液體點滴速度監(jiān)控裝置資料

1、液體點滴速度監(jiān)控裝置摘要 該裝置實時地監(jiān)測液體點滴速度，通過單片機對信息的分析和處理，由主機發(fā)出相應(yīng)的指令，調(diào)整系統(tǒng)的工作平穩(wěn)，構(gòu)成了一個高性能的閉環(huán)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了對點滴輸液速度的直觀監(jiān)測，同時對一些異常情況的出現(xiàn)可實施報警。利用該裝置還能通過主控平臺對各個分立系統(tǒng)信息實施自動化、智能化的集中處理。能方便、簡易的操作和使用，對醫(yī)療具有很強的實用性。 關(guān)鍵詞 實時監(jiān)控 紅外傳感 閉環(huán)控制 步進電機一、 方案設(shè)計與論證根據(jù)題目要求和原輸液裝置的特點，提出以下三種方案：1、 方案一 直接在滴斗處用兩電極棒的方法。待測和控制 量傳感器信號處理人機對話界面 電機驅(qū)動速度控制 圖1此方案的傳感器采用簡單

2、的液體導(dǎo)電原理，在滴斗處安裝兩個電極。當(dāng)水滴落下時，電極導(dǎo)通，從而使待測量的變化轉(zhuǎn)化為高低電平電信號。采用伺服電機改變系統(tǒng)裝置中液瓶與受液瓶的高度，達到改變點滴速度，從而進行控制。2、方案二把通過電機改變系統(tǒng)裝置高度的方法，改為控制步進電機對輸液管進行壓縮或緩松，從而實現(xiàn)對點滴速度的改變。采用交流電動機控制H2的高度。即采用紅外傳感器測量滴斗滴液，送至單片機接口計數(shù)，通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為420MA標準電流值，同時通過鍵盤輸入給定每分鐘的滴數(shù)，再將此滴數(shù)將其轉(zhuǎn)換為420MA標準電流值，將此兩個信息同時進入數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。通過偏差計算再輸出一組420MA標準電流值，通過變頻調(diào)速器控制電動

3、機調(diào)節(jié)H2的高度，來控制滴斗滴數(shù)。此方案的優(yōu)點是，完全按目前電氣工程標準化運作，可以在很短時間完成。2、 方案三根據(jù)點滴裝置的特點，通過對裝置的某一位置進行監(jiān)測和控制，達到對整個系統(tǒng)液體點滴速度的監(jiān)控。 （如圖1）。通過控制輸液軟管夾頭的松緊來控制點滴速度，采用紅外傳感器測量滴斗滴數(shù)，送至單片機接口計數(shù)并顯示，首先標定兩個脈沖（兩滴間）間的時間間隔（以10MS為時基單位）。然后計算給定滴斗滴數(shù)（通過鍵盤）的時間間隔（以10MS為時基單位）。將此兩個時間間隔進行比較，以決定步進電機運行的方向。該步進電機通過絲杠控制輸液軟管夾頭的松緊，來控制滴斗滴數(shù)4、方案比較方案一的特點是：實現(xiàn)比較簡單容易，原

4、理上也是可行的，但由于本裝置用于醫(yī)療，電弧的產(chǎn)生，可能對不同的藥物有影響，同時傳感器（電極）不能重復(fù)使用，以防止傳染。方案二通過改用紅外傳感器，彌補了方案一的不足。但是還存在問題，利用改變高度的方法雖然容易實現(xiàn)，但可控性不好。由此，我們采用了第三種方案，通過擠壓輸液管的辦法來實現(xiàn)對點滴速度的控制。二、 系統(tǒng)原理框圖 如圖2所示。顯示與鍵盤控制滴斗AT89C51基本系統(tǒng)紅外傳感器及信號處理輸液管步進電機驅(qū)動 圖2 本系統(tǒng)最主要的是充分利用單片機編程的靈活性和其強大的功能，使一些小的系統(tǒng)實現(xiàn)自動化和智能化成為了現(xiàn)實。其中的器件都比較簡單，盡大可能的利用各集成芯片的功能，如系統(tǒng)的鍵盤和顯示原理電路。

