液体点滴速度监控装置_F题_测评分析

图５为步进电机驱动电路，该方案采 用四相五线步进电机，以四相八拍方式 工作。比如：按 Ａ → ＡＢ → Ｂ → ＢＣ → Ｃ → ＣＤ → Ｄ → ＤＡ次 序 通 电 为 正 转 ，带 动 储 液 瓶升高，按 Ｄ → ＤＣ → Ｃ → ＣＢ → Ｂ → ＢＡ → Ａ→ ＡＤ次序通电为反转，带动储液瓶
（７）其它功能 不少队在制作中对 于题目中的“其它”要求，动了不少脑筋， 想了不少点子。比如：有的队设计了储液 瓶上升极限保护和报警，以保证调整过
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程中，不至于使储液瓶升得过高而摔 坏；有的队使用了红外遥控；有的设计 有语音提示和报警；有的设计有输液时 间记录等。
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液体点滴速度监控装置（Ｆ）
测评分析
·全国大学生电子设计竞赛湖北赛区评审组专家 蓝江桥教授·
２００３年全国大学生电子设计竞赛Ｆ 题，即《液体点滴速度监控装置》的任务 是：设计并制作一个液体点滴速度监控 装置，如图１所示。题目分基本要求和发
图１
挥部分：基本要求是（１）在滴斗处检测 点滴速度并能动态显示；（２）通过自动调 整高度ｈ２或输液管夹头的松紧程度等方 式控制点滴速度，改变点滴速度设定值 到稳定读数的调整时间≤３分钟；（３）当 ｈ１（液位）降到警戒值（２￣３ｃｍ）时报警。 发挥部分的主要要求是能进行主站与从 站之间的通信以实现主站对从站的巡检 和控制。
（４）主从机的通信及巡检控制 多数 实现发挥部分功能的队都采用了ＲＳ－４８５ 或ＲＳ－２３２串行通信方式实现主从机之间 的通信。其中，ＲＳ－４８５串行通信协议采 用平衡信号差电路传输高速信号，噪声 低，又可以多点之间或使用公用线通信， 它比 ＲＳ－２３２传输距离长、速度快，在传 输距离为 １２０ 米时，传输速率可达到 １Ｍｂｐｓ；如果采用较低的传输速率，如 ９６００ｂｐｓ，最大传输距离可达１２００米，效 果较好。
滴 滴 速 检 测 与 控 制 ，液 位 检 测 与 报 警 以 及主从机的通信等。各参赛队选用 了不同方案。
（１）点滴滴速检测 大多数参赛队都 采用红外发射－接收对管作为传感器来 检测点滴，还有个别队采用了光纤传感 器检测点滴。为增强红外光电传感器的 抗干扰能力，部分队增加了脉冲调制功 能。从实测情况看，这种方案检测效果较 好，性能价格比也比较高。但也有些参赛 队现场测试情况不理想，主要是传感器 的安装工艺有问题，发射与接收管没有 对准，可靠性不高。
Ｑ４ 截 止 ，电 机 正 转 。当 Ｑ６的 基 极 电 压 为 低电平、Ｑ７的基极电压为高电平时，Ｑ１、 Ｑ４ 导通，Ｑ２、Ｑ３ 截止，电机反转。电路 中的 Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４用来克服电机的反 电势，ＩＲＦＤ６３０（Ｑ２、Ｑ４）和 ＩＲＦＤ９６３０ （Ｑ１、Ｑ３）用于增强驱动能力。
图２
（１）滴速和液位检测电路 图２为 液滴滴速检测电路，由红外发射、接收、 脉冲整形三部分组成。当发射管和接收 管之间有液滴通过时，接收管导通，ＶＩＮ 输出的脉动信号加在运算放大器ＬＭ３２４ 的反相输入端，ＬＭ３２４的正相输入端输 入门限电压ＶＧ，将脉动信号整形后，产 生 ＶＯＵＴ，为一串规则的方波脉冲，脉冲 数 与 液 滴 滴 速 一 一 对 应 ，ＶＩＮ 、ＶＧ 和 ＶＯＵＴ 工作波形如图３所示。发射管限流电阻
图５
图４
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降低。７５４５１为 ＯＣ 门，单个 ＯＣ门的吸收 电流为５００ｍＡ，每相采用一对ＯＣ门驱动， 吸收电流可达 １Ａ。当控制Ａ相的Ｐ１．０输 入低电平时，Ａ相导通，步进电机转到Ａ 相，其它各相工作原理与此相同；当电路 中两相同时输入低电平时，步进电机转 到两相之间。通过调整脉冲周期可控制 步进电机转速。图中的二极管和电阻构 成泄放电路，以保护ＯＣ门不会因步进电 机突然停止时在电路中产生过高电压而 损坏。
