協議，本問所使用的通訊協議如表1。

例如，主站要向某從站查詢該從站的當前狀態：主站每隔0.2s 向從站發送一個查詢命令：「機號（30H~3FH）+ 查詢字（0A0H）」;從站送回狀態：「機號+當前滴液速度+是否有報警」。

6. 系統測試

通過實際測試，自帶整形電路的光電耦合器在透過滴液管的透明管壁後仍可以精確地測試到每滴液滴。通過置與滴液 架頂的滑輪，直流電機完全可以控制滴液瓶的升降。雖然理論上直流電機的控制精度不如步進電機精確，但是通過PI 算法，並使每次直流電機都只行走超調值的1/2 行程，系統仍然能夠在3 分鐘能達到所需要的液滴穩定值。

7. 結論

採用電機控制液面高度，利用壓強的變化來改變點滴管內的點滴速度的系統，再加上主站遠程監控，能夠有效低降低醫護工作者的壓力。本系統可以以級少的成本與設備佔用空間實現，另外，如果增加乙太網接口，則可使本系統完全滿足大型醫院的需要。

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