液体点滴速度监测与控制系统设计

液体点滴速度监测与控制系统设计 液体点滴速度监测与控制系统设计 摘要摘要 目前医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定的高度上 利用势能 差将液体输入到病人的体内 图1 通过软管口径的压紧和放松来控制点滴速 度 有经验的医护人员可以根据药剂的特性对点滴速进行控制 但是一般的病 人却无法做到 控制不好还有一定的危险性 在一些大医院一个护士常常需要 负责十几个 甚至几十个床位的液体点滴 很容易出现混乱局面 导致工作效率 降低 为了提高医院本身的管理水平和工作效率 减轻医护人员的劳动强度 对 于可以进行自助式护理的病人来说 需要一种可以由病人自己操作 自动定时 定量向病人进行输液的装置 而对于医护人员来说 需要一种可以对所有的病 人进行统一监控的智能监控装置 本设计就是针对以上问题而做的智能型液体 点滴速度监控装置 设计要求为能有以下几种功能 1 检测输液点滴速度 2 检测输液点滴高度 3 控制点滴速度 4 显示点滴速度 5 能设置点滴速度 关键词 势能差 软管口径 劳动强度 智能监控装置 势能差 软管口径 劳动强度 智能监控装置 液体点滴速度监测与控制系统设计 目录目录 第一章 系统方案选择与论证 1 1 1 题目要求 1 1 1 1 基本要求 1 1 1 2 发挥部分 1 1 1 3 说明 2 1 2 系统基本方案 2 1 2 1 系统各个模块的选择与论证 3 1 2 2 系统最终方案确定 4 第二章 系统的硬件设计与实现 5 2 1 系统硬件的基本组成部分 5 2 2 主要单元电路设计 5 2 2 1 点滴速度测量电路设计 5 2 2 2 储液检测电路 6 2 2 3 点滴速度控制电路设计 7 2 2 4 键盘显示电路 9 第三章系统的软件设计 10 3 1 检测点滴速度子程序 11 3 2 储液检测子程序 11 3 3 点滴速度控制子程序 12 3 4 键盘显示子程序 12 3 5 系统的主程序设计 14 附录 程序清单 16 致谢 26 液体点滴速度监测与控制系统设计 1 第一章第一章 系统方案选择与论证系统方案选择与论证 1 11 1 题目要求题目要求 设计并制作一个液体点滴速度监测与控制装置 1 1 1 基本要求 1 在漏斗处检测点滴速度 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 也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其 他方式来控制点滴速度 点滴速度可用键盘设定并显示 设定范围为 20 150 滴 分 控制误差范围为设定值 10 1 滴 3 调整时间 3min 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 2 3cm 时 能发出报警信号 1 1 2 发挥部分 设计并制作一个有主站控制 16 个从站的有线监控系统 16 个从站中 只有 一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置 其他从站为模拟从站 仅要求制作一个模拟从站 1 主站功能 a 具有定点和巡回检测两种方式 b 可以显示从站传过来的从站号和点滴速度 c 在巡回检测时 主站能任意设定要查询的从站数量 从站号和各个从站 的点滴速度 d 能收到从站发出来的报警信号后 能声光报警并能显示相应的从站号 可以手动方式解除报警状态 2 从站功能 a 能够输出从站号 点滴速度和报警信号 从站号和点滴速度可以任意设 定 液体点滴速度监测与控制系统设计 2 b 接收主站设定的点滴速度信息并显示 c 对异常情况进行报警 3 主站和从站家的通信方式不限 通信协议自定 但应该尽量减少信号传 输线的数量 4 其他 1 1 3 说明 1 控制电机类型不限 其安装位置与安装方式自定 2 储液瓶用医用 250ml注射页玻璃瓶 瓶中为无色透明液体 3 受液瓶用 1 25L的饮料瓶 4 点滴器采用针柄颜色为深蓝色的医用一次性输液器 滴管滴出 20 点水相 当 与 1ml 0 1ml 5 赛区测试时 仅提供医用移动式点滴支架 其高度约为 1 8m 也可以自带 支架 