基于单片机模糊控制的输液速度自动调节系统.pdf

1、自动化与仪表!#$%&创意与实践基于单片机模糊控制的输液速度自动调节系统文章编号：!#$%&()*#+*#%刘辉，范小春，李晓辉（湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭!#$）摘要：应用红外检测技术、计算机网络技术和智能模糊控制技术，组成主,从分布式测控网络，实现对输液速度的自动检测和调节。下位机将测得的实时输液速度与设定的输液速度相比较，通过模糊控制算法控制输液皮管的松紧来达到输液速度自动调节的目。测试结果表明，系统输液速度的检测精度高，输液速度调节响应快、稳态误差小。关键词：模糊控制；输液速度；%&调节；主(从式测控网络中图分类号：!#$%文献标志码：&收稿日期：%,-,(；修订日期

2、：%,!,$作者简介：刘辉&!$+.)，男，湖南双峰人，工学硕士，副教授，研究方向为智能仪器仪表。!引言输液是医院常用的医疗手段。在输液过程中，输液速度是一个很重要的参数，一般要根据患者年龄、病情和药物种类等因素来分别确定。目前我国的绝大部分医疗机构在进行输液治疗时，都是由护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制液体流速，人工调整滴流速度不够准确和方便，而且值班护士需不断巡视全病区的输液情况，工作量很大。为了提高医疗设备的自动化水平，给护士输液工作提供方便，本着实用、可靠、操作方便、降低劳动强度、提高操作准确性的原则，提出一种基于红外检测技术、计算机网络技术和智能模糊控制技术，组成一个分布式的主从

3、局域测控网络，实现对点滴速度自动检测和调节的解决方案。系统的功能本系统是一个基于主,从测控网络的有线输液速度自动测控系统，具有如下功能：&!)能够满足医院某一病理科所有住院输液病人输液速度的监视和自动调节；&)对输液中的异常情况（如针头堵塞、药液滴完等）发出报警；&*)输液速度能在(/!滴0123范围内连续可调，稳态误差不超过4!滴；&%)输液速度可以实时传输到护士站，医护人员对输液速度的调节可在护士站遥控进行；&()具有高度可靠性，操作简单、方便，成本低廉，适合于临床普及；&+)能实时存储和记录系统运行时的现场数据5建立数据库5以便查询。#系统的硬件组成及工作原理#$!硬件总体设计本控制系统

4、硬件的总体结构如图!所示，由上位管理机、通信模块、电源板和多个现场控制工作站组成。采用67,%.(总线作为通信网络将各个节点连接成一个主从分布式测控系统。67,%.(总线支持多点连接5允许创建多达*个节点的网络5在!892:0;速率下传输距离可以达到!，完全可以满足本系统要求。当下位机检测到的输液实时速度与设定值有偏差时，则执行相应的控制算法，通过步进电机控制输液皮管的松紧来调节输液速度，当输液速度低于预设值时，电机反向转动以放松对输液皮管的压力从而增加滴速，反之，当输液的速!#$%&#$()*(+#,%-(#&#$(./0!1创意与实践度高于预设值时，电机正向转动以压紧输液皮管从而降低滴速，

5、使之保持在要求的控制范围之内。!#输液速度的检测采用光电传感技术，在滴斗处对点滴速度进行测量，液滴探测原理如图!所示。红外发光二极管发出红外光，光线透过滴斗照射到光电三极管，光电三极管将接收到的光信号转换成电流输出。当滴斗中没有液滴通过时，光线衰减小，光电三极管输出比较强的光电流。当滴斗中有液滴通过时，由于液滴对光线吸收和散射作用，照射到光电三极管的光信号比较弱，它输出比较弱的光电流。通过检测光电三极管的输出电流，就可以探测出有无液滴通过。输液现场的环境光是干扰光，干扰光既有日光类的恒定光又有日光灯类的频闪光，它将使信噪比!#下降，必须采取有效措施来抗干扰，否则将无法实现对液滴的光电探测。图为

