液压点滴测速仪.docx
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液压点滴测速仪
毕业设计说明书
题目：
液体点滴速度控制系统
姓名：
相里富侠
学号：
0723105022
指导教师：
曲瀛
专业年级：
自动化2007
所在学院和系：
化工学院化工机械系
完成日期：
2011年6月8日
答辩日期：
2011年6月13日
液体点滴速度控制系统
摘 要
随着社会经济的不断发展，目前大小医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的上方才能输液，输液速度难以准确控制，这对特护病人和对输液速度有较严格的病人是不方便的，因此设计了一套针对不同病人的点滴状况进行实时监控并能准确调节点滴速度的装置。
设计介绍了以单片机AT89C51为核心的一种自动化的液体点滴速度控制系统。
整套装置是由AT89C51单片机、液体点滴速度测量装置、液体点滴速度控制装置、储液瓶液面检测装置、键盘装置、LCD液晶显示装置、报警装置等组成。
其中以键盘及检测装置作为输入系统，以显示器、电动机控制及报警装置作为输出系统。
检测装置将检测到的信号传送给单片机，单片机将信号分析、处理后然后作用于输出系统输出，其核心是通过电动机装置来实现点滴速度的自动控制。
关键词：
点滴速度，红外传感器，AT89C51，步进电动机
Dropsofliquidspeedcontrolsystems
Abstract
Withtheeconomicandsocialdevelopment,currentlyusedinthesizeofthehospitalishangingonintravenousinfusionaboveinfusion,patientscannotbepreciselycontrol,transfusionspeedforintensivecareforpatientsandinfusionspeedhasrelativelystrictpatientisnotconvenient,thereforedesignedasetofeverybitofstatusaccordingtodifferentpatientsreal-timemonitoringandaccuratelyadjustdroppingspeeddevice.
Designareintroducedinsingle-chipmicrocomputerAT89C51asthecoreofanautomatedliquiddroppingspeedcontrolsystem.SetofdeviceisaAT89C51,liquiddroppingspeedmeasuringdevice,liquiddroppingspeedcontroldevice,liquidstoringbottlesofliquidsurfacedetectionequipment,keyboarddevice,LCDdisplaydevice,alarmequipmentetc.Amongthemwiththekeyboardanddetectiondeviceasinputsystemtomonitor,motorcontrolandalarmdeviceasoutputsystem.Detectiondevicewillbedetectedsignalstomicrocontroller,microcontrollerwillsignalanalysisandtreatmenteffectonoutputsystemandoutput,itscoreisrealizedbymotordeviceofdroppingspeedautomaticcontrol.
Keywords:
droppingspeed，infraredsensors，AT89C51，steppermotor
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2液体点滴速度控制系统的背景1
1.3液体点滴速度控制系统的国内外发展概况2
1.4液体点滴速度控制系统的研究意义2
2系统整体方案设计3
2.1系统方案确定3
2.2系统基本机构4
2.3系统工作原理4
3硬件设计5
3.1系统硬件的基本组成5
3.2各个模块的方案选取及电路设计5
3.2.1点滴速度测量模块5
3.2.2储液瓶液面检测模块7
3.2.3键盘输入模块8
3.2.4显示模块9
3.2.5电动机控制模块11
3.2.6滑轮机械控制模块12
3.3其他电路12
3.3.1振荡电路12
3.3.2复位电路13
3.3.3报警系统的设计13
3.3.4看门狗设计方案14
3.4元器件说明16
3.4.1AT89C5116
