液体点滴速度监控系统的设计说明

液体滴落检测与计数
摘要
输液是医院常用的治疗手段，传统输液过程中存在着输液速度不精确、需要人工监护等弊端。

本文的目标就是设计一种输液监控系统以解决此问题。

本文设计的液体点滴速度监控装置系统，实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液面高度的检测报警，并且动态显示输液速度。

使用者可以通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，继而实现对输液瓶的控制。

系统以80C52单片机为核心，实现对输液瓶控制与液体点滴速度的显示和液体点滴速度的键盘控制；通过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度；通过实现对步进电机控制以实现对储液瓶高低的控制，来实现控制液体点滴速度。

在整体方案设计中，在保证设计系统能达到的题目要求的精度和稳定度的前提下，考虑到系统的轻便性、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
目录
任务与要求 (5)
一、绪论 (5)
1.1课题背景 (5)
1.2课题研究的目的和意义 (6)
1.3课题的思路与主要框图结构 (6)
二、方案比较与论证 (7)
2.1控制方案的比较 (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电机的选择 (8)
三、系统的硬件设计 (9)
3.1系统的硬件设计 (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点滴信号的比较、滤波、整形电路 (11)
3.2.4液位检测单元 (11)
3.2.5检测电路的抗干扰措施 (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、液体点滴监控系统的软件设计 (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输入键盘模块的设计 (24)
4.4.3数码管显示模块的设计 (24)
参考文献 (27)
附录 (28)
液体滴落检测与计数
难度系数:1.0一、任务
医用吊瓶注射如图所示，需要检测液体滴落速度和数量。

滴落速度围为20-150滴/分钟，可由滴速夹调节。

设计检测液体滴落数量与速度，并动态显示。

示意图
二、要求
1．基本要求
（1）可检测并动态显示液体滴落速度。

（2）滴落计数误差围在10%±1滴；
（3）储液瓶低液位报警，低液位可调。

2. 发挥部分
（1）检测误差不大于5%
（2）设计通过键盘设定滴落速度和数量的控制装置
（3）实现装置的远程监控
一、绪论
1.1课题背景
输液(俗称打点滴)是临床医学上最常用的治疗手段。

在病人输液的过程中，往往由于病人体质虚弱、昏迷、入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意到
输液全过程，从而需要专人监护，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理当输液完毕，若处理不与时，病人的血液就会因空管而倒流人输液针管，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的浪费等等。

因此常引发病人的不满以至投诉，使医护人员非常无奈。

本课题就是针对上述情况，通过声光报警监控的方法实现医院输液情况的实时监测，并通过单片机与数码管来实现输液数据的实时显示和存储，以与在特殊情况下的报警。

本课题对实现医院现代化、信息化有巨大的推动作用。

1.2课题研究的目的和意义
在输液远程监控系统中，信号提取是医疗监控系统工作的首要前提。

医疗输液信号自动检测和传输也是信号提取的过程，医疗工作人员常常需要检测和控制液体的储量或液位，如人工肾机的透析储液罐中液储量、自动洗胃机中冲洗液的液量、中医使用的药浴机中煎药锅中的水位、静脉输液液体量检测等等。

如果对仪器中液体储量疏于监测，在液体储量失控情况下或者在可能会给患者带来伤害甚至危机其生命。

通过对这些液体储量的监测，医护人员便可以随时了解液体余量，并能在液体缺少时与时自动和人工补充或者采取其他措施，维护医疗设备的安全运行。

因此，如何更好地对医疗液位进行监测，一直是医学工程人员考虑较多的课题之一。

而在临床医学中，常采用静脉穿刺的办法将药液直接经静脉注入体，这种输液方式称为静脉输液。

1.3课题的思路与主要框图结构
本课题研究的液体点滴速度监控系统采用对射式红外光电传感器，它具有非接触性测量，响应速度快，受环境影响小，测量精度高等优点。

它是一种可以利用其对物体表面黑度的敏感特性，应用于测量微小的位移。

从光源红外发射管发射出的一定强度的光束到达测量面后，根据物体表面的不同黑度和表面光洁度，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的光强成正比的电信号。

对射式光电传感器分为投光器和受光器两部分．两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。

输出脉冲再通过脉冲整形和A/D转换变为高低电平，最后输入到单片机的外部中断0中去。

单片机根据高低电平的变化来判断液滴的有无和对液滴的计数;每一个水滴产生一个这样的不规则的负向脉冲，脉冲数目与水滴数目一一对应。

实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液面高度的检测报警，并且动态显示输液速度。

使用者可以通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，继而实现对输液瓶的控制。

系统以80C52单片机为核心，实现对输液瓶控制与液体点滴速度的显示和液体点滴速度的键盘控制；通过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度；通过实现对步进电机控制以实现对储液瓶高低的控制，来实现控制液体点滴速度。