6、液滴探测电路原理图。在电路中，红外二极管#$与光电三极管%$是红外发射&接收对管采用调制与解调技术来排除光的干扰()*+,。由音频译码器-.)/01+23的第+脚发出中心频率为$4的方波电压，经.!5放大后控制三极管%!通断，对红外发光二极管#$进行调制，使它发出频率为$4的脉冲光。.!6为电压放大器将光电三极管%$的输出电流变换成电压并将其幅值放大。.6是电压比较器，电阻%7给电压比较器提供一个可调节的阈值电压&%，当.6的输入电压89&%时，.6输出低电平；当.6的输入电压8:&%时，.6输出高电平。.)组成鉴频电路，当光路中没有液滴时.6输入幅值比较强的脉冲电压而且其幅值大于&%，使.6

7、输出频率为$4的方波电压；当光路中有液滴时，.6输入幅值比较弱的脉冲电压或者无输入，.6输出为直流电压。电压比较器.6的作用是将是否有液滴在光路上，转换成输出脉冲电压的无与有。当输入信号的频率等于鉴频电路的中心频率$4时，音频译码器01+23引脚;输出低电平“”反之输出高电平“$”。因此，当光路中有液滴时，.)无输入而输出“$”；当光路中无液滴时，.)输入频率为$4的交流电压而输出“$)，用于图$系统总体结构框图计算机（?）通信模块6#61)+!+$单片机$6%;7+$单片机(步进电机液滴探测液位检测报警电路小键盘显示步进电机液滴探测液位检测报警电路小键盘显示图#液滴探测示意图滴斗%$+%!$

8、B!%)+%$B!)$%2$C)!D!E&+F#$%$%!%+!B!3;2+.!501+;%3$B!%;$+B!01+;)$.!6!;%7?G%!?G%GHAG$).6$).)$)+!D!E&$D2FD!E&+MNJ#G.%)2!%$+B!%$+D$B!%$!)3B!%$!图!液滴探测电路原理图$E&$D2F01+23!自动化与仪表!#$%&创意与实践对鉴频电路的输出脉冲信号进行整形和反相。!#输出端的信号波形如图$所示。其中低电平对应光路中有液滴通过，高电平对应光路中无液滴通过。将该输出信号输入单片机的%&口线中如%&()*，需要测量点滴速度时，调用滴速测量子程序，在该程序中单片机反复查询%

9、&()的状态，当%&()由低电平变为高电平时，启动片内定时+计数器开始定时，当%&()由高电平变为低平时，停止定时，测量出正脉冲的宽度!，即两液滴之间的间隔时间（应包括一个低电平的时间，因其值远小于高电平时间，对测量结果影响很小，在此忽略不计），从而可以计算出每分钟的滴流数。!软件设计!#通信原理采用主从式通信，主机处于主导和支配地位，下位机以中断方式来接收和发送。任何时刻只有主机有权请求通信，各下位机只有收到主机的请求后才能发送信息,下位机之间无通信功能。主机要与某一下位机通信时或巡检下位机时，需要发送被呼叫下位机的地址码或巡检地址码，所有下位机均产生接收中断，进行地址识别，若是呼叫本站则发

10、回应答信号，准备接收主机发送的命令，根据通信命令来完成数据的接收与发送，其他地址不相符的下位机继续保持侦听地址状态。!$主机通信软件设计主机通信程序的开发环境采用基于-./0123平台的41567/0 899 4:.60;5(51;5?*和事件;A;/?*如表&。串行端口的选择、波特率的设定以及数据格式的定义等都可以通过设置相应的属性来完成。在由%8和多个单片机组成的多机环境中，一般把通信数据分为地址帧和数据帧来传递，%8的串行通信本身并不具备多机通信功能，也不能产生B4C或D4C，但可以通过灵活设置81=控件中的%75.?属性值为7E75F+7G7H;来形成正确的地址+数据标志位，从而使%8

11、与单片机之间实现多机通信。每当值班护士要即时查询当前某台从机的实时数据、工作状态和设置从机的输液参数时，主机主动与某一下位机通信，在对话框中选择下位机的地址号、设定通信命令，在连接按钮4:?1/*的I/86.HF事件处理函数中编写代码实现与下位机的数据通信。主机没有主动通信任务时，通过一个B.=;5控件来定时，定时时间到激活I/B.=;5事件，在该事件函数中完成对各下位机的巡检，从机将其输液速度实时采样值、设定值及工作状态发送给主机。另外，在通信被中断或者数据传输有误时，分别激活81=控件的I/45;7F事件和I/J5515事件。在I/45;7F或者I/J5515的事件处理函数中加入代码用来完

