液體點滴速度監控裝置

楊秀娟

山西霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400

0 引言

隨著信息技術的發展和微電子技術的應用，在醫療衛生領域和工業控制領域一場隨之而來的信息化的變革也正在進行。在醫療衛生領域，針對輸液流量的控制需求，在工業控制領域，生產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技術的液體點滴速度監控裝置的方案。研制該裝置的主要是為了克服人工監測液體液位和液體流量所消耗的精力過大，效率過低等的弊端，該裝置在理論研究及實際應用中具有重要價值，而對醫療衛生領域與工業控制領域來說意義更為重大。

1 液體點滴速度監控裝置系統總體需求

液體點滴速度監控裝置系統的需求即在液體流量的控制過程中，在速度、流量等方面實現自動化操作，實現液位流量的實時顯示、限度報警等功能。裝置應具備以下幾個功能： 1）液體流動的速度及總量等信息可設定；2）液體的滴速可通過光電檢測技術進行實時監測；3）對于所監測到的液體信號，液體的剩余量可經過計算與分析得到；4）液體流動信息可通過LCD屏幕進行實時顯示；5）液體的流速可的自動控制；6）聲光報警的功能；7）要求裝置操作簡單，使用方便；8）要求裝置成本控制在可接受的價格范圍之內。

2 液體點滴速度監控裝置系統總體的設計方案

按照以上需求進行分析，液體的點滴速度監控裝置系統的研制方案如下：1）利用MCU的I/O端口通過鍵盤進行數據輸入，從而可設定液體流度及總量等信息；2）一個設計良好的人機交互界面在液體點滴速度監控裝置系統中是必要的，可采用能夠顯示字體和圖形的LCD實現；3）利用MCU的A/D端口，對光電傳感器產生的液滴脈沖信號的接收，從而監測液體的滴速；4）采用MCU實現該裝置對液體滴速的自動控制。

3 系統模塊研制

按照實際的需求，嵌入式應用系統的開發應包括硬件系統的開發及軟件系統開發兩大部分，此兩部分是密不可分、相互關聯的，液體點滴速度監控裝置的硬件開發應該依照安全可靠、足夠的抗干擾能力、易用性、經濟合理的原則。

3.1 主處理器單元

本裝置的設計采用Atme1公司生產的Atme1-mage8單片機，這種單片機是一種基于增強的AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微控制器，而芯片采用哈佛（Harvard）型系統結構。Atme1-mage8的數據吞吐率高達1MIPS/MHZ，這是因為它考慮到芯片的先進指令集和單時鐘周期指令的執行時間，該單片機對處理速度和功耗二者間的矛盾進行了很好的平衡。AVR內核具有豐富的指令集系統，以及32個通用的工作寄存器。算術邏輯單元（ALU）與所有的寄存器都直接相連，在一個時鐘周期內一條指令能夠同時對兩個獨立的寄存器進行訪問。此種結構有效的提高了代碼的執行效率，相對于普通的CISC微控制器數據的吞吐率至少高出10倍。

3.2 電源模塊

液體點滴速度監控裝置使用了把220V的電壓轉換到24V的微機電源，板內的POWER接口則連接到24V的電源，板內的電源模塊選用的是REC32405SRW模塊及REC3243.3SRW模塊，這兩個模塊都是由RECOM公司生產的，各模塊所需的5V與3.3V電壓由這些電源模塊轉換。在電源電路的設計時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出現毀壞電路板的情況。電源模塊的輸入、輸出口采用兩個電容分別對電源進行穩壓濾波處理，這可以有效避免高頻數字信號可能干擾到模擬信號。

3.3 鍵盤輸入模塊

在裝置工作時，系統的輸入設備可以采用鍵盤，借助鍵盤可以設置系統的參數，控制指令的發出等。按下程序中設置好的數字鍵或者功能鍵時，裝置就會自動完成該按鍵程序中設置好的功能。借助于鍵盤模塊，能實現穩定讀數時間信號，有效速度控制信號，報警控制等信號的輸入。在鍵盤輸入設備設計的過程中，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消抖。而在單片機的軟件設置中，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行。

3.4 鍵盤輸入模塊

裝置的實時顯示液滴監控參數是通過液晶顯示模塊來實現的。一塊128*64個點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個漢字（16*16點陣）以及128個字符（8*16），本裝置采用動態方式對液體點滴速度信息進行顯示，即當外部信號還沒有傳給單片機的時候，就每隔5s刷新一次滴液的速度(滴/分)。在新的外部信號被單片機接收到后，就要設定相應點滴速度(滴/分)。

3.5 液滴檢測模塊

液滴檢測電路可以說是計算滴液速度的關鍵，同時也是體現液體點滴速度監控系統性能好壞和可靠性的重要參考標準。紅外線檢測技術可以很好的應用到液滴的檢測中，該技術的原理是：在滴斗處對檢測滴液，首先由可以發出紅外光的紅外發光二極管將紅外光透過輸液管照射光敏三極管，紅外光信號可以由光敏三極管轉換成為電流輸出。如沒有液滴通過滴斗，光線會衰減小，較強的光電流則會通過光電三極管輸出；一旦有液滴流過滴斗時，由于光線可以被液滴吸收或散射，光信號照射到光敏三極管上面的往往都會比較弱，從而輸出的電流也比較弱，由于電壓隨著電流變化，通過檢測輸出端電壓的變化，能夠探測出是否有液滴通過滴斗。等到液滴檢測模塊能夠穩定的測量到液體流速的時候，流量速度就會在液晶顯示屏上顯示，而使得液滴的流速處在基本穩定狀態下的時間不大于3分鐘。

3.6 液滴檢測模塊

對于滴速的控制應該保證到極限時可以完全關閉液體流通管道，并且力求快速且穩定，同時。本系統中膠管松緊控制采用微型的步進電機正、反轉帶動傳動機來實現的，步進電機是由Atme1-mage8通過ULN2003A模塊完成驅動的。液體的滴速設定范圍為（20～150）滴/分，是通過鍵盤輸入參數來實現，誤差范圍的控制為設定值 ±10% ±1滴。

3.7 聲光報警模塊

報警單元主要由發光二極管以及蜂鳴器兩部分構成，主要實現異常報警。在液滴檢測的時候，如果出現異常的情況時，如出現滴速值超出鍵盤設定值的誤差范圍或者液體剩余的液位過低（警戒值為2cm～3cm，可設定）等，蜂鳴器就會發出鳴叫，同時還會控制發光管連續閃爍，達到報警的目的。

4 結論

本文的主要內容是對液體點滴速度監控系統的實現進行了深入的探討研究，裝置能夠自動控制滴速，異常報警及測量參數顯示，這些都是參考醫療輸液過程的需求提出的。本文實現了系統硬件的研制，包括MCU的選用以及系統鍵盤輸入模塊、參數顯示模塊、滴液流速的檢測模塊、液體滴速控制模塊、光聲報警模塊的研制，通過實驗，該裝置可以在醫療輸液智能控制領域得到很好的應用。

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