二、方案比较与论证
2.1 控制方案的比较
方案一：此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。

但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的键盘显示和动态显示滴速。

方案二：此方案采用80C52单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。

这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能。

2.2点滴检测方案比较
方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。

由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。

如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。

所以方案一不可取。

方案二：不调制的红外对射传感器。

由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部等干扰。

方案三：脉冲调制的红外对射传感器。

红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。

因此，本设计采用方案三。

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，利用药物的导电特性来检验瓶药物是否用完。

毫无疑问，该技术具有较低的成本，但存在着安全隐患—药物特性是否会因通电而受到影响，还有电极的消毒问题。

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)根据药物重量变化来判断药液输完与否，方法虽然简便，但其可靠性和适应性(对袋装与塑料瓶装液体不宜)无疑受到质疑。

方案三：液面检测法通过固定在输液瓶或输液管上的光电传感器(有采用半导体激光的，也有采用红外光的)利用液面下降到预定位置时对光的反射或折射情况的变化来判断药物输完与否。

其中检测瓶液面的，同样可靠性与适应性受到质疑，而且采用激光光源的还将带来一个高成本问题。

方案四：超声回波检测法它是通过脉冲信号激励超声波发生器发出超声波，当超声到达输液瓶中液面后被液面反射回到超声波接收器，通过检测超声波从发射到接收需的时间，再根据超声波在介质中传播的速度与仪器安装高度，即可得出输液瓶中度。

具有非接触的特点，且性能可靠、安全性好，具有实用价值，但是由于超声波探头价格昂贵与安装操作复杂，也阻碍了超声回波技术在静脉输液检测中的应用。

方案五：液滴计数法它是根据临床医学的有关知识，一定量(以毫升为计量单位)的药液其输液量与药滴数有关，一般来说从莫非管式滴管滴落的每一滴为1/20毫升，或者是每20滴液滴总计一毫升。

因此只要能检测液滴滴数，即可检测到药液的输入量。

这种技术由于操作方便、价格便宜，且可靠性，实用性好它已经得到了大量的使用。

综合比较上面五种方案，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。

2.4速度控制方案
对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案：
方案一：采用输液软管夹头的松紧程度来控制液滴流速，控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等等，都为非线性控制量，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。

所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。

方案二：通过电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的的距离比较大，所需时间比较长，而且储液瓶高度与流速的关系非线性，并且没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。

在自变量（储液瓶移动距离）变化围较大的情况下，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较好，因此决定选择第二项的方案。

2.5电机的选择
首先讲讲电机的选择，常用的电机主要有以下几种：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、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，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，适用于较精确的测量中,可有效提高输液速度的控制精度。

伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能(未上电时电机的转矩非常大)，但考虑到其实际价格动辄就是几千块，故而弃用。

综合考虑上述各种电机的特点后，最终选用步进电机。

三、系统的硬件设计
3.1 系统的硬件设计
本系统中央处理器由80C52单片机构成，完成对某一具体的输液控制过程的监控。

同时还包括输液信号获取单元，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。

其号获取单元完成输液信号的采集;脉冲整形和A/D转换电路把采集的模拟信号变为数字信号。

声光报警电路用来进行异常报警。

以与完成对液体点滴控制和显示，键盘输入控制液滴的速度。

其硬件具体检测电路如图所示：
图3-1 系统设计硬件电路图
3.2.1中央处理单元
本设计采用80C52单片机作为中央处理控制器。

89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。

它结合了CMOS的高速和高密度技术与CMOS的低功耗特征，它基于标准的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的功能，适合于类似马达控制等应用场合。

89C52置
8位中央处理单元、256字节部数据存储器RAM、8k片程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片时钟振荡电路。

此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通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、串行口和中断系统维持其功能。

掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片其它功能。

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，其传感器部分采用红外对射式光电传感器，如图３－２所示：
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的，它的主要功能是实现电—红外线—电的转换。

由于红外光波长比可见光长，受可见光影响较小，其红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装等优点。

因此是检测液滴滴速的首选传感器。

为了减少环境光源的干扰、增强信噪比，采用脉冲调制的方式。

传感器的作用就是将被测物理量变化过程的信号按照一定的规律转化成为适于传输和记录的电量(电压或电流)信号。

传感器输出的电量信号通常比较小，不能直接用来显示、记录与进行A/D转换因此，我们需要有一个环节，把微弱的信号放大调整到能与A/D转换器输入电压相匹配的幅度。

信号放大就是把前面由光电传感器所采集到的光电信号转换成为能够处理的电信号。

R1为红外线发光二极管的限流电阻，R2起到电流转换为电压的作用。

当有液滴滴落时，滴落的
液滴把发射管发射的红外光挡住，光敏二极管产生数值非常小的暗电流，再经过电阻R2时，R2就把光敏二极管上的光通量变化转换成了R1上的电信号的变化，再通过整形和A/D转换，最后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点滴下落的个数，该传感器含有一个红外发光二极管，一个光敏三极管（用来接收反射回来的红外光）。

