1、参赛题目液体滴落检测与计数学号 姓名 学院 联系方式20101221078 韩忠涛 信息学院 1876610859720101221412 张鹏 信息学院 15508689181参赛选手信息20101221288 王健 信息学院 187661260751摘 要输液是医院常用的治疗手段，传统输液过程中存在着输液速度不精确、需要人工监护等弊端。本文的目标就是设计一种输液监控系统以解决此问题。本文设计的液体点滴速度监控装置系统，实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液面高度的检测报警，并且动态显示输液速度。使用者可以通过按键设置输液速度，系统将自动对输液速度进行控制。当输液结束或输液速度发生
2、异常时，使用发光二极管和蜂鸣器进行报警，继而实现对输液瓶的控制。 系统以 80C52 单片机为核心，实现对输液瓶控制及液体点滴速度的显示和液体点滴速度的键盘控制；通过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度；通过实现对步进电机控制以实现对储液瓶高低的控制，来实现控制液体点滴速度。在整体方案设计中，在保证设计系统能达到的题目要求的精度和稳定度的前提下，考虑到系统的轻便性、实用性、可靠性，经济性，对电路系统进行了优化。关键词： 点滴速度；光电传感器；步进电机；单片机2目录任务与要求.5一、绪论.51.1 课题背景.51.2 课题研究的目的和意义.61.3 课题的思路及主要框图结构.6二、方案比较
3、与论证 .72.1 控制方案的比较.72.2 点滴检测方案比较.72.3 液位监测方案比较.72.4 速度控制方案.82.5 电机的选择.8三、系统的硬件设计.93.1 系统的硬件设计.93.2.1 中央处理单元.93.2.2 点滴信号检测单元.103.2.3 点滴信号的比较、滤波、整形电路.113.2.4 液位检测单元.113.2.5 检测电路的抗干扰措施.123.2.6 声光报警电路.133.2.7 步进电机驱动单元（高度调整单元）.143.2.8 键盘单元.143.2.9 数码管显示单元.163.3 芯片时钟电路.173.5 复位单元.173.6 供电单元.18四、液体点滴监控系统的软件
4、设计.194.1 各模块软件设计.194.1.1 主控模块设计.194.1.2 点滴速度测量模块设计.194.1.3 电机控制算法.214.1.3.1 电机控制原理.214.1.3.2 点滴速度控制.2134.1.5 报警模块设计.234.2.2 输入键盘模块的设计.244.4.3 数码管显示模块的设计.24参考文献.27附录.284液体滴落检测与计数难度系数:1.0一、任务医用吊瓶注射如图所示，需要检测液体滴落速度和数量。滴落速度范围为20-150 滴/分钟，可由滴速夹调节。设计检测液体滴落数量与速度，并动态显示。示意图二、要求1基本要求（1） 可检测并动态显示液体滴落速度。（2） 滴落计数
5、误差范围在 10%1 滴；（3） 储液瓶低液位报警，低液位可调。2. 发挥部分（1） 检测误差不大于 5%（2） 设计通过键盘设定滴落速度和数量的控制装置（3） 实现装置的远程监控5一、绪论1.1 课题背景输液(俗称打点滴)是临床医学上最常用的治疗手段。在病人输液的过程中，往往由于病人体质虚弱、昏迷、入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意到输液全过程，从而需要专人监护，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理当输液完毕，若处理不及时，病人的血液就会因空管而倒流人输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀。若处理过早，即药液还未完全输尽就摘瓶取管则又会造成药液的浪费等等。因此常引发病人的不
6、满以至投诉，使医护人员非常无奈。本课题就是针对上述情况，通过声光报警监控的方法实现医院输液情况的实时监测，并通过单片机与数码管来实现输液数据的实时显示和存储，以及在特殊情况下的报警。本课题对实现医院现代化、信息化有巨大的推动作用。1.2 课题研究的目的和意义在输液远程监控系统中，信号提取是医疗监控系统工作的首要前提。医疗输液信号自动检测和传输也是信号提取的过程，医疗工作人员常常需要检测和控制液体的储量或液位，如人工肾机的透析储液罐中液储量、自动洗胃机中冲洗液的液量、中医使用的药浴机中煎药锅中的水位、静脉输液液体量检测等等。如果对仪器中液体储量疏于监测，在液体储量失控情况下或者在可能会给患者带来