12、成是否重发或者取消本次通信等操作。!%下位机主程序下位机主程序根据上位机命令或键盘响应进行下位机各项操作的调度及监控，程序流程框图如图所示。+K#L#M!$%3图!液滴探测电路输出波形图表#&(控件的重要属性和事件列表属性事件*名称用途47:0D7?;N7?7O.?3N;A.H;#005;33N;A.H;P7=;%75.?I/45;7FI/J5515设置串行通信波特率设置有效数据位长度设置串行口地址选择串行口奇偶校验位设置通信中断时激活数据传输有误时激活开始初始化P键功能处理调滴速测量子程序调显示子程序计算偏差&调用模糊控制子程序有键按下？Q图)主程序流程图!#$%&#$()*(+#,%-(#

13、&#$(./0!1创意与实践系统在完成所有初始化工作后，开始查询键盘输入状态，检测输液速度，设定值与测量值有偏差时，调用模糊控制算法子程序，各功能模块完成后又返回查键。在循环过程中，若有串行中断产生，则进入串行中断接收!发送程序。!模糊控制子程序模糊控制器模块有包括输液速度参数采集与模糊化程序、模糊判决程序、模糊控制判决表及相关控制程序等多个子模块。参数采集与模糊化模块完成输液速度的采集与模糊化处理等功能，然后由模糊判决程序根据模糊判决表做出控制选择，再由控制程序输出控制信号。下位机将本次测得的输液速度与设定的输液速度相减得到输液速度的偏差!，将本次测得的输液速度减前次测量的输液速度，得到输液

14、速度的偏差变化率!。将偏差!和偏差变化率!作为模糊控制器的输入量，把输液速度误差和误差变化量!分为：负大#$%&，负中#$&，负小#$(&，零#)&，正小#*(&，正中#*&，正大#*%&+个模糊集。根据输液速度的偏差及偏差的变化率，由事先离线根据模糊控制规则表得到的模糊控制查询表来决定本次控制输出量。本控制系统的输出量是步进电机动作的步进数，改变步进电机动作的步进数即可改变输液皮管的松紧，从而达到控制输液速度的目的。将步进电机的步进数分为：,-.#反向长&、,-/.#反向较长&、,-0#反向短&、1#零&、,20#正向短&、,2/.#正向较长&、,2.#正向长&+个模糊集，即其模糊子集为：3

15、4,-.，,-/.，,-0，1，,20，,2/.，,2.5它们与步进数的对应关系如表6所示。#系统测试结果通过主机或从机的键盘改变输液速度的设定值，系统的调节效果和响应速度如表7所示。$结束语本系统可以实时监测每个病床病人的输液情况，并根据护士设定参数，自动精确调节输液速度；输液速度可以传输到护士站，医护人员的控制操作也可在护士站遥控进行，做到既安全又省心。测试结果表明，系统输液速度的调节在设定误差的范围内响应快、稳态误差小，对输液中的异常情况报警准确可靠，具有较高的实用价值和经济效益。参考文献：89:刘曙光，魏俊民;模糊控制技术8:;北京：中国纺织出版社?9AB;86:梁维铭，黄劲;输液速度

16、自动测控系统8/:;广西科学院学报总线的远程双向数据通信系统的设计与实现8/:;电子技术，6119#99&：6+71;8:李朝青;单片机原理及接口技术8:;北京：北京航空航天大学出版社，9?B：69C677;!表%步进电机步进数输出子集信息南开大学研制的“!#生物传感系统及其对$%&的检测分析”已通过专家鉴定，功能达到国际先进水平。该系统对信号进行平滑去噪处理，有效地去除了噪声的干扰，提高了检测精度，完成了多通道!#影像生物传感系统的设计与分析，在真正意义上实现了生物分子相互作用的实时检测，提高了检测效率。时间模糊集步进数时间模糊集步进数,-.C,206,-/.A,2/.A,-06,2.C11输液速度实时值!#滴EFG9&输液速度键盘输入值#即人工设定值&!#滴EFG9&输液速度响应值!#滴EFG9&调整时间!HAC1C16CB1?1?969?9C1?71B71716B表&系统控制效果测试表!