当发光二极管发出的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；光敏三极管接收到的反射红外信号微弱时，接收端光敏三极管截止。

具体电路形式如图。

在图3—2 中，向下的那个脉冲就是由于液滴落下时，液滴挡住一部分的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的红外线形成的脉冲，它的脉冲个数是和液滴的个数一一对应的，也就是说，只要能够数出脉冲的个数也就是知道了液滴的滴数了。

3.2.3点滴信号的比较、滤波、整形电路
传感器输出信号通常可以分为两类:一类为模拟量，例如压力、温度、加速度等的测量;另一类为数字量，例如用光电或电磁传感器测量转速等的测量。

对模拟量信号进行调整匹配时，需要经过放大电路、调制与解调电路、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，通常只需使信号通过比较器电路与整形电路、控制计数器计数即可。

因此是属于上面说的第二类，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的数字信号进行整形和模数变换，以便实现和单片计的接口问题。

在本设计中所用的比较器是 LM339A，主要是利用了它的单限比较器。

在本单元中所用的比较器是LM339A是单比较器，LM339A是晶体管结构，输出级是集电极开路结构。

它具有失调电压平衡调节端(或用作选通端)，并且具有连接负载都多样性与输出电流可达5OmA的特点。

3.2.4 液位检测单元
同点滴速度检测部分一样，考虑到系统的医用卫生标准，医用吊瓶中应尽量避免异物进入，选择红外探测方案。

虽然吊瓶壁厚度和外直径都比滴斗大的多，但在增大了红外发射功率后，通过有水和无水的储液瓶接收信号差异还是可以达到30~40mV，这说明红外探测对于越限报警电路来说也是可行的。

由于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的设计电路，然后通过连接到计数器/定时器T1上，通过T1的电平的变化，即可知道液面是否到达警戒液面，然后报警。

这样，电路可以简单、明了，易于检测液面。

图3-4 液面检测单元
3.2.5检测电路的抗干扰措施
电路中使用光电传感器检测点滴速度和警戒值。

这样系统检测信号受到可见光以与测量调节中点滴抖动的影响，要使检测到的信号尽量准确，需要对系统电路进行抗干扰处理。

（1）防止可见光干扰电路中使用了光电传感器，在接受到发送的红外线的同时，将会接收可见光。

当可见光的强度足够大时，将会影响到接收的红外光信号的精度。

抗可见光干扰可以使用在光电传感器探测头加遮光罩，或使用脉冲频率调制的方法。

由于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
h高度实现对点滴速度的控制，所以测量时被测装要检测点滴速度与通过改变2
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，检测到的信号误差，所以要减小被测装置移动时产生的抖动干扰。

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的抖动干扰。

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，适当加上一段时间的延迟，待系统稳定时再测，可以减小液面晃动时产生的干扰。

（3）干扰的软件处理。

如下图，是单片机输入信号的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t mS，若软件采集脉冲波形上升沿，则检测到异常波形时，软件在t mS 时间只默认采集了一个上升沿，即将另一个上升沿屏蔽掉，这样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
本设计采用一个蜂鸣器与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。

设计中的声光报警单元分为两部分:一是光报警。

它是利用80C52的I/0口控制驱动发光二极管工作实现光报警的功能。

二是声报警。

它是利用蜂鸣器发出声音提示人们。

在本设计中光报警所使用的是在80C52的P1.7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的。

现在市场上的报警器的种类很多，比如:扬声器。

蜂鸣器灯，本设计中选用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、振动膜片与外壳等组成。

接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。

振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，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）
这部分主要由步进电机与其驱动电路和一定的机械结构组成。

电机安装在地面，电机的主轴上缠绕一根软线，软线通过支架顶部的滑轮系在储液瓶上。

通过电机的旋转可调节点滴装置的高度。

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
h的高度，以控制点滴速度。

此次设计采用42BY015型步进电机，采用L298N 控制
2
芯片，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：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，持续工作电流为2A;额定功率25W。

含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以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;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

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的按键组成，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的开关。

按键按照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。

因此，微机系统中最常见的是触点式开关按键，本设计也不例外。

按键按照接口原理可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符与给出相应键码的方法。

编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。

全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与键对应的编码，此外，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路，这种键盘使用方便，但需要较多的硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。

非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其它工作均由软件完成。

由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中，本设计便是如此。

本设计使用的是机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。

也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。

机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。

其抖动过程所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5~10ms。

按键触点的机械抖动在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。

即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。

为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。

在键数较少时，可采用硬件去抖，本设计采用软件去抖。

软件去抖采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态；同理，在检测到该键释放后，也应采用一样的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。

一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：（1）检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。

（2）有可靠的逻辑处理办。