基于单片机的液体点滴速度监控装置设计_大学毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的液体点滴速度监控装置设计_大学毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

性。 方案二利用光的反射原理实现时，由于反射信号比较强，这样可以减小信号检测时的误差，同时电路形式要比透射电路情况简单。 而且反射电路比透射电路更容易安装，体积更加小巧，结构也更加简单。 方案三 电容式接近开关，但瓶中液体和周围环境随时会发生变化，很容易触发传感器，而使系统采集到错误的信号。 因此，选择方案二。 液瓶液面检测 方案 一 ：采用金属电极检测储液瓶液面信号。 原理如图 23，利用药液的导 电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，通常电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。 图 23 金属电极检测储液瓶液面信号面信号 方案二：采用光电传感器检测点储液瓶液面信号。 原理如图 24所示。 发光二极管发射的平行光束穿过茂菲氏滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液体时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液体时，由于液滴对红外光的吸收特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小，实验证明在低液面（ 2cm4cm）的情况下，进气所形成上升气泡在液 面的聚集与运动，使平行光束的发散效应明显增强。 图 24 光电传感器检测点储液瓶液 方案三：通过软件设置完全可以通过检测点滴速度来产生报警信号，因此可以去掉液 6 面检测电路而完全由液体点滴速度检测电路代替。 这样就不需要硬件的储液瓶液面检测电路，而由软件控制。 综合比较上面的方案， 电极接触控制方式原理简单，易于实现，可靠性强，但会导致药品污染，危及患者安全。 光电控制方式虽然结构复杂，易受外界光源影响，但可防止药品的污染，保证患者用药安全。 而软件方式对程序有一定的要求，并且响应时间比较慢，但其优点更明显，完全抛弃 了 硬件结构。 因此，选择方案三，软件方式。 键盘方案 方案一：采用矩阵式键盘 ,此类键盘利用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键盘较多时可降低占用行列扫描方式，单片机的 I/O口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。 方案二：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根 I/O接口线 ,每个 I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。 缺点为当按键较多时占用单片机的 I/O口数目较多，优点为电路设计简单，且编程极其容易。 综合比较上面的方案， 本系统有 16个按键，因此采用方案一， 4X4的矩阵式键盘。 显示方案 方案 一 ：采用液晶显示屏。 液晶显示屏（ LCM）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。 但由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。 方案二：采用三位 LED七段数码管显示点滴数目。 数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。 同时数码管采用 BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。 综合比较上面的方案：采用 方案 一。 液晶显示屏（ LCM）有更丰富的显示能力， 并且能够形式更多的信息，有利于使用。 电机系统方案 方案一：采用单片机和 A/D转换构成系统，控制普通电机的步数和旋转方向，可以考虑达林管组成的 H型 PWM电路。 用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速，减小因惯性，速度，步距角过大而引起的调整误差，达到改变点滴高度的要求，缺点是控制信号为模拟信号，需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制的时间，并且步距角为 9176。 ，不能精确的控制点滴速度。 7 方案二：用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不在需要数 /模转换；具有快速启 /停能力，可在一 刹那间实现启动或停止，且步距角降低到 176。 延时短，定位准确 ,精度高 ,可操作性强。 综合考虑，一方面调节的步长尽可能的小，定位要好；另一方面如果停止信号到来，要能立刻停止电机。 因此选择步进电机，采用方案二。 点滴速度控制方案 方案一 ： 通过改变滴斗到受液瓶的高度来调节点滴的速度。 由步进电机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度 ,从而调节点滴速度。 由于其高度的改变与点滴速度基本成线性关系 ,这易于对点滴速度进行控制。 而液滴管的高度可通过电机实现精确的定量控制。 但此方法对机械设备的要求高 ,不容易安装。 设 备可移动性小，而且对电机的功率也有一定的要求，要采用大功率的电机。 方案二 ： 采用单片机和可编程逻辑器件控制输液软管的松紧来控制点滴速度。 改变塑料点滴管的形状以控制液体的流速。 这样的方法虽然直观 ,但存在很多的缺点。 首先由于对管壁施压改变其形状 ,其所施加的压力与流量改变的关系非线性 ,这给流量控制带来了难度。 其次由于滴管是由塑料制成 ,在长时间受压后松开并不能使塑料滴液管完全恢复原形 ,控制装置无法保证理想的控制效果。 此外 ,要完成滴速夹的制作有一定的困难。 即使此方案有很多缺点，但以其结构小巧，可移动性强，电机要求低， 机械设备简洁的优点。 更符合当今设备发展方向的要求。 总结上述原因 ,我选用方案二，制输液软管的松紧来控制点滴速度。 方案的确定 根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块方案确定如下： （ 1）点滴速度测量采用红外对管反射接收方式。 （ 2）储液检测电路采用软件方式设置。 （ 3）键盘采用 4X4行列式键盘。 （ 4）显示采用 液晶显示屏。 （ 5）点滴速度控制是利用步进电动机正反转来调节输液管的松紧来实现。 