基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度監(jiān)測(cè)與控制設(shè)計(jì)

李剛

摘要：利用單片機(jī)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)智能化的醫(yī)用液體點(diǎn)滴速度監(jiān)測(cè)與控制裝置。該裝置由水滴速度測(cè)試系統(tǒng)、水速控制系統(tǒng)、數(shù)媽顯示裝置、單片機(jī)控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其基本原理是利用水的壓強(qiáng)隨著高度差的變化而變化，使用控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升降來控制點(diǎn)滴速度。點(diǎn)滴速度可用鍵盤來設(shè)定，設(shè)定范圍為20～150（滴/分），控制誤差范圍在10%±1滴左右。從改變?cè)O(shè)定值起到設(shè)定點(diǎn)滴速度，基本穩(wěn)定整個(gè)過程的調(diào)整時(shí)間小于3分鐘。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)滴速度；紅外傳感；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；51單片機(jī)

1.引言

1.1課題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域需要對(duì)液體的流量進(jìn)行精確控制，如化工方面對(duì)微量化學(xué)元素的檢測(cè)和分析常需精確控制流量，醫(yī)療領(lǐng)域中藥液的輸液量與點(diǎn)滴速度也需要精確的控制以達(dá)到更好治療效果。

液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控器在醫(yī)院中主要就是應(yīng)用于靜脈輸液。隨著醫(yī)院管理系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)，如何利用計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代控制技術(shù)提高醫(yī)療器械的自動(dòng)化成為目前主要應(yīng)用方向之一。

1.2課題目的和意義

目前大小醫(yī)院中所使用的靜脈輸液器都是懸掛在病人的頭上才能輸液，液體點(diǎn)滴速度難以實(shí)現(xiàn)精確控制，這對(duì)特護(hù)病人和對(duì)輸液速度有較嚴(yán)格要求的病人是不方便的。此設(shè)計(jì)中的液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控器可以用鍵盤準(zhǔn)確控制速度，精確控制藥液的輸液量和輸液速度，能對(duì)輸液過程中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，預(yù)防輸液醫(yī)療事故的發(fā)生，有助于減輕醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，提高安全性、精確性和工作效率。且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，所以對(duì)液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控器的研究設(shè)計(jì)十分有意義。

1.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)液體點(diǎn)滴速度監(jiān)測(cè)與控制裝置，設(shè)計(jì)內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)功能有：

（1）采用51系列單片機(jī)作為控制核心電路；

（2）可以在靜脈輸液器的滴斗處檢測(cè)點(diǎn)滴速度，并制作了一個(gè)數(shù)碼顯示裝置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示點(diǎn)滴速度（滴/分）；

（3）通過改變靜脈輸液器的儲(chǔ)液瓶的高度實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)滴速度，也可以通過控制軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點(diǎn)滴速度。點(diǎn)滴速度可用鍵盤設(shè)定并顯示，設(shè)定范圍為10～160（滴/分）。

2.設(shè)計(jì)方案比較與論證

2.1點(diǎn)滴速度控制方式

方案一：改變輸液瓶高度控制點(diǎn)滴速度。

在靜脈輸液器的輸液管截面積確定的條件下，利用儲(chǔ)液瓶的高度不同所引起的液體壓強(qiáng)差的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液點(diǎn)滴速度的控制。

方案二：改變靜脈輸液器的輸液軟管截面積控制點(diǎn)滴速度。

在輸液瓶高度確定的條件下，通過改變輸液管導(dǎo)通截面積實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴速度的控制。

方案一中的高度控制可利用小型步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制速度快等特點(diǎn)。方案二由于輸液軟管的橫截面積較小且發(fā)生形變后其恢復(fù)速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴速度的精確控制，故采用方案一。

2.2液體點(diǎn)滴檢測(cè)方案

本設(shè)計(jì)采用紅外對(duì)管。根據(jù)液體對(duì)紅外線的阻擋，使用紅外對(duì)管檢測(cè)是否有液滴通過。由于紅外光的波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)，故受可見光的影響較小。同時(shí)紅外系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、尺寸小，能有效的減小對(duì)可見光波段的干擾，且輔助裝置要求最少，對(duì)人眼無傷害。

2.3速度測(cè)量方案

在一定時(shí)間內(nèi)點(diǎn)滴的滴數(shù)（即點(diǎn)滴的速度）是單片機(jī)通過紅外傳感器測(cè)得的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)獲得的，但怎樣計(jì)算點(diǎn)滴速度以滿足在3分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)對(duì)點(diǎn)滴速度的控制是必須考慮的問題。

根據(jù)一定滴數(shù)N滴下所經(jīng)過的時(shí)間t計(jì)算點(diǎn)滴的速度，計(jì)算公式為V=60N[]t（滴/分）。此方案的誤差與系統(tǒng)計(jì)算的時(shí)間精度有關(guān)，通過調(diào)整計(jì)算的時(shí)間精度可以改進(jìn)計(jì)算誤差，達(dá)到題目所要求的誤差范圍。

2.4電機(jī)及控制方案

用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，控制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，不再需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換；具有快速啟停功能，可在一瞬間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止，且步距角降低到，延時(shí)短，精度高，定位準(zhǔn)確，可操作性強(qiáng)。

2.5滴速檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)方法

在本裝置中，利用外部中斷INT1進(jìn)行檢測(cè)液滴，T0進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)定T0中斷響時(shí)間為0.01S，設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)指示標(biāo)志。具體做法是：T0每發(fā)生一次中斷，計(jì)數(shù)標(biāo)志加一，外部中斷INT1每發(fā)出一次中斷信號(hào)，就對(duì)計(jì)數(shù)標(biāo)志進(jìn)行判斷，如果計(jì)數(shù)標(biāo)志大于30，則計(jì)算實(shí)際測(cè)得數(shù)速度，同時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)標(biāo)志進(jìn)行清零。計(jì)數(shù)標(biāo)志大于30是因?yàn)閮蓚€(gè)點(diǎn)滴之間的時(shí)間間隔應(yīng)大于03S，如果出現(xiàn)外部中斷發(fā)生，說明電路出現(xiàn)抖動(dòng)，應(yīng)該削除。

