液体点滴速度监控装置

D题：液体点滴速度监控装置

作者：赵立双（200407023007）

吴崇飞（200407023005）

吕可（200407023026）

单位：光电科学与工程学院学员二队

摘要

本系统以AT89S52单片机为核心建立了包括1个主站和16个从站的液体点滴速度控制装置。设计中采用光电手段对点滴速度和输液瓶中液面高度进行检测，通过步进电机牵引改变输液瓶的高度对点滴速度进行控制。系统中主站可以通过不同方式很好地实现与从站的通信和对从站的控制，并能有效地对从站发生的异常情况进行处理。另外，为提高该系统实用性，在从站上还增加了向主站发送呼叫请求的功能。

一、方案设计与论证

1．点滴速度与液面高度检测方案

方案一：利用药液的导电性，采用金属电极对点滴速度和液面高度进行检测，如图1所示。当液体连接两个金属电极时，电路导通；当液

体不连接两个金属电极时，Array电路断开。这样，对于点滴

速度检测：当液滴下落经过

金属电极时，电路中产生一

个电脉冲；对于液面高度检

测：当液面高度低于警戒线

后，检测电路断开，从而引

图1

起控制系统的中断处理。

方案二：采用光电传感器（由红外发光二极管与光电二极管组成）检测点滴速度和液面高度信号。光电传感器又有反射式与透射式两种。

考虑到无色液滴的反射系数较小，因此采用透射式光电传感器对点滴速

度和液面高度进行检测，如图2所示。当光电对管间没有液体时，达到光

电二极管的红外光最强，流过光电二极管的电流相应为最大；当光电二

极管间有液体时，由于液体对红外光的散射、反射和折射作用，使达到

光电二极管的光强减弱，流过光电二极管的电流相应减小。

比较以上两种方案： 方案一检测直接，获得的信号可不经处理直接供控制部分使用。但其探测器接触药液，会对药液造成污染，这在医疗器械中是绝对不允许存在的。方案二利用光电手段对检测量实施间接检

测，从而达到探测器与药液隔离，不对药液产生任何污染。但无色液体对红外光的散射、反射和折射作用不足够强，流过光电二极管的电流相应变化不大，因此就必须采用放大电路对光电二极管采集的信号进行放大，使信号满足后续电路的要求。

综合上面对两种方案的考虑，本设计选用方案二。

2． 点滴速度控制方案

方案一：改变一段输液管的输液截面积控制点滴速度。原理与现行的输液管控制阀原理相同。

方案二：改变输液瓶高度控制点滴速度。输液瓶高度的改变可直接影响输液管中压强的变化，根据点滴速度与输液管中压强的相关性，可以通过调整输液瓶的高度对点滴速度进行调整和控制。

比较以上两种方案：

方案一原理简单，但控制难度较大：输液管导通面积本来就不大，此方法控制点滴速度过于灵敏；输液管弹性欠佳，恢复原形时间过长，影响系统响应度；此方法必然在输液管上安装较大体积的控制部件，使系统的实际应用受到限制。方案二控制方法简单，可用步进电机调节输液瓶高度，控制点滴速度。综合以上分析，本设计选用方案二。

图2

3． 通信方案

目前单片机间通信已有多种总线方式，如I 2C 总线方式、CAN 总线方式、RS-485总线方式、ISA 总线方式等。但由于所学专业原因对这些通信方式不甚了解，且自学时间有限，利用以上方式实现通信方案难度较大。本设计采用了一种自己设计的通信方案，如图3所示。

该方案中，主站通过4-16译码器选择要与之通信的从站，同一时刻主站只能选择一个从站并与之进行通信，通信的方向与内容由主站通过指令码方式传递给从站。

该设计把异常处理与正常情况下单片机间通信分开，另外设计了异常处理部分，如图4所示。

当某从站发生异常情况时，标志异常引脚输出高电平，触发主站中断。主站响应中断后立即判读4-16编码器输出信号，从而判断发出异常

图

3

图4

信号的从站并利用图3通信系统与异常从站通信，获取异常信息并显示，同时发出报警。

二、 理论分析与算法设计

通过测量发现输液瓶的高度改变量h ?与点滴速度改变量v ?成一次线性关系，图5为实际测量曲线（图中液面高度和滴数为测量量，不是改变量）。

由于输液瓶的高度改变量h ?与点滴速度改变量v ?有较好的线性关系，因此单片机可采用较为简单的查表法对步进电机实施控制。对应上图，在单片机程序区可建立如下表格：

通过以上表格可以粗略计算出点滴速度v 所对应的高度h 。 定义数组：

unsigned char code h_table[11] = {50,58,64,71,78,92,101,106,114,125,136};

则点滴速度v 所对应的输液瓶高度h 可由以下语句计算得出： h = (h_table[v/10-2]*(10-v%10)+h_table[v/10-1]*(v%10))/10;

