摘要：本設(shè)計(jì)采用89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制器件，由直流電動(dòng)機(jī)作為液體點(diǎn)滴速度的控制執(zhí)行器件，進(jìn)行液體點(diǎn)滴滴速的控制。選擇合適的傳感器，準(zhǔn)確地檢測(cè)出模擬信號(hào)是實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，本設(shè)計(jì)中使用了對(duì)水滴檢測(cè)效果甚好的槽型光電耦合器（每當(dāng)液滴被檢測(cè)到，立即輸出一個(gè)脈沖信號(hào)）來(lái)完成精確的點(diǎn)滴速度的測(cè)定。串行通訊接口建立了主站與從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)，主機(jī)采用VB 編寫(xiě)的界面，顯示了友好的人機(jī)交互界面。制成了一套簡(jiǎn)易實(shí)用的液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置。經(jīng)過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，表明本裝置較好地完成該項(xiàng)目所提出的設(shè)計(jì)任務(wù)。

　　1. 引言

　　液體點(diǎn)滴速度控制系統(tǒng)對(duì)于大型醫(yī)院來(lái)說(shuō)是一套能夠提高效率和服務(wù)質(zhì)量的控制設(shè)備，特別是遠(yuǎn)程監(jiān)控功能能使護(hù)士站對(duì)于病人的點(diǎn)滴狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并可根據(jù)病人狀態(tài)調(diào)節(jié)點(diǎn)滴速度。目前市場(chǎng)上點(diǎn)滴控制系統(tǒng)不少，本文的設(shè)計(jì)點(diǎn)在于低成本，僅使用最廉價(jià)89C51 以及普通的元件實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)。

　　2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　2.1． 從站設(shè)計(jì)要求

　　A．在滴斗處檢測(cè)點(diǎn)滴速度，并使用數(shù)顯裝置動(dòng)態(tài)顯示點(diǎn)滴速度（滴/分）。

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

　　C．系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間<=3 分鐘。

　　D．當(dāng)點(diǎn)滴瓶里的液面低于警戒值時(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)

　　2.2． 系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)要求

　　設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由主站控制16 個(gè)從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)

　　A．主站功能：具有定點(diǎn)和巡回檢測(cè)兩種方式；可顯示從站傳輸過(guò)來(lái)的從站號(hào)和點(diǎn)滴速度；在巡回檢測(cè)時(shí)，住站能任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)量，從站號(hào)和各從站的點(diǎn)滴速度；受到從站發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào)后，能聲光報(bào)警并顯示相應(yīng)的從站號(hào)；可用手動(dòng)方式解除報(bào)警狀態(tài)。

　　B．從站功能：能輸出從站號(hào)，點(diǎn)滴速度和報(bào)警信號(hào)；從站號(hào)和點(diǎn)滴速度可以任意設(shè)定；接收主站設(shè)定的點(diǎn)滴速度信息并顯示；對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)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(hào)傳輸?shù)臄?shù)量。

　　3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

　　4. 硬件設(shè)計(jì)方案與論證

　　4.1． 點(diǎn)滴速度檢測(cè)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(hào)口接發(fā)光管。因?yàn)樵擇詈?器輸出的是經(jīng)過(guò)整形的脈沖信號(hào)，單片機(jī)很容易就能讀到，該脈沖同時(shí)驅(qū)動(dòng)的指示發(fā)光管，能很直觀清晰的了解水滴下落的檢測(cè)情況，所以此裝置十分適合用于水滴滴速的檢測(cè)。

圖2 槽型光耦電路原理圖

　　4.2． 液面檢測(cè)報(bào)警方案

　　由發(fā)光二級(jí)管和光電三級(jí)管組成的光電傳感器。發(fā)光二級(jí)管和光電三級(jí)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(jí)管水平，光電三級(jí)管可以接收到發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光。當(dāng)液面的高度正常時(shí)（高于警戒位），輸出一個(gè)4.2V 的高電平。若液面的高度低于警戒位，此時(shí)光點(diǎn)三級(jí)管輸出的是一個(gè)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(jí)管發(fā)出的低電平作為報(bào)警信號(hào)送給單片機(jī)。

　　4.3． 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

　　方案一： 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于：可以自鎖，且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，在12V的電壓下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，能很容易的拖住的輸液瓶，使其停穩(wěn)在相應(yīng)的位置上。這種優(yōu)點(diǎn)對(duì)于調(diào)節(jié)滴液瓶的高度比有利。但是直流電機(jī)不可避免地使電動(dòng)機(jī)的起停產(chǎn)生延時(shí)。這樣的拖動(dòng)對(duì)提高輸液瓶定位的精度和點(diǎn)滴速度控制來(lái)說(shuō)有些不利?？刂齐娐凡捎寐倮^電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，只要有12V 的電壓就能通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)電機(jī)進(jìn)行的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整。電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。

