液体点滴速度监控系统的设计.docx
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液体点滴速度监控系统的设计.docx
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液体点滴速度监控系统的设计
参赛题目
液体滴落检测和计数
参赛选手信息
学号
姓名
学院
联络方法
韩忠涛
信息学院
张鹏
信息学院
王健
信息学院
摘要
输液是医院常见诊疗手段,传统输液过程中存在着输液速度不正确、需要人工监护等弊端。
本文目标就是设计一个输液监控系统以处理此问题。
本文设计液体点滴速度监控装置系统,实现了对输液速度检测和控制,实现了对储液瓶中液面高度检测报警,而且动态显示输液速度。
使用者能够经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,继而实现对输液瓶控制。
系统以80C52单片机为关键,实现对输液瓶控制及液体点滴速度显示和液体点滴速度键盘控制;经过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度;经过实现对步进电机控制以实现对储液瓶高低控制,来实现控制液体点滴速度。
在整体方案设计中,在确保设计系统能达成题目要求精度和稳定度前提下,考虑到系统轻便性、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
任务和要求.....................................................5
一、绪论........................................................5
1.1课题背景....................................................5
1.2课题研究目标和意义........................................6
1.3课题思绪及关键框图结构....................................6
二、方案比较和论证..............................................7
2.1控制方案比较..............................................7
2.2点滴检测方案比较............................................7
2.3液位监测方案比较............................................7
2.4速度控制方案................................................8
2.5电机选择..................................................8
三、系统硬件设计...............................................9
3.1系统硬件设计..............................................9
3.2.1中央处理单元..............................................9
3.2.2点滴信号检测单元.........................................10
3.2.3点滴信号比较、滤波、整形电路.............................11
3.2.4液位检测单元.............................................11
3.2.5检测电路抗干扰方法.....................................12
3.2.6声光报警电路.............................................13
3.2.7步进电机驱动单元(高度调整单元).........................14
3.2.8键盘单元.................................................14
3.2.9数码管显示单元...........................................16
3.3芯片时钟电路...............................................17
3.5复位单元...................................................17
3.6供电单元...................................................18
四、液体点滴监控系统软件设计................................19
4.1各模块软件设计.............................................19
4.1.1主控模块设计.............................................19
4.1.2点滴速度测量模块设计.....................................19
4.1.3电机控制算法.............................................21
4.1.3.1电机控制原理...........................................21
4.1.3.2点滴速度控制...........................................21
4.1.5报警模块设计..............................................23
4.2.2输入键盘模块设计........................................24
4.4.3数码管显示模块设计......................................24