测试所需其他设备自备 6 滴速夹在测试开始后不允许调节 7 发挥部分第 2 项从站功能中 c中的异常情况自行确定 1 2 系统基本方案 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 系统的基本 框图如图 1 2 1 所示 液体点滴速度监测与控制系统设计 3 图 1 2 1 系统基本框图 1 2 11 2 1 系统各个模块的选择与论证系统各个模块的选择与论证 1 点滴速度测量 方案一一 采用电感式传感器测量点滴速度 在输液器的漏斗外围绕线圈作 为敏感元件 当液滴滴下是电感量发生变化 通过LC振荡电路后输出变化的频 率值 经过F V变换电路及电压比较后输出TTL电平信号来检测点滴速度 此方 案测量精度比较高 但是外围电路比较复杂 方案二 采用红外对管发射接收 采用断续式的工作方式 在点滴落下时 阻挡了接收管接收红外线 产生高电平的脉冲信号 为了提高抗干扰能力 可 以采用两对红外传感器一发一收 而不是只用一只传感器以反射式状态工作 红外传感器有以下优点 尺寸小 质量轻 安装在滴斗上较简单 对辅助电路 要求少 在近距可以用直流发射 电路简单 性能稳定 此方案简单 较容易 实现 2 储液检测电路 题目要求是在储液瓶中的液位低于 2 3cm时发出报警信号 在此是关键如 何检测到液位的高度 报警较易实现 检测液位有多种方法 方案一 同点滴速度测量模块 仍然采用红外对管发射接收 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 方案二 采用称重传感器检测 利用称重传感器检测总质量 并与实际测 量中当液体液面达到设定位置时的总质量相比较 根据液体体积与质量的关系 当测量总质量与设定值相等时发出报警 方案三 用测定电容的方法来检测 在瓶壁上用两块薄金属箔包裹构造出 液体点滴速度监测与控制系统设计 4 一个电容 根据电容中的介质不同 可以确定是否达到警戒水位 此数据可以 由实验中得出 3 电机控制系统 点滴速度控制 模块 利用电机来控制调节点滴的速度有两种方案 方案一 通过改变滴斗到受液瓶的高度H2 来调节点滴的速度 由电动机带 动储液瓶使储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度H2 从而调节点滴速度 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 不过滴速夹用于大范 围的调节滴速 难以控制 适用于粗调 4 键盘显示单元 根据题目条件 滴速的大小要由人工设定的 滴速的设定值与调整值都可 以在键盘上显示 对于其显示有以下的两种方案 方案一 采用液晶显示屏和通用矩阵键盘 液晶显示屏 LCD 具有功耗 小 轻薄短小无辐射危险 平面直角显示以及影象稳定不闪烁 可视面积大 画面效果好 抗干扰能力强等特点 但由于只需显示三位温度值 信息量比较 少 且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号 需要利用控制芯片创建字符库 编程工作量大 控制器资源占用较多 其成本也偏高 方案二 采用三位LED七段数码管显示点滴数目 按键采用单列三按键 数码管具有 低能耗 低损耗 低压 寿命长 耐老化 对外界环境要求较低 同时数码管采用BCD编码显示数字 程序编译容易 资源占用较少 1 2 21 2 2 系统最终方案确定系统最终方案确定 根据以上方案的论证分析 结合器件与设备等因素 系统各模块方案确定 如下 1 点滴速度测量采用红外对管发射接收方式 2 储液检测电路仍然采纳红外对管发射接收装置 3 点滴速度控制是利用电动机正反转来调节储液瓶的高度来实现的 4 键盘显示用的是单列三按键数码来显示的 液体点滴速度监测与控制系统设计 5 第二章第二章 系统的硬件设计与实现系统的硬件设计与实现 2 12 1 系统硬件的基本组成部分系统硬件的基本组成部分 本题目中运用了检测技术 自动控制技术和电子技术 系统可以分为传感 器检测部分和控制部分 传感器检测部分 系统利用红外对管发射接收即光点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 储液检测电路 智能控制部分 