7、伤害甚至危机其生命。通过对这些液体储量的监测，医护人员便可以随时了解液体余量，并能在液体缺少时及时自动和人工补充或者采取其他措施，维护医疗设备的安全运行。因此，如何更好地对医疗液位进行监测，一直是医学工程人员考虑较多的课题之一。而在临床医学中，常采用静脉穿刺的办法将药液直接经静脉注入体内，这种输液方式称为静脉输液。1.3 课题的思路及主要框图结构本课题研究的液体点滴速度监控系统采用对射式红外光电传感器，它具有非接触性测量，响应速度快，受环境影响小，测量精度高等优点。它是一种可以利用其对物体表面黑度的敏感特性，应用于测量微小的位移。从光源红外发射管发射出的一定强度的光束到达测量面后，根据物体表面
8、的不同黑度和表面光洁度，部分光散射和反射到红外敏感接收管转变成为和接收管接收到的光强成正比的电信号。对射式光电传感器分为投光器和受光器两部分两者光轴重合在同一直线上。工作时，投光器发出调制光，被受光器接收，变为电信号。当被测体进入检测区时，光被遮挡，受光器无光可受传感器输出状态改变。输出脉冲再通过脉冲整形和 A/D 转换变为高低电平，最后输入到单片机的外部中断 0 中去。单片机根据高低电平的变化来判断液滴的有无和对液滴的计数;每一个水滴产生一个这样的不规则的负向脉冲，脉冲数目与水滴数目一一对应。实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液面高度的检测报警，并且动态显示输液速度。使用者可以通
9、过按键设置输液速度，系统将自动对输液速度进行控制。当输液结束或输液速度发生异常时，使用发光二极管和蜂鸣器进行报警，继而实现对输液瓶的控制。 系统以 80C52 单片机为核心，实现对输液瓶控制及液体点滴速度的显示和液体点滴速度的键盘控制；通过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速6度；通过实现对步进电机控制以实现对储液瓶高低的控制，来实现控制液体点滴速度。L298 驱动 步进电机速度检测与液面高度检测电路声光报警电路80C52 储液瓶数码管显示键盘图 21 系统的结构图二、方案比较与论证 2.1 控制方案的比较方案一：此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟方式难以把
10、精度做的很高，难以实现系统需求中的键盘显示和动态显示滴速。方案二：此方案采用 80C52 单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能。2.2 点滴检测方案比较方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。 由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。所以方案一不可取。方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部广元等干
11、扰。方案三：脉冲调制的红外对射传感器。 红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提7高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。因此，本设计采用方案三。2.3 液位监测方案比较方案一：电极法 它是从输液瓶口插入 2 根电极，利用药物的导电特性来检验瓶内药物是否用完。毫无疑问，该技术具有较低的成本，但存在着安全隐患药物特性是否会因通电而受到影响，还有电极的消毒问题。方案二：测重法 它是利用弹簧秤或压力传感器或电磁感应开关(干簧管)根据药物重量变化来判断药液输完与否，方法虽然简便，但其可靠性和适应性(对袋装及塑料瓶装液体不宜)无疑受到质疑。方案三：
12、液面检测法 通过固定在输液瓶或输液管上的光电传感器(有采用半导体激光的，也有采用红外光的)利用液面下降到预定位置时对光的反射或折射情况的变化来判断药物输完与否。其中检测瓶内液面的，同样可靠性及适应性受到质疑，而且采用激光光源的还将带来一个高成本问题。方案四：超声回波检测法 它是通过脉冲信号激励超声波发生器发出超声波，当超声到达输液瓶中液面后被液面反射回到超声波接收器，通过检测超声波从发射到接收需的时间，再根据超声波在介质中传播的速度及仪器安装高度，即可得出输液瓶中度。具有非接触的特点，且性能可靠、安全性好，具有实用价值，但是由于超声波探头价格昂贵及安装操作复杂，也阻碍了超声回波技术在静脉输液检
13、测中的应用。方案五：液滴计数法 它是根据临床医学的有关知识，一定量(以毫升为计量单位)的药液其输液量与药滴数有关，一般来说从莫非管式滴管滴落的每一滴为 1/20 毫升，或者是每 20 滴液滴总计一毫升。因此只要能检测液滴滴数，即可检测到药液的输入量。这种技术由于操作方便、价格便宜，且可靠性，实用性好它已经得到了大量的使用。综合比较上面五种方案，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。2.4 速度控制方案对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案：方案一：采用输液软管夹头的松紧程度来控制液滴流速，控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，存在