参考文件....................................................27
附录.........................................................28
液体滴落检测和计数
难度系数:
1.0
一、任务
医用吊瓶注射图所表示,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,可由滴速夹调整。
设计检测液体滴落数量和速度,并动态显示。
示意图
二、要求
1.基础要求
(1)可检测并动态显示液体滴落速度。
(2)滴落计数误差范围在10%±1滴;
(3)储液瓶低液位报警,低液位可调。
2.发挥部分
(1)检测误差小于5%
(2)设计经过键盘设定滴落速度和数量控制装置
(3)实现装置远程监控
一、绪论
1.1课题背景
输液(俗称打点滴)是临床医学上最常见诊疗手段。
在病人输液过程中,往往因为病人体质虚弱、昏迷、入睡或医护人员正在别处忙碌等而无法留心到输液全过程,从而需要专员监护,加重了护理人员劳动负担,也不利于病区综合管理当输液完成,若处理不立即,病人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浪费等等。
所以常引发病人不满以至投诉,使医护人员很无奈。
本课题就是针对上述情况,经过声光报警监控方法实现医院输液情况实时监测,并经过单片机和数码管来实现输液数据实时显示和存放,和在特殊情况下报警。
本课题对实现医院现代化、信息化有巨大推进作用。
1.2课题研究目标和意义
在输液远程监控系统中,信号提取是医疗监控系统工作首要前提。
医疗输液信号自动检测和传输也是信号提取过程,医疗工作人员常常需要检测和控制液体储量或液位,如人工肾机透析储液罐中液储量、自动洗胃机中冲洗液液量、中医使用药浴机中煎药锅中水位、静脉输液液体量检测等等。
假如对仪器中液体储量疏于监测,在液体储量失控情况下或在可能会给患者带来伤害甚至危机其生命。
经过对这些液体储量监测,医护人员便能够随时了解液体余量,并能在液体缺乏时立即自动和人工补充或采取其它方法,维护医疗设备安全运行。
所以,怎样愈加好地对医疗液位进行监测,一直是医学工程人员考虑较多课题之一。
而在临床医学中,常采取静脉穿刺措施将药液直接经静脉注入体内,这种输液方法称为静脉输液。
1.3课题思绪及关键框图结构
本课题研究液体点滴速度监控系统采取对射式红外光电传感器,它含有非接触性测量,响应速度快,受环境影响小,测量精度高等优点。
它是一个能够利用其对物体表面黑度敏感特征,应用于测量微小位移。
从光源红外发射管发射出一定强度光束抵达测量面后,依据物体表面不一样黑度和表面光洁度,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光强成正比电信号。
对射式光电传感器分为投光器和受光器两部分.二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。
输出脉冲再经过脉冲整形和A/D转换变为高低电平,最终输入到单片机外部中止0中去。
单片机依据高低电平改变来判定液滴有没有和对液滴计数;每一个水滴产生一个这么不规则负向脉冲,脉冲数目和水滴数目一一对应。
实现了对输液速度检测和控制,实现了对储液瓶中液面高度检测报警,而且动态显示输液速度。
使用者能够经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,继而实现对输液瓶控制。
系统以80C52单片机为关键,实现对输液瓶控制及液体点滴速度显示和液体点滴速度键盘控制;经过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度;经过实现对步进电机控制以实现对储液瓶高低控制,来实现控制液体点滴速度。
二、方案比较和论证
2.1控制方案比较
方案一:
此方案是传统两位模拟控制方案,其优点是电路简单,易于实现。
但模拟方法难以把精度做很高,难以实现系统需求中键盘显示和动态显示滴速。
方案二:
此方案采取80C52单片机系统来实现,可用软件实现复杂算法和控制。
这种方案方便地实现了系统需求中键盘设定和动态显示滴速等功效。
2.2点滴检测方案比较
方案一:
可见光发光二极管和光敏三极管传感电路。
因为系统外界光源会对光敏二极管工作有很大干扰,一旦外界光亮度改变,就会影响对液滴判定。
如采取超强亮度发光管能够减小干扰,但功率损失大。
所以方案一不可取。
方案二:
不调制红外对射传感器。
因为直接采取直流电压对发光管进行供电,考虑到平均功率限制,工作电流不能高于元件额定值,对投币照射有一定困难且仍然轻易受到外部广元等干扰。
方案三:
脉冲调制红外对射传感器。
红外发射管最大工作电流是由其平均电流决定,采取占空比小调制信号,瞬间电流会达成很大,大大提升了信号噪声比,提升了系统抗干扰能力。
所以,本设计采取方案三。
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,利用药品导电特征来检验瓶内药品是否用完。
毫无疑问,该技术含有较低成本,但存在着安全隐患—药品特征是否会因通电而受到影响,还有电极消毒问题。
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)依据药品重量改变来判定药液输完是否,方法即使简便,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:
液面检测法经过固定在输液瓶或输液管上光电传感器(有采取半导体激光,也有采取红外光)利用液面下降到预定位置时对光反射或折射情况改变来判定药品输完是否。
其中检测瓶内液面,一样可靠性及适应性受到质疑,而且采取激光光源还将带来一个高成本问题。
方案四:
超声回波检测法它是经过脉冲信号激励超声波发生器发出超声波,当超声抵达输液瓶中液面后被液面反射回到超声波接收器,经过检测超声波从发射到接收需时间,再依据超声波在介质中传输速度及仪器安装高度,即可得出输液瓶中度。
含有非接触特点,且性能可靠、安全性好,含有实用价值,不过因为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测中应用。