系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进行逻辑 判断 控制点滴的速度及数码管的显示 完成了点滴装置的自动检测 自动调 速 数码显示及报警功能等各项任务 开控制部分主要包括 3 个电路 单片机 控制电路 电动机的驱动电路 数码管的动态显示电路 2 22 2 主要单元电路设计主要单元电路设计 2 2 1 2 2 1 点滴速度测量电路设计点滴速度测量电路设计 采用红外对管发射接收测量点滴速度 其电路原理图如图 2 1 1 所示 液体点滴速度监测与控制系统设计 6 图 2 2 1 1 点滴速度测量电路 由电路图可以看到 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 产生一个较长的脉动 但是波形不是太好 需要经过一级施密特触发器整形 输出一个正向的脉冲信号送给单片机中断口 据此就可以正确的测出液滴的滴 数 即点滴的速度 滴 分 2 2 2 2 2 2 储液检测电路储液检测电路 储液检测电路图仍然是和点滴速度测量电路一样 只是所接单片机的接口 不同 其电路图如 2 1 2 图所示 该电路图的原理和点滴雕塑度检测电路的原理是一样的 由于红外光在水 中和空气中的吸收系数不同 从而通过空气和水后的光强也是不同的 其报警信号也是由储液信号来决定的 当储液的液面的高度为 2 3cm后 会由红外对管发射接收产生检测信号 即为报警信号 液体点滴速度监测与控制系统设计 7 图 2 2 2 储液检测电路 2 2 32 2 3 点滴速度控制电路设计点滴速度控制电路设计 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 图 2 2 3 所示的电路为电动机的速度采集电路 在电动机上安装一个连 杆 连杆的另一头接S1 开关 每当电动机旋转一周 四S1 开关闭合一次 则通 过单片机的P3 2 口就可以送入一个计数信号 在单位时间内观察计数值即可的 到电动机的转速 液体点滴速度监测与控制系统设计 8 图 2 2 3 电机的转速采集电路 点滴的控制其实是靠单片机检测滴速 得到一个反馈量 输出一定信号驱 动电动机 控制电动机的正转或反转 进而带动储液瓶的上升或下降来调节滴 斗的高度即控制点滴的速度 电动机驱动电路就如图 2 2 4 示 图 2 2 4 路采用的是H型的开关驱动电路 整个的电路可以分为两级 第 一级接单片机的I O口 用射级跟随电路加大电流的驱动能力 第三级才是驱动 电路 当P3 0 为高电平时 Q5 导通 Q3 Q7 导通 电动机两端的电压为 5V 电动机正转 当P3 1 为高电平时 Q6 导通 Q4 Q8 导通 电动机两端的电压 为 5V 电动机反转 液体点滴速度监测与控制系统设计 9 图 2 2 4 电动机驱动电路 本电路采用的是H型的开关驱动电路 整个的电路可以分为两级 第一级 接单片机的I O口 用射级跟随电路加大电流的驱动能力 第三级才是驱动电路 当P3 0 为高电平时 Q5 导通 Q3 Q7 导通 电动机两端的电压为 5V 电动机 正转 当P3 1 为高电平时 Q6 导通 Q4 Q8 导通 电动机两端的电压为 5V 电动机反转 点滴控制靠单片机检测滴速 得到一个反馈量 输出一定信号控制电机上 升或下降调节滴斗的高度 2 2 2 2 4 4 键盘显示电路键盘显示电路 由于本系统中采用动态显示方式驱动 3 个七段数码管 来显示点滴的速度 数码管采用共阴极 由于AT89C52 单片机每个I O的拉电流只有 1 2mA 所以在 位码和段码都加上了反向驱动器 键盘采用按键开关经上拉电阻分别接P1 0 P1 1 P1 2 口上 起到确定 上调和下调作用 每按上调和下调键 设定速度值增 1 减 1 单片机 XTAL2 XTAL1 接 12MHZ晶振 提供系统时钟基值 另RESET接上电复位按键 原 理图如图 2 2 5 示 液体点滴速度监测与控制系统设计 10 图 2 2 5 键盘显示电路 第三章第三章系统的软件设计系统的软件设计 系统的软件设计采用汇编语言 对单片机进行编程来实现各项功能 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 