液體點滴速度控制教學實驗裝置的設計

[摘要]單片機的教學實驗在信息電子專業的教學中占有十分重要的地位，為了使同學們掌握單片機的開發系統的基本知識，本文設計了一個液體點滴速度自動控制的實驗裝置，該裝置能夠由人工設定點滴速度，并能根據監測到的點滴速度通過控制算法達到設定速度，而且調整時間較快。該裝置不僅可以很好地應用到教學實驗中，并且還可以推廣到實際應用中。

[關鍵詞]點滴速度 自動控制裝置 教學裝置

一、前言

在傳統醫療過程中，給病人輸液一直采用人工觀測和人工調節點滴的速度，點滴的監控受到醫務人員責任心和熟練程度的限制，給病人和醫療過程帶來一定的安全隱患。同時，現階段實踐性教學環節有它的薄弱之處，大都處于滯后、分散、針對性不強、系統性不夠、綜合性不強等低層次循環狀態，師生重視程度不夠，一方面，造成學生找不到工作，另一方面，某些崗位的高級應用技術人才緊缺。為此，必須充分重視實踐教學環節，充分發揮出實踐性教學的最大功效。其有效措施之一，就是配合一些優秀的實驗教學模型，開展設計性、系統性、綜合性的實驗和實習教學。對實驗教學模型有幾點主要要求：（1）系統性；（2）新技術的綜合性；（3）設計性；（4）直觀性。

本文將89C51單片機用于對輸液實驗裝置的設計，實現鍵盤設定輸液速度，通過傳感系統來確定點滴速度和對液位警戒線的檢測，利用LED數碼顯示屏實時顯示，通過電機控制儲液瓶的高度來達到控速的目的，整個系統結構簡單，易于實現。

二、硬件設計

系統硬件結構框圖如圖1所示。主要包括單片機系統、液滴探測、液位檢測、報警輸出、步進電機控制、看門狗等電路。單片機系統選用AT89C51，內含4 K字節的EEPROM，便于研制階段反復調試和修改；為提高系統的可靠性，使得當系統掉電、上電后程序可以恢復正常，本文設計了看門狗硬件電路。

1.點滴速度檢測

滴速檢測是采用LM339過零比較電路，采用紅外發射—接收對管作為液滴檢測器件，根據接收到的光強的強弱判斷是否有液滴滴下。當沒有藥液滴下時，紅外接收器接收到紅外發射器的強度穩定的信號。當液滴滴下時，紅外光電傳感器發射的光透過液滴后強度發生變化，光電接收管接收強度變化的光信號后，輸出變化的電壓信號，此電壓信號經放大、整形后被轉化為TTL電平信號，送給單片機，單片機根據相繼二滴的時間間隔，計算出檢測滴液的速度。該電路中，LM339的輸出端要加上一個施密特觸發器將輸出脈沖波形整形后，再輸入單片機的INT0中斷口，其主要作用是克服葫蘆狀液滴形成的雙脈沖。

2.點滴速度控制

采用實時檢測，當單片機檢測到的輸液實時速度與設定值有偏差時，實時調節讓單片機給出信號，單片機執行相應的控制算法，控制電機的通斷和正轉、反轉，由步進電機帶動儲液瓶上升或下降改變滴斗到受液瓶的高度，由于其高度的改變與點滴速度基本成線性關系，從而調節點滴速度。將檢測到的速度與設定速度之差作為反饋量，來進一步控制步進電機的轉動方向和步距，從而形成閉環系統以達到控制輸液速度的目的。

3.鍵盤方案選擇

采用矩陣式級聯鍵盤，采用矩陣式行列掃描方式，并通過8279芯片與CPU連接。這樣當按鍵較多時可降低占用單片機的I/O接口數目，而且，由8279對鍵盤進行自動掃描，可以去除抖動，充分提高CPU的工作效率。

4.液面高度的檢測

液面高度檢測可以分為三部分，首先，是調制與解調電路。其次，是紅外發射與接收部分，我們讓紅外發射和接收管正對放置在瓶子兩邊，警戒線的高度，由于有水和沒水時接收到信號強度不同，而在液面處對紅外線的反應也與有水和沒水不一樣。最后，是放大部分，根據接收信號強弱不同，用比較器處理可得到水位到臨界線時引起的較大的電信號差異，由此判斷水位到警戒線，單片機發出報警信號。

5.顯示與報警系統部分

在主站部分，選用了一個有源蜂鳴器。當從站儲液瓶中的水面到達距底部3cm時，單片機將接收到一個報警信號，并將此信號發給報警系統，使主站蜂鳴器和報警燈同時工作，報警燈選用閃爍發光二極管，便實現了聲光同時報警，同時從站的報警燈也亮，為醫護人員提供方便。

6.看門狗電路

為了防止程序跑飛，本系統設計了看門狗電路?？紤]到系統的硬件設計要求、可靠性、音質電路板的控件要求、系統成本和系統功耗等方面的要求，我們選用X25045作為看門狗電路的主要芯片。X25045是美國Xicor公司的生產的標準化8腳集成電路，它將多個功能集成在單個芯片內，能夠很好地滿足本系統的需要。通過在每一次開機時，系統將自動顯示上次點滴的速度和上次的流量，并默認當前輸液點滴速度和流量為上次所存儲的滴速和流量，醫護人員和病人可根據各自需要自行調節改變默認值。

