液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置

楊秀娟

山西霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和微電子技術(shù)的應(yīng)用，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域一場(chǎng)隨之而來(lái)的信息化的變革也正在進(jìn)行。在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，針對(duì)輸液流量的控制需求，在工業(yè)控制領(lǐng)域，生產(chǎn)中的液位流量有著同樣的控制需求，本文給出了一種基于MCU技術(shù)的液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置的方案。研制該裝置的主要是為了克服人工監(jiān)測(cè)液體液位和液體流量所消耗的精力過(guò)大，效率過(guò)低等的弊端，該裝置在理論研究及實(shí)際應(yīng)用中具有重要價(jià)值，而對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域與工業(yè)控制領(lǐng)域來(lái)說(shuō)意義更為重大。

1 液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置系統(tǒng)總體需求

液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置系統(tǒng)的需求即在液體流量的控制過(guò)程中，在速度、流量等方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)液位流量的實(shí)時(shí)顯示、限度報(bào)警等功能。裝置應(yīng)具備以下幾個(gè)功能： 1）液體流動(dòng)的速度及總量等信息可設(shè)定；2）液體的滴速可通過(guò)光電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；3）對(duì)于所監(jiān)測(cè)到的液體信號(hào)，液體的剩余量可經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析得到；4）液體流動(dòng)信息可通過(guò)LCD屏幕進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；5）液體的流速可的自動(dòng)控制；6）聲光報(bào)警的功能；7）要求裝置操作簡(jiǎn)單，使用方便；8）要求裝置成本控制在可接受的價(jià)格范圍之內(nèi)。

2 液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案

按照以上需求進(jìn)行分析，液體的點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置系統(tǒng)的研制方案如下：1）利用MCU的I/O端口通過(guò)鍵盤進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，從而可設(shè)定液體流度及總量等信息；2）一個(gè)設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互界面在液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置系統(tǒng)中是必要的，可采用能夠顯示字體和圖形的LCD實(shí)現(xiàn)；3）利用MCU的A/D端口，對(duì)光電傳感器產(chǎn)生的液滴脈沖信號(hào)的接收，從而監(jiān)測(cè)液體的滴速；4）采用MCU實(shí)現(xiàn)該裝置對(duì)液體滴速的自動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)模塊研制

按照實(shí)際的需求，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)包括硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)兩大部分，此兩部分是密不可分、相互關(guān)聯(lián)的，液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置的硬件開(kāi)發(fā)應(yīng)該依照安全可靠、足夠的抗干擾能力、易用性、經(jīng)濟(jì)合理的原則。

3.1 主處理器單元

本裝置的設(shè)計(jì)采用Atme1公司生產(chǎn)的Atme1-mage8單片機(jī)，這種單片機(jī)是一種基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微控制器，而芯片采用哈佛（Harvard）型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Atme1-mage8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHZ，這是因?yàn)樗紤]到芯片的先進(jìn)指令集和單時(shí)鐘周期指令的執(zhí)行時(shí)間，該單片機(jī)對(duì)處理速度和功耗二者間的矛盾進(jìn)行了很好的平衡。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集系統(tǒng)，以及32個(gè)通用的工作寄存器。算術(shù)邏輯單元（ALU）與所有的寄存器都直接相連，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一條指令能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。此種結(jié)構(gòu)有效的提高了代碼的執(zhí)行效率，相對(duì)于普通的CISC微控制器數(shù)據(jù)的吞吐率至少高出10倍。

3.2 電源模塊

液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置使用了把220V的電壓轉(zhuǎn)換到24V的微機(jī)電源，板內(nèi)的POWER接口則連接到24V的電源，板內(nèi)的電源模塊選用的是REC32405SRW模塊及REC3243.3SRW模塊，這兩個(gè)模塊都是由RECOM公司生產(chǎn)的，各模塊所需的5V與3.3V電壓由這些電源模塊轉(zhuǎn)換。在電源電路的設(shè)計(jì)時(shí)考慮加入防反接二極管IN4007，可以避免電源適配器極性接反時(shí)出現(xiàn)毀壞電路板的情況。電源模塊的輸入、輸出口采用兩個(gè)電容分別對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)壓濾波處理，這可以有效避免高頻數(shù)字信號(hào)可能干擾到模擬信號(hào)。