　　方案二： 4 相8 拍步進(jìn)電機(jī)。向步進(jìn)電機(jī)每發(fā)一個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.9 度（步進(jìn)度為0.9 度/Step）。這樣的性能對(duì)于精確控制十分有利。但是步進(jìn)電機(jī)也存在明顯的不足：不能自鎖，負(fù)載能力不如直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電流較大，運(yùn)行時(shí)容易失步。電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，由于拖動(dòng)的是象輸液瓶這樣較重的負(fù)載而不能停穩(wěn)，導(dǎo)致滴液瓶高度上的變化。

　　綜合各方面指標(biāo)，特別是考慮到電機(jī)的帶負(fù)載能力，本文決定采用了直流電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　4.4． 數(shù)字顯示方案

　　采用字符式LCD(Liquid Crystal Display)顯示[3]。可以用數(shù)字、部分符號(hào)和英文顯示較為清晰的提示，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，且對(duì)于本系統(tǒng)的點(diǎn)滴速度的動(dòng)態(tài)顯示，足以滿足要求。

　　4.5． 滴速調(diào)節(jié)按鈕設(shè)定方案

　　每個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)都接10K 的下接電阻，使其處于關(guān)斷狀態(tài)輸出位低電平，而非浮空狀態(tài)[4]。要進(jìn)行設(shè)定之前首先要按下“Ctrl”按鈕，輸出高電平給單片機(jī)的P0.5，說(shuō)明設(shè)定開(kāi)始。之后若按下按鈕“++”，輸出高電平給單片機(jī)的P0.6；若按下按鈕“--”，輸出高電平給單片機(jī)的P0.7。退出設(shè)定，要求同時(shí)給P0.6 和P0.7 以高電平,即需要同時(shí)按下按鈕“++”“--”對(duì)單片機(jī)進(jìn)行說(shuō)明。

　　4.6． 系統(tǒng)報(bào)警

　　聲光報(bào)警。一旦接收到報(bào)警信號(hào)，立即啟動(dòng)鳥(niǎo)叫門(mén)鈴報(bào)警電路

　　5. 軟件設(shè)計(jì)

　　5.1． 單片機(jī)部分

　　單片機(jī)最小系統(tǒng)采用89C51 處理器，是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心。主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)定速度并顯示；現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)滴的脈沖讀入和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)滴速度的檢測(cè)和顯示；接收液面檢測(cè)的報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

　　5.2． 點(diǎn)滴速度的測(cè)量顯示

　　方案一：以15 秒鐘為單位（滴/15 秒）進(jìn)行點(diǎn)滴速度的測(cè)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(shè)計(jì)要求在3 分鐘之內(nèi)調(diào)整到設(shè)定速度，若直接采用（滴/分）作為單位，就沒(méi)有足夠的調(diào)整時(shí)間，而且以15 秒為單位的速度不會(huì)變化太大，對(duì)于電機(jī)的控制來(lái)說(shuō)，更為平穩(wěn)。

　　方案二：測(cè)連續(xù)兩滴液滴的下落時(shí)間間隔t，再轉(zhuǎn)化成每分鐘的點(diǎn)滴數(shù)。由于每?jī)傻我旱蔚南侣鋾r(shí)間間隔會(huì)有所偏差，導(dǎo)致最終轉(zhuǎn)換的結(jié)果會(huì)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(jī)控制流程圖

　　B. PC 主站與多個(gè)從機(jī)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(wèn)所使用的通訊協(xié)議如表1。

　　例如，主站要向某從站查詢?cè)搹恼镜漠?dāng)前狀態(tài)：主站每隔0.2s 向從站發(fā)送一個(gè)查詢命令：“機(jī)號(hào)（30H~3FH）+ 查詢字（0A0H）”;從站送回狀態(tài)：“機(jī)號(hào)+當(dāng)前滴液速度+是否有報(bào)警”。

　　6. 系統(tǒng)測(cè)試

　　通過(guò)實(shí)際測(cè)試，自帶整形電路的光電耦合器在透過(guò)滴液管的透明管壁后仍可以精確地測(cè)試到每滴液滴。通過(guò)置與滴液 架頂?shù)幕?，直流電機(jī)完全可以控制滴液瓶的升降。雖然理論上直流電機(jī)的控制精度不如步進(jìn)電機(jī)精確，但是通過(guò)PI 算法，并使每次直流電機(jī)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(dá)到所需要的液滴穩(wěn)定值。

　　7. 結(jié)論

　　采用電機(jī)控制液面高度，利用壓強(qiáng)的變化來(lái)改變點(diǎn)滴管內(nèi)的點(diǎn)滴速度的系統(tǒng)，再加上主站遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠有效低降低醫(yī)護(hù)工作者的壓力。本系統(tǒng)可以以級(jí)少的成本與設(shè)備占用空間實(shí)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。