方案五:
液滴计数法它是依据临床医学相关知识,一定量(以毫升为计量单位)药液其输液量和药滴数相关,通常来说从莫非管式滴管滴落每一滴为1/20毫升,或是每20滴液滴总计一毫升。
所以只要能检测液滴滴数,即可检测到药液输入量。
这种技术因为操作方便、价格廉价,且可靠性,实用性好它已经得到了大量使用。
综合比较上面五种方案,从实用,简便同时确保测量正确度上,使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想选择。
2.4速度控制方案
对液体点滴速度控制,能够使用下面两种方案:
方案一:
采取输液软管夹头松紧程度来控制液滴流速,控制滴速夹移动距离很小,不过滴速夹松紧调整过程中,存在很多原因,比如橡胶粘度和液体粘度,弹簧弹力等等,全部为非线性控制量,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。
所以假如采取夹头控制难以实现类似线性控制。
方案二:
经过电机和滑轮系统控制储液瓶高度,来达成控制液滴流速目标,方案实现较为简便,经过步进电机可方便地实现对储液瓶高度调整,从而达成控制液滴流速目标,但缺点是调整储液瓶移动距离比较大,所需时间比较长,而且储液瓶高度和流速关系非线性,而且没有现成理论公式能够利用,而只能取足够多采样点,来分析二者之间关系,得出大致经验公式。
在自变量(储液瓶移动距离)改变范围较大情况下,这项工作较为繁杂。
第一项第二项方案经过综合比较,使用电机调整高度来实现控制效果很好,
所以决定选择第二项方案。
2.5电机选择
首先讲讲电机选择,常见电机关键有以下多个:
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、无抱死功效,假如要求正确停在一个位置,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,适适用于较正确测量中,可有效提升输液速度控制精度。
伺服电机,机械特征很好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转控制较轻易、且含有抱死功效(未上电时电机转矩很大),但考虑到其实际价格动辄就是几千块,故而弃用。
综合考虑上述多种电机特点后,最终选择步进电机。
三、系统硬件设计
3.1系统硬件设计
本系统中央处理器由80C52单片机组成,完成对某一具体输液控制过程监控。
同时还包含输液信号获取单元,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采集;脉冲整形和A/D转换电路把采集模拟信号变为数字信号。
声光报警电路用来进行异常报警。
和完成对液体点滴控制和显示,键盘输入控制液滴速度。
其硬件具体检测电路图所表示:
图3-1系统设计硬件电路图
3.2.1中央处理单元
本设计采取80C52单片机作为中央处理控制器。
89C52是INTEL企业MCS-51系列单片机中基础产品,它采取ATMEL企业可靠CMOS工艺技术制造高性能8位单片机,属于标准MCS-51HCMOS产品。
它结合了CMOS高速和高密度技术及CMOS低功耗特征,它基于标准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功效,适合于类似马达控制等应用场所。
89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存放器RAM、8k片内程序存放器(ROM)32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中止结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
另外,89C52还可工作于低功耗模式,可经过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中止系统维持其功效。
掉电模式下,保留RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功效。
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,其传感器部分采取红外对射式光电传感器,图3-2所表示:
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,它关键功效是实现电—红外线—电转换。
因为红外光波长比可见光长,受可见光影响较小,其红外系统含有尺寸小、重量轻、易于安装等优点。
所以是检测液滴滴速首选传感器。
为了降低环境光源干扰、增强信噪比,采取脉冲调制方法。
传感器作用就是将被测物理量改变过程信号根据一定规律转化成为适于传输和统计电量(电压或电流)信号。
传感器输出电量信号通常比较小,不能直接用来显示、统计及进行A/D转换所以,我们需要有一个步骤,把微弱信号放大调整到能和A/D转换器输入电压相匹配幅度。
信号放大就是把前面由光电传感器所采集到光电信号转换成为能够处理电信号。
R1为红外线发光二极管限流电阻,R2起到电流转换为电压作用。
当有液滴滴落时,滴落液滴把发射管发射红外光挡住,光敏二极管产生数值很小暗电流,再经过电阻R2时,R2就把光敏二极管上光通量改变转换成了R1上电信号改变,再经过整形和A/D转换,最终送入到单片机中进行处理。
本系统用光电传感器来检测单位时间内点滴下落个数,该传感器内含有一个红外发光二极管,一个光敏三极管(用来接收反射回来红外光)。
当发光二极管发出红外光大部分被光敏三极管接收时,接收端光敏三极管导通;光敏三极管接收到反射红外信号微弱时,接收端光敏三极管截止。
具体电路形式图。
在图3—2中,向下那个脉冲就是因为液滴落下时,液滴挡住一部分红外线使得红外线光敏二极管只能部分接收到红外线发光二极管所发出红外线形成脉冲,它脉冲个数是和液滴个数一一对应,也就是说,只要能够数出脉冲个数也就是知道了液滴滴数了。
3.2.3点滴信号比较、滤波、整形电路
传感器输出信号通常能够分为两类:
一类为模拟量,比如压力、温度、加速度等测量;另一类为数字量,比如用光电或电磁传感器测量转速等测量。