7.電機驅動電路

在選擇驅動電路時，我們應該使信號的周期性誤差盡量減小，而對位置、速度的控制要求簡單，步進電機則正好滿足了這一要求。步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的控制電機。每輸入一個脈沖，步進電機就轉動一個角度或前進一步。所以，控制輸入的脈沖數就可以控制步進電機的位移量，控制脈沖頻率就可以控制步進電機的轉速或線速度，在負載能力范圍內，這些關系不受外界因素的限制。為使電機順利完成正反向運行，完成液滴速度的調整，設計PWM電路，完成對電機的驅動。為使電機制動效果好，選擇慣性小的電機。此外，不僅電機特別適用于開環的數字控制系統。為步進電機配上專用的驅動電源便構成了步進電機系統。步進電機轉速的高低、升降速、啟動或停止完全取決于CP脈沖的頻率。

三、軟件設計

該系統的軟件部分主要完成滴速測試、液位測試、步進電機驅動控制、報警等功能。

1.主程序

主程序在完成所有初始化工作后，開始查詢鍵盤輸入狀態，檢測輸液速度，設定值與測量值有偏差時，根據偏差e的大小，調用控制算法子程序，各功能模塊完成后又返回查鍵。

2.輸液速度測量子程序

測量輸液速度的方法很多，本文采用周期測量法來實現滴速的測量，該方法原理簡單，易于實現。該方法的原理為：當液滴通過檢測裝置時，檢測電路會發出負脈沖，以此來觸發單片機中斷程序，并且啟動定時計數器，當下次中斷產生時，定時計數器停止計時，以此便能計算出通過測試兩滴液體通過檢測裝置間的時間差，進而可以求出每分鐘的液滴流速。

3.液位檢測和報警程序

其軟件部分的實現原理和點滴速度檢測相同。其軟件實現過程為：當發射和接收二極管之間的液面發生變化時LM567的輸出端將會有高低電平的變化，則與輸出口連接的單片機P2.1口將有高低電平變化。所以，軟件實現時可以通過對P2.1口進行連續的查詢，從而來確定是否發出液位警報。在檢測液面位置的時候為防止因為藥瓶振蕩而使信號出現誤發情況，需要采取多次檢測比較，可以連續采集五次并將P2.1的數值累加存于寄存器A中，判斷累加器的數值為0時才進行發送?；蛘卟扇∫粋€較短時間的延時再進行有效檢測，而在延時期間的檢測認定為無效的檢測。

4.步進電機驅動控制程序

步進電機可以通過對其輸入的脈沖個數進行控制而達到對其轉動角度的嚴格控制。要達到通過步進電機控制輸液瓶的高度，只要將電機轉動的角度和輸液瓶上升高度之間的函數關系找出即可。我們采取分段檢測的方式。首先，把液滴速度對應高度測出來，并擬合出一個滴速V與高度h的關系式。當鍵盤預設一個滴速后，單片機先將該滴速與當前的液滴速度進行比較，確定步進電機的轉動方向，同時求出這兩個速度對應高度差值，確定轉動的圈數；之后，再啟動電機按照求出的轉動方向和轉動圈數轉動，并且電機啟動的同時停止數據檢測，等到電機停止時再進行滴速檢測，判斷當前滴速和預設滴速的差值是否在誤差允許范圍之內。若差值在誤差范圍內時電機不再轉動等待新的命令;若差值超出誤差范圍再重復進行調整。

四、裝置操作說明

本裝置可以通過鍵盤實現操作，根據流程打開電源后，系統進入待命狀態。系統初始化時已經有默認的容量和速度設定，本裝置可以通過數字鍵分別為流量、速度等按鍵設置相應的參數，回車鍵（Enter）輸入完畢確認，取消鍵（Cancel）可以取消輸入操作。如果輸入數據非法，則自動取消輸入。按啟動鍵系統開始運行，運行后系統自動進入控制狀態。在系統運行過程中，當容量報警等情況時，需要系統中止運行，只是可以按停止鍵，系統進入安全模式。在中止后可重新設定參數，并且重新啟動。系統自動進行點滴計數，根據輸入的容量，推算出結束點滴數，并在計數到達時進入安全模式并報警。

五、結束語

本設計核心是89C51單片機，完成了液滴的實時有效的控制與顯示。在設計中， 通過紅外傳感器來實現對液滴速度的檢測、用步進電機調節儲液瓶高度來實現對液滴流速的控制、用電容傳感器來實現對液面的檢測。該測控系統是光電技術、微機技術和計算機網絡技術的綜合應用，可以很好地應用于教學實驗中。此外，該實驗裝置硬件簡單，易于實現，有著較好的實用價值，可以在醫院中推廣，便于醫護人員監控輸液狀況。

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（作者單位：浙江理工大學信息與電子學院）