３．结束语 总体而言，该题属于控制类选题，既
图６ 与生活实际接触紧密，容易进入，又要求 设计者有较宽的知识面和工程应用能力。 以上只是参评过程中印象较深的部分内 容，没有相关作品原稿，难免出错和疏 漏，仅供参考。◆
湖北赛区共有４９个代表队选Ｆ题，占 赛区参赛队的２１．６％，现场可测的有３１ 个 队 ，占 选 此 题 队 的 ６ ３ ． ３ ％ ，选 送 到 全 国 的 ６个队，有４个队获全国一等奖、２ 个 队 获 全 国 二 等 奖 。以 下 对 主 要 设 计 方案和测试的问题评述如下。
１．方案评述及问题分析 按 题 目 要 求 ，我 们 可 将 液 体 点 滴 速 度 监 控 装 置 的 主 要 功 能 归 纳 为：点
（２）液位检测 同点滴检测一样，大 多数队也采用红外发射－接收对管作为 传感器检测液面是否低于警戒值。还有 的队采用电容传感器测量液位，在储液 瓶的瓶身外贴２块金属薄片作为传感电 容，储液面下降，电容两极间的介电常数 减小，传感电容的电容值减小，再经过电 容／电压变换器转换为电压值，这种方案 虽然简单，但由于不同的药液可能有不 同的电容值，加之为了使电容量的变化 比较明显，瓶身外的金属薄片设计比较 大，影响对液面的肉眼观察，所以不太适 于临床使用；还有个别队采用自制探针 插入输液瓶内检测液位高度，虽然简单 可行，但不符合医用标准。
滴速，在执行元件的选取上，有的队用小 剪刀当夹头，有的队用驱动器的压轮当 夹头，这种方案的优点是控制比较精确， 调整比较迅速，稳定性也比较好，但在执 行元件的选取利用上要花费脑筋，另外 在控制较慢的滴速时容易使塑料软管夹 得过紧而变形，从而使液滴由慢速向快 速调整过程耗时太长。本赛区还有少数 队同时采用以上两种方案进行综合控制， 较好地模拟了实际手动控制的情况。
（３）点滴滴速控制 主要有两种方 案：一是通过电机驱动控制储液瓶升高 或降低（改变ｈ２）来调节点滴的滴速。从 现场实测的情况看，这种方案比较简单， 是大多数队的首选方案，但有些队不成 功的主要原因是在控制策略的软件设计 上考虑不够全面，有的控制范围达不到 要求；有的没有考虑储液瓶上升至极限 的保护等。另一种方案是通过电机驱动 控制输液软管夹头的松紧来调节点滴的
图３
Ｒ４ 取 ２００ Ω，电流约为 ２０ｍＡ，调节电 位器Ｗ２可调整门限电压，以抑制干扰。
液位检测电路与液滴滴速检测电路 类似，只不过红外 接收管输出的不 是脉动信号，而是 电平信号，经反相 器倒相后，送单片 机中断处理。如果 设定的滴速过高， 输液瓶上升到支支架顶部安装 另一个红外传感
（５）控制电机及其驱动 多数参赛 队在赛前训练时都做过有关电机控制的 题目，因此对控制电机及驱动电路的选 取方案比较成熟。主要有采用小功率步 进电机进行控制，调节比较平稳，经济适 用；还有的采用伺服电机和 Ｈ型脉冲宽 度调制（ＰＷＭ）桥式驱动电路，调速功 能较好，但成本相对较高。
（６）单片机及外围电路 大多数参赛 队都选用了单片机最小系统，有的用传 统的 ８９Ｃ５１、８９Ｃ５２，也有的用自带语音 功能的凌阳单片机。还有不少队采用 ＣＰＬＤ实现外围电路的一些功能。
（３）主从站的通信结构 图６所示方 案为采用ＭＡＸ１４８７与单片机系统构成的 ＲＳ－４８５通讯接口，可以模拟１～１２８个从 站。ＭＡＸ１４８７ 为通讯驱动芯片。主站和 从站的 ＲＸＤ 和 ＴＸＤ 端各接一片 ＭＡＸ１４８７ 的 ＲＯ 与 ＤＩ 端，传输数据，ＭＡＸ１４８７ 的 读写使能端ＲＥ和ＤＥ接单片机的Ｐ１．４口， 当 Ｐ１．４口输出高电平时，接收数据，反 之，传送数据。
２．典型设计方案 以下是部分成功案例中所用到的典 型电路。
器，当检测到输液瓶上升到极限时发出 报警信号，通知单片机控制电机停转。
（２）电机驱动电路 图４为采用对称 Ｈ 桥 式 驱 动 电 路 。为 了 减 小 电 机 对 单 片 机和检测电路的影响，前后级加光耦隔 离，并加一级三极管作光耦驱动。电路 中，当 Ｑ５的基极电压为高电平、Ｑ８的基 极电压为低电平时，Ｑ２、Ｑ３ 导通，Ｑ１、