3.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2驅(qū)動(dòng)控制電路

本系統(tǒng)是通過改變滴液管的高度h2來控制點(diǎn)滴速度S0?？紤]控制余量，點(diǎn)滴速度的設(shè)計(jì)范圍為10～160（滴/分）。通過對(duì)滴速夾的控制，使h2達(dá)到最大高度hm=1500mm時(shí)，滴速達(dá)到最大Sm=160（滴/分）；然后漸漸降低滴液管的高度，使滴速達(dá)到最小Sm=10（滴/分），測(cè)得此時(shí)h2的高度為hm=500mm；再在500mm～1500mm范圍內(nèi)測(cè)滴速。

從測(cè)得的數(shù)據(jù)可近似得到：△h2=6.67×△S（mm）（公式3-1）

在實(shí)際操作過程中是通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制來拉動(dòng)繩子，從而使h2高度改變，因此改變的是高度差，所以為了便于控制，我們對(duì)上式進(jìn)行差分，可得△h2=6.67×△S（mm）（公式3-2）

式中的△S為滴速差；△h2改變△S后，h2所移動(dòng)的相應(yīng)位移，當(dāng)△S為正時(shí)，滴液管向上移，當(dāng)△S為負(fù)時(shí)，滴液管向下移。

因?yàn)橄到y(tǒng)中用了兩個(gè)動(dòng)滑輪，所以△h為△h2的4倍，令△S=設(shè)定滴速S速-實(shí)際滴速S實(shí)得電機(jī)所要拉動(dòng)的繩子長(zhǎng)度為△h=26.67×△S（mm）（公式3-3）

設(shè)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，單片機(jī)發(fā)出200個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)皮帶輪的平均直徑為40mm，則每上升（或下降）一滴，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)的相位為：M=26.67[]πD×360[]1.8=42（公式3-4）

這里取M=40

設(shè)定的脈沖頻率為160HZ，調(diào)整的最長(zhǎng)時(shí)間為：T=140÷4=35s再加實(shí)際上調(diào)整可能產(chǎn)生3～4次振蕩，故調(diào)整所需要的時(shí)間不會(huì)超過3 min， 因此滿足要求中規(guī)定的調(diào)整時(shí)間（≤3min） 。

3.3 鍵盤顯示電路

由于本系統(tǒng)中采用動(dòng)態(tài)顯示方式驅(qū)動(dòng)四位七段數(shù)碼管，來顯示點(diǎn)滴的速度。

鍵盤采用按鍵開關(guān)經(jīng)上拉電阻分別接P2.3 、P2.2、P2.1、P2.0口上。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，這時(shí)輸入標(biāo)志D_key為0，這時(shí)若按一次P2.3，D_key置1，系統(tǒng)進(jìn)入輸入狀態(tài)，此時(shí)，每按一次P2.2，目的速度的百位取反；每按一次P2.1，目的速度的十位加一；每按一次P2.0，目的速度的個(gè)位加一；若再按一次P2.3，系統(tǒng)結(jié)束輸入狀態(tài)，D_key置0，執(zhí)行其它程序。單片機(jī)XTAL2、XTAL1接12MHZ晶振，提供系統(tǒng)時(shí)鐘基值，另RESET接上電復(fù)位按鍵。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控制模塊

用于主體程序控制，對(duì)程序的各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用能完成系統(tǒng)要求。

首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，進(jìn)入循環(huán)，進(jìn)入按鍵子程序，接著進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)處理子程序，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，然后顯示當(dāng)前設(shè)計(jì)速度，最后返回按鍵子程序，這樣不停循環(huán)下去。期間通過中斷獲得實(shí)際測(cè)得速度。在裝置調(diào)整完畢，且不再輸入目的速度的情況下，裝置應(yīng)該一直顯示著當(dāng)前實(shí)際速度。

4.2 步進(jìn)電機(jī)控制點(diǎn)滴速度子程序

進(jìn)行比較實(shí)際速度與目的速度，然后對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，以使兩者的數(shù)值接近。

4.3 按鍵處理子程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按鍵處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目的速度的輸入。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，這時(shí)輸入標(biāo)志D_key為0，這時(shí)若按一次P2.3，D_key置1，系統(tǒng)進(jìn)入輸入狀態(tài)，此時(shí)，每按一次P2.2，目的速度的百位取反；每按一次P2.1，目的速度的十位加一；每按一次P2.0，目的速度的個(gè)位加一；若再按一次P2.3，系統(tǒng)結(jié)束輸入狀態(tài)，D_key置0，執(zhí)行其它程序。

5.結(jié)束語

在本設(shè)計(jì)中，雖然我花去了很多時(shí)間，查閱了大量相關(guān)資料，但設(shè)計(jì)的結(jié)果未能實(shí)際驗(yàn)證，故其實(shí)際參數(shù)無法與設(shè)計(jì)精確匹配，需以實(shí)際運(yùn)用的參數(shù)設(shè)計(jì)為準(zhǔn)。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)一個(gè)液滴液面檢測(cè)裝置和一個(gè)報(bào)警裝置，在液滴要完成時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒醫(yī)療人員輸液完成，同時(shí)自動(dòng)下降使液滴速度變?yōu)榱?，提高醫(yī)療安全。

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