基于单片机的液体点滴速度监测与控制设计

李刚

摘要：利用单片机设计并制作一个智能化的医用液体点滴速度监测与控制装置。该装置由水滴速度测试系统、水速控制系统、数妈显示装置、单片机控制系统等系统组成。其基本原理是利用水的压强随着高度差的变化而变化，使用控制步进电动机的升降来控制点滴速度。点滴速度可用键盘来设定，设定范围为20～150（滴/分），控制误差范围在10%±1滴左右。从改变设定值起到设定点滴速度，基本稳定整个过程的调整时间小于3分钟。

关键词：点滴速度；红外传感；步进电动机；51单片机

1.引言

1.1课题

随着科学技术的发展，越来越多的领域需要对液体的流量进行精确控制，如化工方面对微量化学元素的检测和分析常需精确控制流量，医疗领域中药液的输液量与点滴速度也需要精确的控制以达到更好治疗效果。

液体点滴速度监控器在医院中主要就是应用于静脉输液。随着医院管理系统进一步升级，如何利用计算机与现代控制技术提高医疗器械的自动化成为目前主要应用方向之一。

1.2课题目的和意义

目前大小医院中所使用的静脉输液器都是悬挂在病人的头上才能输液，液体点滴速度难以实现精确控制，这对特护病人和对输液速度有较严格要求的病人是不方便的。此设计中的液体点滴速度监控器可以用键盘准确控制速度，精确控制药液的输液量和输液速度，能对输液过程中出现的异常情况进行监测报警，预防输液医疗事故的发生，有助于减轻医护人员的工作强度，提高安全性、精确性和工作效率。且设备结构简单，价格低，所以对液体点滴速度监控器的研究设计十分有意义。

1.3主要设计内容

设计并制作了一个液体点滴速度监测与控制装置，设计内容及实现功能有：

（1）采用51系列单片机作为控制核心电路；

（2）可以在静脉输液器的滴斗处检测点滴速度，并制作了一个数码显示装置，实现动态显示点滴速度（滴/分）；

（3）通过改变静脉输液器的储液瓶的高度实现控制点滴速度，也可以通过控制软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为10～160（滴/分）。

2.设计方案比较与论证

2.1点滴速度控制方式

方案一：改变输液瓶高度控制点滴速度。

在静脉输液器的输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶的高度不同所引起的液体压强差的变化，实现对输液点滴速度的控制。

方案二：改变静脉输液器的输液软管截面积控制点滴速度。

在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积实现点滴速度的控制。

方案一中的高度控制可利用小型步进电机实现，具有结构简单、控制速度快等特点。方案二由于输液软管的横截面积较小且发生形变后其恢复速度较慢，难以实现点滴速度的精确控制，故采用方案一。

2.2液体点滴检测方案

本设计采用红外对管。根据液体对红外线的阻挡，使用红外对管检测是否有液滴通过。由于红外光的波长比可见光长，故受可见光的影响较小。同时红外系统还具有以下优点：质量轻、尺寸小，能有效的减小对可见光波段的干扰，且辅助装置要求最少，对人眼无伤害。

2.3速度测量方案

在一定时间内点滴的滴数（即点滴的速度）是单片机通过红外传感器测得的脉冲信号计数获得的，但怎样计算点滴速度以满足在3分钟内实现电机对点滴速度的控制是必须考虑的问题。

根据一定滴数N滴下所经过的时间t计算点滴的速度，计算公式为V=60N[]t（滴/分）。此方案的误差与系统计算的时间精度有关，通过调整计算的时间精度可以改进计算误差，达到题目所要求的误差范围。

2.4电机及控制方案

用单片机控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要进行数/模转换；具有快速启停功能，可在一瞬间实现启动或停止，且步距角降低到，延时短，精度高，定位准确，可操作性强。

2.5滴速检测的软件设计方法

在本装置中，利用外部中断INT1进行检测液滴，T0进行计数。设定T0中断响时间为0.01S，设一个计数指示标志。具体做法是：T0每发生一次中断，计数标志加一，外部中断INT1每发出一次中断信号，就对计数标志进行判断，如果计数标志大于30，则计算实际测得数速度，同时对计数标志进行清零。计数标志大于30是因为两个点滴之间的时间间隔应大于03S，如果出现外部中断发生，说明电路出现抖动，应该削除。