3.4.2集成运算放大器LM32418
3.4.3电压比较器件LM33919
3.4.4步进电机驱动ULN200320
4软件设计21
4.1系统的主程序设计21
4.2点滴速度测量子程序22
4.3储液检测子程序23
4.4点滴速度控制子程序24
4.5键盘扫描子程序25
4.6显示子程序26
结论27
参考文献29
致谢29
附录1程序清单33
附录2电路原理图45
1绪论
1.1引言
随着微电子技术及信息技术的发展和应用，医疗监护设备正在发生一场信息化的革命，传统的人工式的监护手段已经越来越不能适应当今多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。
静脉输液是一种最常用的临床治疗方法，是护理专业的一项常用给药治疗技术。
临床上应根据药物和患者情况不同配以适当的输液速度。
输液过快，可能会导致中毒，更严重时会导致水肿和心力衰竭；输液过慢则可能发生药量不够或无谓地延长输液时间，使治疗受到影响并给患者和护理工作增加不必要的负担。
常规临床输液，普遍采用挂瓶输液，用眼睛观察，依靠手动夹子来控制输液速度，不能精确控制，而且工作量大。
设计就是为解决上述的人力浪费等问题而设计的液体点滴速度自动控制系统。
1.2液体点滴速度控制系统的背景
输液是医院常用的医疗手段，它不仅是一种重要的给药途径，而且还是给患者补充体液、补充营养的重要方法。
在输液过程中，输液速度是一个很重要的参数，决定输液速度的因素有以下几个方面：
（1）患者年龄：
成年人输液速度常在40-60滴/分，小儿、老年人不宜超过20-40滴/分。
（2）患者病情：
如果患者有心脏病或肺部疾患，输液速度宜慢，一般为30-40滴/分。
滴速过
快会加重心脏负荷。
若患者脱水严重或失血过多引起休克，则要快速补液，以补充血容量。
（3）药物种类：
不同的药物滴速要求也不一样，如高渗盐水、升压药物及某些有刺激性的药
物如氯化钾等输液速度宜慢，而治疗高颅压的甘露醇输液速度宜快，一瓶（250ml）一般要求在15-30分钟内滴完，否则就起不到降颅压的作用[1]。
目前，我国医疗机构在进行输液治疗时，输液速度和输液量几乎全部都是不准确的。
医生在对病人的输液治疗过程中，输液速度的控制还是采用人工方式，医生凭借经验通过转动输液器上的手动滑轮来调整输液的速度，输液量也是医生用只有两个标记的液体瓶倾倒后估计的。
在输液的过程中要实时监测剩余的药液。
在药液输完后，还需要由护士及时换瓶或拔除针头，加重了医护人员的工作强度。
对于一些需要严格控制输液速度和输液量的药物，由于个人身体器官耐受力不同，则应根据不同病人的情况进行严格输液，尤其对于在手术中或大手术后及病情危重的患者更应该严格控制输液量和输液速度。
如不严格控制不仅会导致病人病情加重，有时甚至会危及病人生命。
输液泵是解决输液速度的一种有效方法，采用动力挤压输液，在一定时间内输液量是一定的，但输液期间点滴速度并不均匀，而且机器成本和耗材成本太高，只适应于急救和重症情况。
SJK型数字输液监控仪性能稳定，使用简便、易操作，但价格比较昂贵，应用较少。
而在未来的医疗机构里，特别是在一些大型医院里，在给病人输液时，对输液速度和输液量的数值的准确程度的要求会越来越高，因此就需要既实用又廉价的输液检测控制系统产品的出现。
1.3液体点滴速度控制系统的国内外发展概况
国外对点滴输液监控装置的研制较早，如日本、美国和德国等国家上世纪80年代末就进行了这方面的研制。
现在市场上流行的大多是国外产品，类型多样，性能较好，如日本JMS株式会社的OT-601型输液泵（控制精度为10％）和SP-500型注射泵、TOP型输液器，美国IMED公司GeminiPC-2TX型输液器可实现四路控制，还有德国贝朗（BLBRAUN）公司的Multifuse型、Perfusorcompact型（控制精度可达到2％）、infusomatP型和infusomatfms型，以色列也有相应的产品，型号众多，性能较好。
但是这些产品在国内只有一些大型医院引进，因其价格昂贵主要用于危重病人。
国内对输液装置的研制起步较晚，大都在90年代中期开始研究，市场上也有一些国产输液装
置，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的ZNB系列产品，深圳康福特公司也有输液装置产品。
不过总体来说，种类较少，性能也需改进。
我国的点滴输液自动化程度得到普及，还需要很长的路要走。
将来的液体输液泵将向更小型化、更便携化、控制更精确、更安全可靠发展[2]。
1.4液体点滴速度控制系统的研究意义
人工调整点滴速度不够准确和方便，而且护士需不断巡视病人的输液情况，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，给输液病人提供可靠的安全保证，于是设计从实用、可靠、操作方便、节约劳力、提高操作准确性的原则出发，提出了一种基于红外检测技术、计算机技术、电力电子技术于一体的一套不仅能够进行实时监控并能准确调节点滴速度的控制装置。
