[摘要] 该装置实时地监测液体点滴速度，通过单片机对信息的分析和处理，由主机发出相应的指令，调整系统的工作平稳，构成了一个高性能的闭环控制系统。实现了对点滴输液速度的直观监测，同时对一些异常情况的出现可实施 警。利用该装置还能通过主控平台对各个分立系统信息实施自动化、智能化的集中处理。能方便、简易的操作和使用，对医疗具有很强的实用性。
[关键词] 实时监控 红外传感 闭环控制 步进电机
- 方案设计与论证
根据题目要求和原输液装置的特点，提出以下三种方案：
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- 方案一
直接在滴斗处用两电极棒的方法。
此方案的传感器采用简单的液体导电原理，在滴斗处安装两个电极。当水滴落下时，电极导通，从而使待测量的变化转化为高低电平电信 。采用伺服电机改变系统装置中液瓶与受液瓶的高度，达到改变点滴速度，从而进行控制。
2、方案二
把通过电机改变系统装置高度的方法，改为控制步进电机对输液管进行压缩或缓松，从而实现对点滴速度的改变。采用交流电动机控制H2的高度。即采用红外传感器测量滴斗滴液，送至单片机接口计数，通过数字模拟转换，将其转换为4—20MA标准电流值，同时通过键盘输入给定每分钟的滴数，再将此滴数将其转换为4—20MA标准电流值，将此两个信息同时进入数字PID调节器。通过偏差计算再输出一组4—20MA标准电流值，通过变频调速器控制电动机调节H2的高度，来控制滴斗滴数。此方案的优点是，完全按目前电气工程标准化运作，可以在很短时间完成。
- 方案三
根据点滴装置的特点，通过对装置的某一位置进行监测和控制，达到对整个系统液体点滴速度的监控。
通过控制输液软管夹头的松紧来控制点滴速度，采用红外传感器测量滴斗滴数，送至单片机接口计数并显示，首先标定两个脉冲（两滴间）间的时间间隔（以10MS为时基单位）。然后计算给定滴斗滴数（通过键盘）的时间间隔（以10MS为时基单位）。将此两个时间间隔进行比较，以决定步进电机运行的方向。该步进电机通过丝杠控制输液软管夹头的松紧，来控制滴斗滴数
4、方案比较
方案一的特点是：实现比较简单容易，原理上也是可行的，但由于本装置用于医疗，电弧的产生，可能对不同的药物有影响，同时传感器（电极）不能重复使用，以防止传染。
方案二通过改用红外传感器，弥补了方案一的不足。但是还存在问题，利用改变高度的方法虽然容易实现，但可控性不好。由此，我们采用了第三种方案，通过挤压输液管的办法来实现对点滴速度的控制。
- 系统原理框图
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主要电路原理与设计
- AT89C51单片机基本系统 控制与数值信 处理的核心采用AT89C51单片机，采用串口工作方式。电路如图3。
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- 显示与键盘 如图4
利用74LS164进行串行动态9位数码管显示，74LS164的主要功能是8bits的串入并出数据处理。电路结构简单，功能强大。采用中断和查询的方法，设计的4键键盘的形式，利用单片机的灵活编程，扩展其键入功能。
3、红外传感和信 处理 采用红外线的发射和接收装置，它可用来检测包括液体在内的各种透明体、半透明体、不透明体，从而可以灵敏地反应水滴滴下。利用光电耦合器对电信 进行处理，减少干扰。
- 步进电机驱动和控制
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四、系统软件工作流程 如图7 到 图12 1、软件设计： 软件部分参考流程图，这里主要讲述一下软件编写过程中的几个细节部分。 如前所述，我们计算滴水速度的原理是通过求出2个水滴之间的时间差，通过分析，我们通过定时器建立一个基准时钟，该基准时钟有2个字节单元，分别秒单位和10毫秒单位的数值。在每次传感器送来中断的时候调用“传感测量”子程序，在该子程序中，我们在取当前触发时间时，先把上一个脉冲发生的时间保存在“历史寄存器”中，然后再更新“当前寄存器”的值，即取当前脉冲的发生时间。这样我们就记录下了2个时间（连续）值。 中断前：