5、通過紅外傳感器對水滴滴落的動態(tài)信息的感應(yīng) ，單片機對數(shù)據(jù)的采集分析和處理，同時使用小功率的步進電機進行機械調(diào)整，使裝置能機智、即時的響應(yīng)操作者的使用。三、 主要電路原理與設(shè)計1、 AT89C51單片機基本系統(tǒng) 控制與數(shù)值信號處理的核心采用AT89C51單片機，采用串口工作方式。電路如圖3。圖32、 顯示與鍵盤 如圖4利用74LS164進行串行動態(tài)9位數(shù)碼管顯示，74LS164的主要功能是8bits的串入并出數(shù)據(jù)處理。電路結(jié)構(gòu)簡單，功能強大。采用中斷和查詢的方法，設(shè)計的4鍵鍵盤的形式，利用單片機的靈活編程，擴展其鍵入功能。圖43、紅外傳感和信號處理 采用紅外線的發(fā)射和接收裝置，它可用來檢測包括液

6、體在內(nèi)的各種透明體、半透明體、不透明體，從而可以靈敏地反應(yīng)水滴滴下。利用光電耦合器對電信號進行處理，減少干擾。4、 步進電機驅(qū)動和控制 如圖5圖55、聲光報警 當(dāng)檢測到液面低于3cm時由單片機采集到報警信號，由報警芯片發(fā)出聲光報警。5、 主控制平臺 可以組建一個小型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由主機控制和監(jiān)視各個從機的工作狀態(tài)和各個裝置的信息。 如圖 61號從站主控站模擬從 站 圖 6 四、系統(tǒng)軟件工作流程 如圖7 到 圖121、軟件設(shè)計： 軟件部分參考流程圖，這里主要講述一下軟件編寫過程中的幾個細節(jié)部分。如前所述，我們計算滴水速度的原理是通過求出2個水滴之間的時間差，通過分析，我們通過定時器建立一個基準時鐘

7、，該基準時鐘有2個字節(jié)單元，分別秒單位和10毫秒單位的數(shù)值。在每次傳感器送來中斷的時候調(diào)用“傳感測量”子程序，在該子程序中，我們在取當(dāng)前觸發(fā)時間時，先把上一個脈沖發(fā)生的時間保存在“歷史寄存器”中，然后再更新“當(dāng)前寄存器”的值，即取當(dāng)前脈沖的發(fā)生時間。這樣我們就記錄下了2個時間（連續(xù)）值。歷史寄存器 當(dāng)前寄存器 基準時鐘nn-1中斷前： (n+1)(n-1)中斷時：注：箭頭方向為中斷時的賦值方向 圖7由于基準時鐘是以10毫秒為最小單位的，而對于頻率范圍在20Hz150Hz的脈沖而言，因為我們在后邊的求滴速中要用到10毫秒單位值，而水滴的下落并不能保證絕對的規(guī)則，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，每一次求差后的值總有幾

8、個單位毫秒的變動，這個變動就導(dǎo)致了最終運算出來的滴速值的大幅度變化，后來驚觀察發(fā)現(xiàn)這種誤差可以歸為周期性誤差，所以為了消除這個誤差，我們不是簡單地只取一個差值，相反，我們是取了10個差值，然后再求平均值，這樣處理的最大一個好處是可以使周期性誤差的正、負偏差互相抵消，在很大程度上消除上述誤差。前面的處理雖然可以提供一個比較接近真值，對于最終顯示出來的影響不大，但當(dāng)要用這個值去控制滴速夾時，很明顯這樣處理的結(jié)果降低了控制的響應(yīng)度；而另一方面，對于滴速夾的控制，因為我們采用的是步進電機，而且我們對步進電機的轉(zhuǎn)軸又進行了改造，加了一個螺紋栓，可以保持滴速夾控制端的位置，所以我們在每采集一個脈沖間隔時就

9、進行滴速的更改控制，這樣可以提高控制設(shè)備的響應(yīng)速度。所以在本系統(tǒng)中對于建立一個科學(xué)合理的系統(tǒng)模型是很有必要的。在對滴速進行控制時，我們借鑒了PID算法，建立了一個閉環(huán)控制狀態(tài)，利用類似于鎖相環(huán)的模型：即把設(shè)定的滴速和當(dāng)前的滴速進行比較，輸出一個差值，利用這個差值的極性來決定電機的正反轉(zhuǎn)，并拉小這個差值直至最小。因為每檢測到一個傳感信號，我們就把設(shè)定值和當(dāng)前值進行比較，這樣不僅提高了設(shè)備的響應(yīng)速度，而且由于我們這個系統(tǒng)的基準時鐘是以10毫秒為單位了，因為我們能分辨到10毫秒的數(shù)量級，可以使當(dāng)前值非常接近我們所設(shè)定的設(shè)定值。這一點可以參照電機控制的流程圖。（圖12）1、 運算過程：因為我們系統(tǒng)的基