这对普通病人、特护病人和输液速度有较严格要求的病人都是非常有意的。
2系统整体方案设计
2.1系统方案确定
液体点滴速度控制系统就是用微型计算机来控制点滴速度的装置。
装置主要是通过对液体点滴的滴速进行检测并根据这些数据对滴速进行实时控制。
滴速检测主要是通过传感器来实现，而对滴速进行控制可以通过以下几种方案来实现。
方案一：
通过改变滴斗到受液瓶的高度来调节点滴的速度。
在输液管截面积确定的条件下，由公式：
Ｐ=ρｇｈ可以知道压强随着液面高度的不同而不同，从而使点滴的速度不同。
主要是通过电动机带动储液瓶使储液瓶上升或下降从而改变滴斗到受液瓶的高度，由此便可以调节点滴速度，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，不过这种方法只适用于大范围的调节，滴速难以准确控制。
方案三：
通过改变输液软管的截面积来控制点滴速度。
在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积来实现点滴速度的控制。
因为输液软管的截面积较小且形变后恢复较慢，难以实现点滴速度的准确控制[3]。
设计主要是为了实现液体点滴速度的准确控制，因此相比较方案一最合适。
由此得出系统的原理图，如图2.1所示。
要求系统实现的功能有：
（1）在滴斗处检测点滴速度；
（2）点滴速度要求实现自动控制，并能动态显示，滴速也可用键盘设定；
（3）当液位降到储液瓶的2~3cm时，要求发出报警信号。
图2.1系统原理图
2.2系统基本结构
根据系统原理图及功能要求可以将系统划分为以下几个模块：
点滴速度测量模块、储液液面检测模块、键盘控制模块、显示模块、点滴速度控制模块、报警模块等。
系统的基本结构框图如图2.2所示
：
2.3系统工作原理
系统通过键盘输入模块输入预置的点滴速度并将数据信息传送给单片机，点滴速度检测系统将检测到的点滴速度以电信号形式送入单片机，单片机经运算、分析、处理后，通过输出端口将数据传送给显示模块和电机。
当检测到的点滴速度和预设值不相等时，通过电机控制储液瓶的高度以调节点滴速度，使之与预设值相等。
在检测点滴速度的同时储液检测系统通过传感器检测储液瓶的液面，当检测到储液瓶的液面低于储液瓶的2~3cm时报警系统自动发出报警。
3硬件设计
3.1系统硬件的基本组成
设计中运用了检测技术、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自动控制部分。
传感器检测部分：
系统利用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：
点滴速度测量电路和储液检测电路。
控制部分：
系统中控制器件根据有传感器变换输入的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度。
完成点滴装置的自动检测、自动调速、液晶显示屏显示以及报警功能等各项任务。
主要包括3个电路：
单片机控制电路、电动机的驱动电路、液晶显示屏的动态显示电路。
3.2各个模块的方案选取及电路设计
3.2.1点滴速度测量模块
（1）点滴速度的测量方案
方案一：
通过采用电感式传感器测量点滴速度，即在输液器的漏斗外围用绕线圈作为敏感元件，当液滴滴下时传感器电感量会发生变化，通过LC振荡电路输出变化的频率值，经过F/V（频率/电压）变换电路及电压比较后输出TTL电平信号来检测点滴速度。
方案二：
采用红外对管发射接收式传感器来测量点滴速度，即采用断续式的工作方式，在点滴落下时点滴阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号，在无点滴落下时接收管会接受到发射管发射的红外线，产生低电平的脉冲信号[4]。
两种方案相比较，方案一测量精度比较高，但是外围电路比较复杂。
而红外传感器尺寸小，质量轻，电路简单，性能稳定，安装在滴斗上较简单，对辅助电路要求少，此方案简单，较容易实现。
因此设计中采用方案二。
应用红外对管发射接收式传感器来实现点滴速度的测量。
从下图中可以看到，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，输出高电平，从而产生一个较长的脉动，但是信号很小，所以需经过一个运算放大器LM324放大之后再经过电压比较器LM339就可以输出一个正向的脉冲信号送到单片机中断口，据此就可以正确的测出液滴的滴数，即点滴的速度（滴/分）。
其检测电路图如图3.1所示：
（2）点滴速度检测的硬件电路
以上的液体点滴速度检测电路中包含了检测前置电路、信号放大电路、电压比较电路。
