以89C51單片機為核心控制器件的液體點滴速度監(jiān)控系統(tǒng)設計

1. 引言

液體點滴速度控制系統(tǒng)對于大型醫(yī)院來說是一套能夠提高效率和服務質(zhì)量的控制設備，特別是遠程監(jiān)控功能能使護士站對于病人的點滴狀況進行實時監(jiān)視，并可根據(jù)病人狀態(tài)調(diào)節(jié)點滴速度。目前市場上點滴控制系統(tǒng)不少，本文的設計點在于低成本，僅使用最廉價89C51單片機以及普通的元件實現(xiàn)整套系統(tǒng)。

2. 系統(tǒng)設計要求

2.1． 從站設計要求

A．在滴斗處檢測點滴速度，并使用數(shù)顯裝置動態(tài)顯示點滴速度（滴/分）。

B．通過改變點滴瓶高度控制點滴速度，點滴速度可用鍵盤設定并顯示，設定范圍為20—150（滴/分），控制誤差范圍為設定值+/-10%+/-1 滴。

C．系統(tǒng)調(diào)整時間《=3 分鐘。

D．當點滴瓶里的液面低于警戒值時，能發(fā)出報警信號

2.2． 系統(tǒng)通訊設計要求

設計并制作一個由主站控制16 個從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)

A．主站功能：具有定點和巡回檢測兩種方式；可顯示從站傳輸過來的從站號和點滴速度；在巡回檢測時，住站能任意設定要查詢的從站數(shù)量，從站號和各從站的點滴速度；受到從站發(fā)來的報警信號后，能聲光報警并顯示相應的從站號；可用手動方式解除報警狀態(tài)。

B．從站功能：能輸出從站號，點滴速度和報警信號；從站號和點滴速度可以任意設定；接收主站設定的點滴速度信息并顯示；對異常情況進行報警。

C．主站和從站間的通信方式不限，通信協(xié)議自定，但盡量減少信號傳輸?shù)臄?shù)量。

3. 系統(tǒng)設計框圖

圖1 系統(tǒng)設計圖

4. 硬件設計方案與論證

4.1． 點滴速度檢測方案

本文使用槽型光電耦合器。由KODENSHI 公司的photointerrupterLG-207 的內(nèi)置的放大器和施密特集成電路和LITEON 公司的加指示燈。在槽型光耦輸出信號口接發(fā)光管。因為該耦合 器輸出的是經(jīng)過整形的脈沖信號，單片機很容易就能讀到，該脈沖同時驅(qū)動的指示發(fā)光管，能很直觀清晰的了解水滴下落的檢測情況，所以此裝置十分適合用于水滴滴速的檢測。

圖2 槽型光耦電路原理圖

4.2． 液面檢測報警方案

由發(fā)光二級管和光電三級管組成的光電傳感器。發(fā)光二級管和光電三級管分別固定在警戒位置的兩側(cè)，保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光和接收的三級管水平，光電三級管可以接收到發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光。當液面的高度正常時（高于警戒位），輸出一個4.2V 的高電平。若液面的高度低于警戒位，此時光點三級管輸出的是一個0. 2V 的低電平。在兩種情況下的輸出電壓有明顯的跳變，可以直接將低于警戒位三級管發(fā)出的低電平作為報警信號送給單片機。

4.3． 電動機驅(qū)動方案

方案一： 直流電動機驅(qū)動。直流電機的優(yōu)勢在于：可以自鎖，且?guī)ж撦d能力強，在12V的電壓下電動機運行平穩(wěn)。當電動機停止運行時，能很容易的拖住的輸液瓶，使其停穩(wěn)在相應的位置上。這種優(yōu)點對于調(diào)節(jié)滴液瓶的高度比有利。但是直流電機不可避免地使電動機的起停產(chǎn)生延時。這樣的拖動對提高輸液瓶定位的精度和點滴速度控制來說有些不利。控制電路采用慢速繼電器對電動機的開或關進行控制，只要有12V 的電壓就能通過開關的切換對電機進行的正反轉(zhuǎn)進行調(diào)整。電路簡單容易實現(xiàn)。