3.系统电路设计

3.1单片机最小应用系统设计

3.2驱动控制电路

本系统是通过改变滴液管的高度h2来控制点滴速度S0。考虑控制余量，点滴速度的设计范围为10～160（滴/分）。通过对滴速夹的控制，使h2达到最大高度hm=1500mm时，滴速达到最大Sm=160（滴/分）；然后渐渐降低滴液管的高度，使滴速达到最小Sm=10（滴/分），测得此时h2的高度为hm=500mm；再在500mm～1500mm范围内测滴速。

从测得的数据可近似得到：△h2=6.67×△S（mm）（公式3-1）

在实际操作过程中是通过对电动机的控制来拉动绳子，从而使h2高度改变，因此改变的是高度差，所以为了便于控制，我们对上式进行差分，可得△h2=6.67×△S（mm）（公式3-2）

式中的△S为滴速差；△h2改变△S后，h2所移动的相应位移，当△S为正时，滴液管向上移，当△S为负时，滴液管向下移。

因为系统中用了两个动滑轮，所以△h为△h2的4倍，令△S=设定滴速S速-实际滴速S实得电机所要拉动的绳子长度为△h=26.67×△S（mm）（公式3-3）

设电机每转一圈，单片机发出200个脉冲，电动机皮带轮的平均直径为40mm，则每上升（或下降）一滴，步进电机就转动的相位为：M=26.67[]πD×360[]1.8=42（公式3-4）

这里取M=40

设定的脉冲频率为160HZ，调整的最长时间为：T=140÷4=35s再加实际上调整可能产生3～4次振荡，故调整所需要的时间不会超过3 min， 因此满足要求中规定的调整时间（≤3min） 。

3.3 键盘显示电路

由于本系统中采用动态显示方式驱动四位七段数码管，来显示点滴的速度。

键盘采用按键开关经上拉电阻分别接P2.3 、P2.2、P2.1、P2.0口上。系统开始运行时，这时输入标志D_key为0，这时若按一次P2.3，D_key置1，系统进入输入状态，此时，每按一次P2.2，目的速度的百位取反；每按一次P2.1，目的速度的十位加一；每按一次P2.0，目的速度的个位加一；若再按一次P2.3，系统结束输入状态，D_key置0，执行其它程序。单片机XTAL2、XTAL1接12MHZ晶振，提供系统时钟基值，另RESET接上电复位按键。

4.系统软件设计

4.1 主控制模块

用于主体程序控制，对程序的各个模块进行调用能完成系统要求。

首先系统进行初始化，进入循环，进入按键子程序，接着进入步进电机处理子程序，对电机进行控制，然后显示当前设计速度，最后返回按键子程序，这样不停循环下去。期间通过中断获得实际测得速度。在装置调整完毕，且不再输入目的速度的情况下，装置应该一直显示着当前实际速度。

4.2 步进电机控制点滴速度子程序

进行比较实际速度与目的速度，然后对步进电机进行控制，以使两者的数值接近。

4.3 按键处理子程序的设计与实现

按键处理，实现对目的速度的输入。系统开始运行时，这时输入标志D_key为0，这时若按一次P2.3，D_key置1，系统进入输入状态，此时，每按一次P2.2，目的速度的百位取反；每按一次P2.1，目的速度的十位加一；每按一次P2.0，目的速度的个位加一；若再按一次P2.3，系统结束输入状态，D_key置0，执行其它程序。

5.结束语

在本设计中，虽然我花去了很多时间，查阅了大量相关资料，但设计的结果未能实际验证，故其实际参数无法与设计精确匹配，需以实际运用的参数设计为准。同时，本次设计可以进一步设计一个液滴液面检测装置和一个报警装置，在液滴要完成时发出报警，提醒医疗人员输液完成，同时自动下降使液滴速度变为零，提高医疗安全。

参考文献：

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