①检测前置电路
红外光电传感器是由红外发射管和红外接收管组成。
红外发射管在恒定的电源驱动下发射恒定红外线，红外线经过外界物体产生反射，然后由接收管接收。
电路如图3.2所示：
②信号放大电路
因为红外光功率的问题，其接收电路产生的信号十分微小，是mV级的电压。
所以必须经过放大电路将其放大，才能得到可以识别的信号。
放大器是由集成运算放大器LM324构成的同向交流放大器。
其放大倍数：
Av=1+R4/R5。
在此Av=1+500/22=23。
经过23倍的放大处理，红外光电传感器采集到的信号就可以很容易的被处理[5]。
电路如图3.3所示：
③电压比较电路
经过放大处理过的信号，其高电平，低电平并不是标准的，不能直接被单片机识别处理。
因此需要使用电压比较器将不标准的脉冲信号转化为标准的脉冲信号。
电压比较器能将输入电压和标准电压相比较。
低于标准电压的，比较器输出0电压（低电压）。
高于标准电压的，比较器输出高电压（4-5V）。
这样，就完成了信号的转换。
在此，采用集成电压比较器LM339来做电压比较。
R7是电位器，调节标准电压。
R8是上拉电阻。
电路如图3.4所示：
经参考文献[6]发现，光电传感器的输出波形如图3.5所示，在受环境光线的影响时会出现一个液滴产生两个脉冲的现象，为此在软件上设计了消除双脉冲程序。
使得双脉冲干扰问题得到较好解决。
3.2.2储液瓶液面检测模块
储液瓶液面的检测也是设计中重要的一项，在实际生活中，由于人为疏忽的缘故，使储液瓶内的药液滴完，造成病人血液回流。
设计中应解决这个问题，尽量避免这种情况发生，于是要求当储液瓶的液位低于储液瓶的2～3cm时发出报警。
此问题的关键是如何检测到储液瓶瓶内液位的高度，使报警能够实现。
其中检测液位的方案很多。
方案一：
同点滴速度测量模块，仍然采用红外对管发射接收式，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[7]。
方案二：
采用称重传感器检测，利用称重传感器测量瓶及瓶内液体总质量，并与实际测量中当液体液面下降达到设定位置时的瓶及瓶内液体总质量相比较，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。
三种方案中，方案二和方案三实现起来都比较复杂，因此采用方案一，电路图同点滴速度检测图相同。
3.2.3键盘输入模块
按键输入和显示模块是人机对话的重要组成部分,其设计原则是视觉效果好、操作简单易行、硬件设计相对简单。
键盘的基本工作原理就是实时监视按键，将按键信息送入计算机。
在键盘的内部设计中有定位按键位置的键位扫描电路、产生被按下键代码的编码电路以及将产生代码送入计算机的接口电路等等，这些电路被统称为键盘控制电路。
根据键盘工作原理，可以把计算机键盘分为编码键盘和非编码键盘。
键盘控制电路的功能完全依靠硬件来自动完成的，这种键盘称为编码键盘，它能自动将按下键的编码信息送入计算机。
另外一种键盘，它的键盘控制电路功能要依靠硬件和软件共同完成，这种键盘称为非编码键盘。
这种键盘响应速度不如编码键盘快，但它可通过软件为键盘的某些按键重新定义，为扩充键盘的功能提供了极大的方便，从而得到了广泛应用[8]。
设计中键盘每个按键功能的确定：
键盘需要输入数据，因此需要0-9这十个数字键，当数据输入后要通过确认键来确定或是通过清除键来清除已输入的数据；当输液过程中出现其他突发意外，如有人不小心碰错按键时可以直接通过返回键返回到上级的正常情况；此外当医生检测到病人的点滴速度需要改动时，可以在原来的点滴速度上通过上升或下降键来改动，这样改动幅度比较小，对病人的伤害也就更小；另外键盘还需要一个开/关键。
其显示面板图如图3.6所示：
键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。
因此选用易采用非编码键盘。
非编码键盘分为独立连接式键盘和矩阵式键盘。
设计中采用矩阵式键盘。
该键盘又称为行列式键盘。
使用I/O口线组成行列结构，在每根行线与列线的交叉处，二线并不直接相通，而是通过一个按键跨接接通。
采用这种矩阵结构只需M根行输出线和N根列输入线，就可连接M*N个按键。
通过键盘扫描程序的行输出与列输入就可确认按键的状态，再通过键盘处理程序可识别是哪个按键按下。
由以上功能可知，设计中共使用了16个按键，因此采用4x4矩阵式键盘，其键盘的控制电路图如图3.7所示：
图3.7键盘控制电路图
3.2.4显示模块
常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管（LED,LightEmittingDiode）显示器、液晶显示器（LCD,LiquidCrystalDisplay）等。