方案二： 4 相8 拍步進電機。向步進電機每發(fā)一個脈沖，電機轉(zhuǎn)動0.9 度（步進度為0.9 度/Step）。這樣的性能對于精確控制十分有利。但是步進電機也存在明顯的不足：不能自鎖，負載能力不如直流電機，驅(qū)動電流較大，運行時容易失步。電機停止運行時，由于拖動的是象輸液瓶這樣較重的負載而不能停穩(wěn)，導致滴液瓶高度上的變化。

綜合各方面指標，特別是考慮到電機的帶負載能力，本文決定采用了直流電動機的拖動方案來實現(xiàn)。

4.4． 數(shù)字顯示方案

采用字符式LCD（Liquid Crystal Display）顯示［3］?？梢杂脭?shù)字、部分符號和英文顯示較為清晰的提示，實現(xiàn)相對簡單，且對于本系統(tǒng)的點滴速度的動態(tài)顯示，足以滿足要求。

4.5． 滴速調(diào)節(jié)按鈕設定方案

每個按鈕開關都接10K 的下接電阻，使其處于關斷狀態(tài)輸出位低電平，而非浮空狀態(tài)［4］。要進行設定之前首先要按下“Ctrl”按鈕，輸出高電平給單片機的P0.5，說明設定開始。之后若按下按鈕“++”，輸出高電平給單片機的P0.6；若按下按鈕“--”，輸出高電平給單片機的P0.7。退出設定，要求同時給P0.6 和P0.7 以高電平，即需要同時按下按鈕“++”“--”對單片機進行說明。

4.6． 系統(tǒng)報警

聲光報警。一旦接收到報警信號，立即啟動鳥叫門鈴報警電路

5. 軟件設計

5.1． 單片機部分

單片機最小系統(tǒng)采用89C51 處理器，是整個硬件系統(tǒng)的核心。主要負責實現(xiàn)設定速度并顯示；現(xiàn)場點滴的脈沖讀入和現(xiàn)場點滴速度的檢測和顯示；接收液面檢測的報警信號，實現(xiàn)報警。

5.2． 點滴速度的測量顯示

方案一：以15 秒鐘為單位（滴/15 秒）進行點滴速度的測量，得到的速度值轉(zhuǎn)換成 以1 分鐘為單位的要求的速度（滴/分）?？紤]此方案是由于設計要求在3 分鐘之內(nèi)調(diào)整到設定速度，若直接采用（滴/分）作為單位，就沒有足夠的調(diào)整時間，而且以15 秒為單位的速度不會變化太大，對于電機的控制來說，更為平穩(wěn)。

方案二：測連續(xù)兩滴液滴的下落時間間隔t，再轉(zhuǎn)化成每分鐘的點滴數(shù)。由于每兩滴液滴的下落時間間隔會有所偏差，導致最終轉(zhuǎn)換的結(jié)果會有所誤差，故不采用。

5.3． 軟件流程圖

A. 轉(zhuǎn)速控制流程圖

圖3 直流電機控制流程圖

B. PC 主站與多個從機通訊程序流程圖

圖4 主從站通訊監(jiān)控流程

5.4． 通訊協(xié)議

主從站的通訊需要一定的通訊協(xié)議，本問所使用的通訊協(xié)議如表1。

例如，主站要向某從站查詢該從站的當前狀態(tài)：主站每隔0.2s 向從站發(fā)送一個查詢命令：“機號（30H~3FH）+ 查詢字（0A0H）”;從站送回狀態(tài)：“機號+當前滴液速度+是否有報警”。

6. 系統(tǒng)測試

通過實際測試，自帶整形電路的光電耦合器在透過滴液管的透明管壁后仍可以精確地測試到每滴液滴。通過置與滴液 架頂?shù)幕?，直流電機完全可以控制滴液瓶的升降。雖然理論上直流電機的控制精度不如步進電機精確，但是通過PI 算法，并使每次直流電機都只行走超調(diào)值的1/2 行程，系統(tǒng)仍然能夠在3 分鐘能達到所需要的液滴穩(wěn)定值。

7. 結(jié)論

采用電機控制液面高度，利用壓強的變化來改變點滴管內(nèi)的點滴速度的系統(tǒng)，再加上主站遠程監(jiān)控，能夠有效低降低醫(yī)護工作者的壓力。本系統(tǒng)可以以級少的成本與設備占用空間實現(xiàn)，另外，如果增加以太網(wǎng)接口，則可使本系統(tǒng)完全滿足大型醫(yī)院的需要。