14、很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。方案二：通过电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的的距离比较大，所需时间比较长，而且储液瓶高度与流速的关系非线性，并且没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。在自变量（储液瓶移动距离）变化范围较大的情况下，这项工作较为繁杂。第一项第二项方
15、案经过综合比较，使用电机调整高度来实现控制效果较好，8因此决定选择第二项的方案。2.5 电机的选择首先讲讲电机的选择，常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、伺服电机。比较上述三种电机，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。步进电机转矩相对直流电机大，价格适中，控制精度较高，适用于较精确的测量中,可有效提高输液速度的控制精度。伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能(未上电时电机的转矩非常大)，但考虑到其实际价格动辄就是几千块，故而弃
16、用。综合考虑上述各种电机的特点后，最终选用步进电机。三、系统的硬件设计3.1 系统的硬件设计本系统中央处理器由 80C52 单片机构成，完成对某一具体的输液控制过程的监控。同时还包括输液信号获取单元，脉冲整形电路和 A/D 转换单元，声光报警电路，电机控制电路，液面检测电路。其中信号获取单元完成输液信号的采集;脉冲整形和 A/D 转换电路把采集的模拟信号变为数字信号。声光报警电路用来进行异常报警。以及完成对液体点滴控制和显示，键盘输入控制液滴的速度。其硬件具体检测电路如图所示：图 3-1 系统设计硬件电路图93.2.1 中央处理单元本设计采用 80C52 单片机作为中央处理控制器。8 9C52
17、 是 INTEL 公 司MCS-51 系 列 单 片 机 中 基 本 的 产 品 ， 它 采 用 ATMEL 公 司 可 靠 的 CMOS 工 艺 技术 制 造 的 高 性 能 8 位 单 片 机 ， 属 于 标 准 的 MCS-51 的 HCMOS 产 品 。 它 结 合 了CMOS 的 高 速 和 高 密 度 技 术 及 CMOS 的 低 功 耗 特 征 ， 它 基 于 标 准 的 MCS-51 单片 机 体 系 结 构 和 指 令 系 统 ， 属 于 89C51 增 强 型 单 片 机 版 本 ， 集 成 了 时 钟 输出 和 向 上 或 向 下 计 数 器 等 更 多 的 功 能 ，
18、适 合 于 类 似 马 达 控 制 等 应 用 场 合 。89C52 内 置 8 位 中 央 处 理 单 元 、 256 字 节 内 部 数 据 存 储 器 RAM、 8k 片 内 程 序存 储 器 （ ROM） 32 个 双 向 输 入 /输 出 (I/O)口 、 3 个 16 位 定 时 /计 数 器 和 5个 两 级 中 断 结 构 ， 一 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ， 片 内 时 钟 振 荡 电 路 。 此 外 ，89C52 还 可 工 作 于 低 功 耗 模 式 ， 可 通 过 两 种 软 件 选 择 空 闲 和 掉 电 模 式 。 在 空闲 模 式 下 冻 结 CPU 而
19、 RAM 定 时 器 、 串 行 口 和 中 断 系 统 维 持 其 功 能 。 掉 电 模 式下 ， 保 存 RAM 数 据 ， 时 钟 振 荡 停 止 ， 同 时 停 止 芯 片 内 其 它 功 能 。 89C52 有PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)两 种 封 装 形 式 。3.2.2 点滴信号检测单元此单元用来检测是否有液滴滴下，其传感器部分采用红外对射式光电传感器，如图所示：图 3-2 点滴信号检测电路红外对射传感器是由红外发射管和受光管组成的，它的主要功能是实现电红外线电的转换。由于红外光波长比可见光长，受可见光影响较小，其红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装等优点。因此是检测液滴滴速的首选传