显示记录仪是以模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，虽然后来也出现了以微处理器为核心的数字式智能记录仪，但其价格昂贵，在目前的计算机控制系统中较少采用；LED数码管由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及仪器仪表广泛采用；而LCD则以其功耗极低，信息量大的特点，占据了计算器、便携式微型计算机等应用场合，并逐步用于智能仪器与控制系统中。
设计中采用的是LCD显示器[9]。
LCD显示器特点：
（1）无辐射，益健康：
液晶显示器完全无辐射；
（2）机身薄，节省空间：
与比较笨重的LED显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间；
（3）省电，不产生高温：
它属于低耗电产品，可以做到完全不发热（主要耗电和发热部分存在于背光灯管或LED），而CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温；
（4）画面柔和不伤眼：
液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。
LCD显示器选用：
设计采用1602型LCD，1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。
1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0～D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。
1602采用标准的16脚接口，其中:
第1脚：
VSS为地电源；
第2脚：
VDD接5V正电源；
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线；
第15～16脚：
空脚。
1602液晶模块内部的控制器的控制指令：
它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）。
指令1：
清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置；
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H；
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移。
S:
屏幕上所有文
字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效；
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。
C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。
B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁；
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标；
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N。
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F：
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符；
指令7：
字符发生器RAM地址设置；
指令8：
DDRAM地址设置；
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令。
或者数据，如果为低电平表示不忙；
指令10：
写数据；
指令11：
读数据。
液晶显示模块和单片机AT89C51直接接口，电路如图3.8所示：
3.2.5电动机控制模块
（1）电动机选取
电动机有直流电动机、交流电动机、步进电动机等等，设计中只讨论直流电动机和步进电动机。
由于直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来。
转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。
而步进电机是用电脉冲控制的，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。
步进电机每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比。
而且用单
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