液体点滴速度监测与控制系统设计 11 3 13 1 检测点滴速度子程序检测点滴速度子程序 检测点滴速度子程序主要是用与系统信号的采集 经过光电传感器采集 后由施密特触发器整形 输出到单片机的端口送入单片机内部 检测点滴速度 子程序如图 3 1 1 所示 图 3 1 1 检测点滴速度子程序 3 23 2 储液检测子程序储液检测子程序 本程序主要是用于测量储液瓶内部的液位高度的 当液位低于 2 3cm时 发出报警信号 如果液位的高度不在此区间内 则点滴的速度照常采集 并送 入单片机内部 其储液子程序流程图如图 3 2 1 所示 图 3 2 1 储液子程序流程图 液体点滴速度监测与控制系统设计 12 3 33 3 点滴速度控制子程序点滴速度控制子程序 根据题目的设计要求 首先读出 6 秒内的点滴的数目 将一分种平均划分 成十分 进而得到当前的点滴的速度 根据其设定的速度值与当前的点滴的速 度的误差来确定电动机的正转与反转 即控制储液瓶的位置的高低 进一步影 响下一个 6 秒内的点滴的速度 如此的循环往复 其点滴速度的电动机控制程 序流程图如 3 3 1 所示 图 3 3 1 点滴速度的电动机控制程序流程图 3 43 4 键盘显示子程序键盘显示子程序 键盘及显示字程序主要是用于判断速度有没有调整的动向和点滴速度的显 示 包括当前值和设定值 其程序流程图如 3 4 1 所示 液体点滴速度监测与控制系统设计 13 图 3 4 1 系统键盘显示子程序 液体点滴速度监测与控制系统设计 14 3 53 5 系统的主程序设计系统的主程序设计 图 3 5 1 系统主程序流程图 液体点滴速度监测与控制系统设计 15 参考文献 1 单片机应用开发实用子程序 边春元等 编著 人民邮电出版社 2005 2 全国大学生电子设计大赛培训系列教程 高吉祥 主编 电子工业出版社 2007 3 单片微型计算机原理及应用 张毅坤等 编著 西安电子科技大学出版社 1998 4 微型计算机接口技术 王兆月等 编著 机械工业出版社 2006 5 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 2003 北京理工大学出版社 2005 6 严天峰 89C51 单片机I O口模拟串行通信的实现方法 电子世界 2001 2 P34 7 王关健 单片机智能温控电路 电子世界 2001 11 P28 8 吴义彬 继电器用户实用手册 第一版 国防工业出版社 杨其芳 1992 6 出版 第二章 选用导则 P38 P40 5 吴义彬 继电器用户实用手册 第一版 国防工业出版社 杨其芳 1992 6 出版 第七章 基本应用电路原理 P94 P95 9 杨荫彪 特种半导体器件及其应用 第一版 电子工业出版社 王昌喜 1991 出版 第十二章 半导体光敏器件 P143 P153 10 杨荫彪 特种半导体器件及其应用 第一版 电子工业出版社王昌喜 1991 出版 第十章 半导体发光器件 P97 P99 11 谈文心 运放及模拟集成电路 第一版 国防工业出版社 刘本鸿 1986 出 版 第二章 集成运算放大器的应用 P58 P61 液体点滴速度监测与控制系统设计 16 附录 附录 1 主要元器件清单 元元 件件 数量数量 AT89S51 1 个 555 3 个 红外对射光电二极管 3 个 7404 2 片 D1207 2 个 A928A 2 个 按键 4 个 排阻 1 1K 1 个 晶振电路 1K 数码管 3 个 附录 程序清单 系统的设计的如件程序清单如下 SDDD DATA 30H 液体点滴速度监测与控制系统设计 17 MC1 DATA 31H MC2 DATA 32H MC3 DATA 33H MC4 DATA 34H MC5 DATA 35H MC6 DATA 36H MC7 DATA 37H MC8 DATA 38H MC9 DATA 39H MC10 DATA 3AH CJDD DATA 40H XS1 DATA 41H XS2 DATA 42H XS3 DATA 43H K ENTER BIT P1 0 K JIA BIT P1 1 K JIAN BIT P1 2 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0013H