对模拟量信号进行调整匹配时,需要经过放大电路、调制和解调电路、滤波电路、采样保持电路、A/D和D/A转换电路等。
而对数字信号进行调整匹配时,通常只需使信号经过比较器电路及整形电路、控制计数器计数即可。
所以是属于上面说第二类,只要进行比较和整形即可。
本单元就是对由光电转换单元传出数字信号进行整形和模数变换,方便实现和单片计接口问题。
在本设计中所用比较器是LM339A,关键是利用了它单限比较器。
在本单元中所用比较器是LM339A是单比较器,LM339A是晶体管结构,输出级是集电极开路结构。
它含有失调电压平衡调整端(或用作选通端),而且含有连接负载全部多样性及输出电流可达5OmA特点。
3.2.4液位检测单元
同点滴速度检测部分一样,考虑到系统医用卫生标准,医用吊瓶中应尽可能避免异物进入,选择红外探测方案。
即使吊瓶壁厚度和外直径全部比滴斗大多,但在增大了红外发射功率后,经过有水和无水储液瓶接收信号差异还是能够达成30~40mV,这说明红外探测对于越限报警电路来说也是可行。
因为越限报警电路只需要在液面下降到红外发射接收通路高度以下时发出警报,所以就考虑使用和点滴速度一样设计电路,然后经过连接到计数器/定时器T1上,经过T1电平改变,即可知道液面是否抵达警戒液面,然后报警。
这么,电路能够简单、明了,易于检测液面。
图3-4液面检测单元
3.2.5检测电路抗干扰方法
电路中使用光电传感器检测点滴速度和警戒值。
这么系统检测信号受到可见光和测量调整中点滴抖动影响,要使检测到信号尽可能正确,需要对系统电路进行抗干扰处理。
(1)预防可见光干扰电路中使用了光电传感器,在接收到发送红外线同时,将会接收可见光。
当可见光强度足够大时,将会影响到接收红外光信号精度。
抗可见光干扰能够使用在光电传感器探测头加遮光罩,或使用脉冲频率调制方法。
因为系统电路中使用直流电源给光电传感器提供工作电压,所以本系统使用在光电传感器探测头上加遮光罩。
(2)防抖动干扰电路中需要检测储液瓶中液面高度以实现报警,同时需要检测点滴速度及经过改变
高度实现对点滴速度控制,所以测量时被测装置将会移动,当光电传感器和被测装置之间不能紧密连接时,检测到信号误差,所以要减小被测装置移动时产生抖动干扰。
本系统中将光电传感器固定在被测装置上,以减小被测装置移动时产生抖动干扰。
当储液瓶中液面晃动时,会使光敏传感器产生误报警,利用单片机检测信号时,合适加上一段时间延迟,待系统稳定时再测,能够减小液面晃动时产生干扰。
(3)干扰软件处理。
以下图,是单片机输入信号正常波形和异常波形。
图3-5单片机输入信号
检测到正常波形时脉冲宽度是tmS,若软件采集脉冲波形上升沿,则检测到异常波形时,软件在tmS时间内只默认采集了一个上升沿,立即另一个上升沿屏蔽掉,这么软件就能将异常波形转换成正常波形进行处理。
3.2.6声光报警电路
本设计采取一个蜂鸣器和一个发光二极管实现声光报警。
当传感器检测液位低于预设值或传感器检测不到有液滴下落时,单片机控制蜂鸣器报警灯工作。
设计中声光报警单元分为两部分:
一是光报警。
它是利用80C52I/0口控制驱动发光二极管工作实现光报警功效。
二是声报警。
它是利用蜂鸣器发出声音提醒大家。
在本设计中光报警所使用是在80C52P1.7脚上接一个发光二极管,当报警信号来临时,它发出一亮一灭闪烁信号通知护士人员。
声报警部分它时利用报警器来完成。
现在市场上报警器种类很多,比如:
扬声器。
蜂鸣器灯,本设计中选择电磁式蜂鸣器作为报警器。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后,振荡器产生音频信号电流经过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁相互作用下,周期性地振动发声。
图3-6声光报警单元
3.2.7步进电机驱动单元(高度调整单元)
这部分关键由步进电机及其驱动电路和一定机械结构组成。
电机安装在地面,电机主轴上缠绕一根软线,软线经过支架顶部滑轮系在储液瓶上。
经过电机旋转可调整点滴装置高度。
步进电机是纯粹数字控制电动机,由电脉冲信号即可转变成角位移,比其它类型电动机更适合于本系统,故选择步进电动机。
本系统中使用步进电机来控制
高度,以控制点滴速度。
此次设计采取42BY015型步进电机,采取L298N芯片,L298N是ST企业生产一个高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采取15脚封装。
关键特点是:
工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,连续工作电流为2A;额定功率25W。
内含两个H桥高电压大电流全桥式驱动器,能够用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采取标准逻辑电平信号控制;含有两个使能控制端,在不受输入信号影响情况下许可或严禁器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;能够外接检测电阻,将改变量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机,该芯片能够驱动一台两相步进电机或四相步进电机,也能够驱动两台直流电机。
图3.7步进电机驱动
3.2.8键盘单元
键盘是由一组规则排列按键组成,一个按键实际上是一个开关元件,也就是说键盘是一组规则排列开关。
按键根据结构原理可分为两类,一类是触点式开关按键,如机械式开关、导电橡胶式开关等;另一类是无触点开关按键,如电气式按键,磁感应按键等。
前者造价低,后者寿命长。
所以,微机系统中最常见是触点式开关按键,本设计也不例外。
按键根据接口原理可分为编码键盘和非编码键盘两类,这两类键盘关键区分是识别键符及给出对应键码方法。
编码键盘关键是用硬件来实现对键识别,非编码键盘关键是由软件来实现键盘定义和识别。
全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供和键对应编码,另外,通常还含有去抖动和多键、窜键保
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