利用上面方法可分别算出实际点滴速度f v 和设定点滴速度s v 所对应

图5

的输液瓶高度f h 、s h ，则所需调节的高度差f s h h h -=?。将需要调节高度h ?传送到步进电机，通过多次反馈调节便可实现对点滴速度的控制。

三、 系统设计

1． 系统构成

系统以AT89S52单片机为核心，建立了1个主站和16个从站的有线通信控制系统。主站通过通信部分可与各从站通信：读取从站状态、设定从站点滴速度、处理从站异常等，并对读取信息进行显示和适时开启警报，如图6所示。

从站对其控制的点滴装置进行点滴速度与液面高度的检测和显示，并根据设定点滴速度利用查表法驱动步进电机控制点滴速度。同时对异常情况做出响应和报警，触发主站中断，如图7所示。

2． 主站

主站通过与各从站间的通信，实时获取从站信息、响应从站异常，并根据需要设定从站点滴装置的点滴速度。主站所实现的功能有以下几个方面：

图6

与从站通信：主站能够以巡检和定点检查方式访问从站，读取被访问从站状态信息，控制被访问从站点滴速度，并响应从站的异常与呼叫请求。

显示主、从站状态信息：正常工作时实时显示被访问从站的号码、点滴速度和设定点滴速度；用户设置时显示设置的进度与内容；当有从站发生异常或发出呼叫请求时显示请求从站号码和异常（包括呼叫）代码。

用户输入：用户通过按键控制系统工作，下面介绍主站按键组成部分和操作流程（如图8所示）。

三种状态。

滴速度。

1按键：对处于设定状态下的变量（从站号码或从站

点滴速度）进行加1操作。

1按键：对处于设定状态下的变量（从站号码或从站

点滴速度）进行减1操作。

声光报警：当从站发生异常或呼叫时，主站产生声光报警信号进行提示。产生的报警信号可以通过上述确认键结束。

实现上述功能的电路结构将在下面详述。

从站是完成检测与控制任务的核心，其性能也是该系统性能优劣的主要判据。从站在完成检测与控制任务的同时还要能够与主站正常通信，并接受主站的控制。从站的功能主要分为以下几个方面：

检测：利用红外光电对管检测点滴速度与液面高度，并加适当放大电路以达到单片机对信号的要求。

控制：利用单片机控制步进电机动作，调整输液瓶高度，从而控制点滴速度。

显示：实时显示实际点滴速度和设定点滴速度，并在异常时显示异常代码。

用户输入：同样是利用按键作为输入设备，从站与主站相比没有状态切换按键和流速设定按键，增加了呼叫按键。可实现的功能有设定点滴速度、发出呼叫信号和结束异常情况下的声光报警三种。

声光报警和通信功能：这两项功能与主站一致，这里不再赘述。

4．通信电路

由主站控制4-16译码器74LS154选择通信从站，通过数据线和时钟线传递信息。从站异常通过与非门触发主站中断，并利用两片8-3优先编码器74LS148和四组二输入与非门74LS08组成的16-4优先编码器使主站确定发生异常的从站号码，电路如下图9所示。

图9

5．显示电路

显示部分用8位七段数码管。数码管采用共阳极接法，单片机通过3-8译码器选通不同数码管。不同数码管相同端并联在一起，用单片机P0口驱动，电路如下图10所示。

图10

由于系统中按键数量不多，因此每

个按键可以单独连接一个I/O口，这样

设计不仅结构简单，而且利于编程实

现，电路如右图11所示。

7． 报警电路

报警电路用于异常情况（包括从站

的呼叫请求）下的提示。包括声（蜂鸣器）、光（红色LED ）两部分。为节省I/O 口资源，设计中把声光部分串连起来，令两部分同步工作，电路如右图12所示。

四、 程序设计

主站完成对各从站的监测与控制，不涉及直接读取点滴设置参量。因此其软件设计核心是对从站检测方式的设定和与从站的通信。主站主程序流程图如图13所示。

图12

从站完成对点滴装置的监控和与主站间的通信，其主程序流程图如图14所示。

图14

在主、从站通信中，除异常中断是由从站引起外，其余均由主站开始。由于通信过程中涉及到多种传输数据方式，因此在传输数据前有主站先发送相应指令代码，以确定传输的数据内容，达到主、从站传送、接收一致。指令代码及其对应的数据传输方式如下表：

下面的图14和图15分别是主、从站对于除指令代码“11”外的通信子程序的程序流程图，对于指令代码“11”的情况余力相同，只需将主、从站通信中间过程稍加调换即可，

图14主站

五、参考文献

1．刘月龙曹中平王善磊，《液体点滴速度监控装置》，全国大学生电子设计竞赛论文，吉林大学

2．廖军周盛郑忠军，《液体点滴速度监控装置》，温州师范学院，温州，325027