LCALL INT1 ORG 001BH LCALL T1 ORG 0100H MAIN MOV SP 60H 给堆栈指针赋初值 液体点滴速度监测与控制系统设计 18 MOV TMOD 14H 定时器 1 在模式 1 下工作 计数器 0 工作在模式 0 MOV TL1 0B0H 定时器每 50ms产生一次溢出 MOV TH1 3CH SETB ET1 使能定时器 1 中断 SETB IT1 边沿触发 SETB EX1 开外部中断 1 SETB EA 使能总中断 SETB TR1 开始计时 MOV TL0 00H MOV TH0 00H SETB TR0 开始计数 MOV R5 0AH MOV R6 0FFH MOV R7 78H MOV R0 MC1 CLR P1 7 MOV SDDD 64H MOV CJDD 78H MOV MC1 78H MOV MC2 00H MOV MC3 00H MOV MC4 00H MOV MC5 00H MOV MC6 00H MOV MC7 00H MOV MC8 00H MOV MC9 00H MOV MC10 00H 液体点滴速度监测与控制系统设计 19 LOOP MOV A MC1 ADD A MC2 ADD A MC3 ADD A MC4 ADD A MC5 ADD A MC6 ADD A MC7 ADD A MC8 ADD A MC9 ADD A MC10 MOV CJDD A LCALL JPCL MOV R2 CJDD LCALL SJCL 数据处理程序 LCALL DISPLAY 调用数码管显示子程序 LCALL DIANJI AJMP LOOP T1 PUSH PSW PUSH ACC DJNZ R7 TC1 MOV R7 78H MOV R0 TL0 INC R0 MOV TL0 00H 液体点滴速度监测与控制系统设计 20 MOV TH0 00H CJNE R0 3BH TC1 MOV R0 MC1 TC1 MOV TL1 0B0H MOV TH1 3CH POP ACC POP PSW RETI INT1 PUSH PSW PUSH ACC SETB P1 7 POP ACC POP PSW RETI JPCL JB K ENTER QUIT LCALL K DELAY JB K ENTER QUIT LOOP2 MOV R2 SDDD LCALL SJCL LCALL DISPLAY JB K JIA QUIT1 LCALL K DELAY 液体点滴速度监测与控制系统设计 21 JB K JIA QUIT1 LCALL JIA QUIT1 JB K JIAN QUIT0 LCALL K DELAY JB K JIAN QUIT0 LCALL JIAN QUIT0 DJNZ R5 LOOP2 MOV R5 0AH DJNZ R6 LOOP2 QUIT MOV R5 0AH MOV R6 0FFH RET JIA MOV A SDDD INC A MOV SDDD A CJNE A 96H TC2 MOV SDDD 14H TC2 MOV R5 00AH MOV R6 0FFH RET JIAN MOV A SDDD DEC A 液体点滴速度监测与控制系统设计 22 MOV SDDD A CJNE A 14H TC3 MOV SDDD 96H TC3 MOV R5 0AH MOV R6 0FFH RET K DELAY SETB PSW 4 SETB PSW 3 MOV R5 0C8H JOOP1 MOV R4 0FFH JOOP2 DJNZ R4 JOOP2 DJNZ R5 JOOP1 CLR PSW 4 CLR PSW 3 RET SJCL MOV A R2 MOV B 64H DIV AB MOV XS1 A MOV A 0AH XCH A B DIV AB MOV XS2 A MOV XS3 B RET 液体点滴速度监测与控制系统设计 23 DIANJI CLR C MOV A CJDD CJNE A SDDD LOOP3 CLR P1 6 CLR P1 5 AJMP TC4 LOOP3 JC LOOP4 SUBB A SDDD CJNE A 05H LOOP5 AJMP TC4 LOOP5