中断时： 注：箭头方向为中断时的赋值方向 图7 由于基准时钟是以10毫秒为最小单位的，而对于频率范围在20Hz~150Hz的脉冲而言，因为我们在后边的求滴速中要用到10毫秒单位值，而水滴的下落并不能保证绝对的规则，经测试发现，每一次求差后的值总有几个单位毫秒的变动，这个变动就导致了最终运算出来的滴速值的大幅度变化，后来惊观察发现这种误差可以归为周期性误差，所以为了消除这个误差，我们不是简单地只取一个差值，相反，我们是取了10个差值，然后再求平均值，这样处理的最大一个好处是可以使周期性误差的正、负偏差互相抵消，在很大程度上消除上述误差。 前面的处理虽然可以提供一个比较接近真值，对于最终显示出来的影响不大，但当要用这个值去控制滴速夹时，很明显这样处理的结果降低了控制的响应度；而另一方面，对于滴速夹的控制，因为我们采用的是步进电机，而且我们对步进电机的转轴又进行了改造，加了一个螺纹栓，可以保持滴速夹控制端的位置，所以我们在每采集一个脉冲间隔时就进行滴速的更改控制，这样可以提高控制设备的响应速度。所以在本系统中对于建立一个科学合理的系统模型是很有必要的。 在对滴速进行控制时，我们借鉴了PID算法，建立了一个闭环控制状态，利用类似于锁相环的模型：即把设定的滴速和当前的滴速进行比较，输出一个差值，利用这个差值的极性来决定电机的正反转，并拉小这个差值直至最小。因为每检测到一个传感信 ，我们就把设定值和当前值进行比较，这样不仅提高了设备的响应速度，而且由于我们这个系统的基准时钟是以10毫秒为单位了，因为我们能分辨到10毫秒的数量级，可以使当前值非常接近我们所设定的设定值。 这一点可以参照电机控制的流程图。（图12）
2、程序流程图
3、源程序： 时间基准缓冲区：秒55h 0.01秒56h 键盘设置缓冲区：秒57h 0.01秒58h 传感测量缓冲区：前次—秒51h 0.01秒52h 当前—秒53h 0.01秒54h 差值—秒4fh 0.01秒50h 最终显示缓冲区：选择值：54h测定值5ah 5bh 5ch 设置值 5dh 5eh 5fh R4用于步进电机的步进记忆 org 0000h ajmp main org 0003h ajmp jpint ;int0 org 000bh ajmp times ;t0 org 0013h ajmp cgint ;int1 org 0040h main:mov sp,#60h ;设置堆栈 mov 41h,#00h mov 42h,#00h mov 43h,#00h mov 44h,#00h mov 45h,#00h mov 46h,#00h mov 47h,#00h mov 48h,#00h mov 4fh,#00h mov 50h,#00h mov 51h,#00h mov 52h,#00h mov 53h,#00h mov 54h,#00h ;初值设置 mov 55h,#00h mov 56h,#00h ;以上为时间初值 mov 54h,#00h mov 57h,#00h ;初值显示为00 mov 58h,#00h mov 59h,#00h mov 5ah,#00h mov 5bh,#00h mov 5ch,#00h mov 5dh,#00h mov 5eh,#00h mov 5fh,#00h mov r7,#00h
利用示波器观察红外传感电信 是否规则。若不规则，说明传感器转化的电信 需要进一步处理，或者是传感器本身有问题，需要检查。直到有规则的方波输出为止。 用数字计数器对液滴计数。在系统电路工作时，用数字计数器的表笔从传感器转化的电信 输出端相接，对点滴数计数与系统显示做比较，从而进一步校正电路测量的准确度。
单机测量： 与计数器比较：
实物图： |
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