系统组成方框图如图 25 8 点 滴 速 度 检 测A T 8 9 C 5 2报 警 显 示 模 块点 滴 速 度 控 制电 机 控 制 控 制 电 路键 盘 控 制 图 25 系 统组成方框图 系统通过键盘输入模块输入预置的点滴速度并将数据信息传送给单片机。 点滴速度检测系统通过红外光电传感器检测点滴速度，并以电信号的形式传给单片机，经运算、分析、处理后单片机通过输出端口将数据传给显示模块和电机。 由于硬件的限制既不可预测的误差，实际点滴速度极难达到预置值，因此设置当实际点滴速度进入预置值 177。 5 滴范围内时电机停止转动，这样就实现了智能控制功能。 另外，点速度检测系统通过红外光电传感器检测到的信号经处理后输出给声音报警装置。 当声音报警持续 10 秒钟后无人复位，则由单片机发出信号关闭声光报警，同时 发出信号控制电机卡死输液管将点滴速度强制为 0，这样可以大大提高输液的安全系数。 9 第 3 章 系统硬件设计与实现 系统硬件基本组成部分 传感器检测部分：系统利用光点传感器将检测到的信号转化为控制器可以辨别的电信号。 传感器检测电路包括 1个单元电路：点滴速度测量电路。 智能控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度及 液晶显示屏 的显示，完成了点滴装置的自动检测、自动调速、 液晶显示屏 显示及报警功能等各项任务。 控制部分主要包括 3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、 液晶显示屏 的动态显示 电路。 电路模块电路设计 液体点滴速度检测电路设计 系统采用 红外光电传感器将检测到的信号转化为单片机可以辨别的电信号。 （ 1） 检测前置电路 光电传感器采用红外光电传感器。 红外光电传感器主要由红外发射和红外接收管组成。 红外发射管在恒定的电源驱动下发射恒定红外线。 红外线经过外界物体产生反射，然后由接收管接收。 电路如图 31。 U1Optoisolator110R110R2VCCGNDOUT 图 31 光电传感器电路 （ 2） 信号放大电路 因为红外光功率的问题，其接收电路产生的信号十分微小，是 mV级的电压。 所以必须经过放大电路将其放大，才能得到可以识别的信号。 放大器是由集成运算放大器 LM324构成的同向交流放大器。 其放大倍数： Av=1+R4/R5。 在此 Av=1+500/22=23。 经过 23倍的放大处理，红外光电传感器采集到的信号就可以很容易的被处理。 电路如图 32。 10 +32out15411VddVss10R5GNDGND10R6VCCOUTIN 图 32 信号放大电路 （ 3） 电压比较电路 经过放大处理过的信号，其高电平，低电平并不是标准的，不能直接被单片机识别处理。 因此需要使用电压比较器将不标准的脉冲信号转化为标准的脉冲信号。 电压比较器能将输入电压和标准电压相比较。 低于标准电压的，比较器输出 0电压（低电压）。 高于标准电压的，比较器输出高电压（ 45V）。 这样，就完成了信 号的转换。 在此，采用集成电压比较器 LM339来做电压比较。 R7是电位器，调节标准电压。 R8是上拉电阻。 电路如图 33。 +76out21089VddVss2KRPGNDVCC10R3OUTIN 图 33 电压比较电路 由电路图可以看到，接收管与发射管正相对，无液滴滴下时，接收管收到信号，输出低电平；有液滴滴下时，下落的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的发散作用，导致接收光强的较大改变，接收管不能收到较强的信号，产生一个较长的脉动，但是信号小，所以经过一个运算放大器 LM342放大之后在经过电压比较器 LM339就可以输出一个正向的脉冲信号送给单片机中断口，据此就可以正确的测 出液滴的滴数，即点滴的速度（滴/分）。 经实验发现，在受环境光线的影响时会出现一个液滴产生两个脉冲的现象，为此我在软件上设计了消除双脉冲程序。 使得双脉冲干扰问题得到较好解决。 11 键盘控制电路 用 AT89SC52的并行口 P1接 4X4矩阵键盘，以 － ，以 － 出线。 每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。 矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和 CPU通信。 每个按键的状态同样需变成数字量 “0”和 “1”。 电路原理如图 34。 S2S6S10S14S3S7S11S15S4S8S12S16S5S9S13S17P10P11P12P13P14P15P16P17 图 34 键盘控制电路 步进 电机驱动电路 步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移，比其他类型的电动机更适合于本系统，故选用步进电动机。 本系统中使用步进电机来控制的高度，以控制点滴速度。 由于单片机带负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在单片机和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载能力。 电路原理图如图 3－ 5。 123456789 101112131415161718NLU2020GNDVCC1B2B3B4B5B6B7B8B1C2C3C4C5C6C7C8C12345P2Header 5VCC 图 35 步进电机驱动电路 单片机输出四路脉冲信号控制电动机转动相位角。 单片机产生四相四拍脉冲信号的波形如下图 3－ 6。 12 图 36四相四拍脉冲信号波形 为了使步进电机控制更精 确，可以采用四相八拍脉冲信号，波形图如下图 3－ 7。 图 37 四相八拍脉冲信号波形 电机正反转的环形脉冲分配表如下： 表 31环形脉冲分配表 正转环形脉冲分配表 反转环形脉冲分配表 步数 P00 P01 P02 P03 步数 P00 P01 P02 P03 A B /A /B A B /A /B 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 2 0 1 1 0 2 1 0 0 1 3 0 0 1 1 3 0 0 1 1 4 1 0 0 1 4 0 1 1 0 输液管的机械控制 考虑到机械设备 的结构，偏心轮需要的电机扭矩要求高。 拉绳比较容易卡住液体点滴速度。 因此在偏心轮和拉绳机械结构中采用了拉绳结构。 图 39a 是偏心轮结构。 图 39b是拉绳结构 元器件说明 AT89C52 13 AT89C52 提供以下标准功能： 4k字节 Flash闪速存储器， 128 字节内部 RAM,32 个 I/O口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C52 可降至 0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时 /计数器 ，串行通信及中断系统继续工。