3.3 鍵盤輸入模塊

在裝置工作時(shí)，系統(tǒng)的輸入設(shè)備可以采用鍵盤，借助鍵盤可以設(shè)置系統(tǒng)的參數(shù)，控制指令的發(fā)出等。按下程序中設(shè)置好的數(shù)字鍵或者功能鍵時(shí)，裝置就會(huì)自動(dòng)完成該按鍵程序中設(shè)置好的功能。借助于鍵盤模塊，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定讀數(shù)時(shí)間信號(hào)，有效速度控制信號(hào)，報(bào)警控制等信號(hào)的輸入。在鍵盤輸入設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中，按鍵的消抖必須要考慮，該裝置主要采用消抖辦法為軟件延時(shí)消抖。而在單片機(jī)的軟件設(shè)置中，鍵盤掃描程序的編制采用的是中斷的方式，這使得程序更有效率的執(zhí)行。

3.4 鍵盤輸入模塊

裝置的實(shí)時(shí)顯示液滴監(jiān)控參數(shù)是通過(guò)液晶顯示模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一塊128*64個(gè)點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊用早本模塊中，利用該模塊可以顯示漢字以及圖形，模塊可以顯示8192個(gè)漢字（16*16點(diǎn)陣）以及128個(gè)字符（8*16），本裝置采用動(dòng)態(tài)方式對(duì)液體點(diǎn)滴速度信息進(jìn)行顯示，即當(dāng)外部信號(hào)還沒(méi)有傳給單片機(jī)的時(shí)候，就每隔5s刷新一次滴液的速度(滴/分)。在新的外部信號(hào)被單片機(jī)接收到后，就要設(shè)定相應(yīng)點(diǎn)滴速度(滴/分)。

3.5 液滴檢測(cè)模塊

液滴檢測(cè)電路可以說(shuō)是計(jì)算滴液速度的關(guān)鍵，同時(shí)也是體現(xiàn)液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控系統(tǒng)性能好壞和可靠性的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。紅外線檢測(cè)技術(shù)可以很好的應(yīng)用到液滴的檢測(cè)中，該技術(shù)的原理是：在滴斗處對(duì)檢測(cè)滴液，首先由可以發(fā)出紅外光的紅外發(fā)光二極管將紅外光透過(guò)輸液管照射光敏三極管，紅外光信號(hào)可以由光敏三極管轉(zhuǎn)換成為電流輸出。如沒(méi)有液滴通過(guò)滴斗，光線會(huì)衰減小，較強(qiáng)的光電流則會(huì)通過(guò)光電三極管輸出；一旦有液滴流過(guò)滴斗時(shí)，由于光線可以被液滴吸收或散射，光信號(hào)照射到光敏三極管上面的往往都會(huì)比較弱，從而輸出的電流也比較弱，由于電壓隨著電流變化，通過(guò)檢測(cè)輸出端電壓的變化，能夠探測(cè)出是否有液滴通過(guò)滴斗。等到液滴檢測(cè)模塊能夠穩(wěn)定的測(cè)量到液體流速的時(shí)候，流量速度就會(huì)在液晶顯示屏上顯示，而使得液滴的流速處在基本穩(wěn)定狀態(tài)下的時(shí)間不大于3分鐘。

3.6 液滴檢測(cè)模塊

對(duì)于滴速的控制應(yīng)該保證到極限時(shí)可以完全關(guān)閉液體流通管道，并且力求快速且穩(wěn)定，同時(shí)。本系統(tǒng)中膠管松緊控制采用微型的步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)電機(jī)是由Atme1-mage8通過(guò)ULN2003A模塊完成驅(qū)動(dòng)的。液體的滴速設(shè)定范圍為（20～150）滴/分，是通過(guò)鍵盤輸入?yún)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，誤差范圍的控制為設(shè)定值 ±10% ±1滴。

3.7 聲光報(bào)警模塊

報(bào)警單元主要由發(fā)光二極管以及蜂鳴器兩部分構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警。在液滴檢測(cè)的時(shí)候，如果出現(xiàn)異常的情況時(shí)，如出現(xiàn)滴速值超出鍵盤設(shè)定值的誤差范圍或者液體剩余的液位過(guò)低（警戒值為2cm～3cm，可設(shè)定）等，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出鳴叫，同時(shí)還會(huì)控制發(fā)光管連續(xù)閃爍，達(dá)到報(bào)警的目的。

4 結(jié)論

本文的主要內(nèi)容是對(duì)液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入的探討研究，裝置能夠自動(dòng)控制滴速，異常報(bào)警及測(cè)量參數(shù)顯示，這些都是參考醫(yī)療輸液過(guò)程的需求提出的。本文實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的研制，包括MCU的選用以及系統(tǒng)鍵盤輸入模塊、參數(shù)顯示模塊、滴液流速的檢測(cè)模塊、液體滴速控制模塊、光聲報(bào)警模塊的研制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，該裝置可以在醫(yī)療輸液智能控制領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

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