10、準時鐘是以10毫秒為單位了，雖然加大了系統(tǒng)的精度，但是卻給系統(tǒng)的數(shù)值運算帶來了麻煩，直接用四則運算（特別是乘除的運算）很容易帶來無法避免的運算誤差，即在運算是因為運算位數(shù)的限制而帶來的數(shù)據(jù)尾數(shù)的丟失。前面說過這種誤差將對我們對信號的處理和顯示產(chǎn)生很大了影響，甚至?xí)玫揭粋€誤差很大的最終輸出，為避免這種情況，我們在保證精度的基礎(chǔ)上采用了查表法，并且在建立表格時對數(shù)據(jù)進行一定的折中處理，使得最終得到了結(jié)果的誤差能盡量小，實踐證明我們這種方法還是有一定的實用性的。而且查表法的結(jié)果便于以后系統(tǒng)誤差的自我校正，因為它保存了一個恒值。2、 對數(shù)據(jù)表格的處理：前面說過我們這個系統(tǒng)的基準時鐘有兩個字節(jié)單元，而

11、即使采用題目要求的滴速（20150分/滴）也將需要260個字節(jié)，這已經(jīng)超過了8位單片機的查表范圍，所以怎樣建立一個合理的查表算法是很有必要的。通過對數(shù)據(jù)的觀察，我們發(fā)現(xiàn)雖然每個時間量有兩個字節(jié)，但是在秒字節(jié)的單元里，總共只能出現(xiàn)4種取值，即1、2和3以及0 ，所以我們可以以這4個值為標量對表格的數(shù)據(jù)進行劃分，由于有了秒字節(jié)單元來做區(qū)分，我們只要在表格中寫入10毫秒字節(jié)單元的值就行了，通過綜合處理，在保證精度的基礎(chǔ)上，我們所建立的表格的字節(jié)數(shù)為100多個，這樣不僅滿足了8位單片機的查表范圍，而且大大了節(jié)省了內(nèi)存，有利于系統(tǒng)資源的優(yōu)化分配。 3、 通信的建立：在選擇方案時，考慮到通信線的多少，我們

12、采用了串行通信，直接利用單片機本身的串行通信口，在軟件上我們考慮用串行通信的方式0來進行通信。通信協(xié)議如下：先發(fā)送握手信號，然后發(fā)送被呼叫的從機號，每個從機在接收到地址時跟自身的地址進行比較，如果不是被呼叫機，則關(guān)閉通信鏈路；如果是則發(fā)送響應(yīng)信號。當(dāng)確定了通信的鏈路后，就按照預(yù)定的數(shù)據(jù)包格式進行通信。數(shù)據(jù)包格式如下：操作碼操作數(shù) 2、程序流程圖圖8傳感測量： 時鐘： 圖9 圖10鍵盤： 步進電機控制： 圖11 圖123、源程序：時間基準緩沖區(qū)：秒55h 0.01秒56h 鍵盤設(shè)置緩沖區(qū)：秒57h 0.01秒58h傳感測量緩沖區(qū)：前次秒51h 0.01秒52h 當(dāng)前秒53h 0.01秒54h 差

13、值秒4fh 0.01秒50h最終顯示緩沖區(qū)：選擇值：54h測定值5ah 5bh 5ch 設(shè)置值 5dh 5eh 5fhR4用于步進電機的步進記憶第 18 頁 共 18 頁org 0000hajmp mainorg 0003hajmp jpint ;int0org 000bhajmp times ;t0org 0013hajmp cgint ;int1org 0040hmain:mov sp,#60h ;設(shè)置堆棧 mov 41h,#00h mov 42h,#00h mov 43h,#00h mov 44h,#00h mov 45h,#00h mov 46h,#00h mov 47h,#00h m

14、ov 48h,#00h mov 4fh,#00h mov 50h,#00h mov 51h,#00h mov 52h,#00h mov 53h,#00h mov 54h,#00h ;初值設(shè)置 mov 55h,#00h mov 56h,#00h ;以上為時間初值 mov 54h,#00h mov 57h,#00h ;初值顯示為00 mov 58h,#00h mov 59h,#00h mov 5ah,#00h mov 5bh,#00h mov 5ch,#00h mov 5dh,#00h mov 5eh,#00h mov 5fh,#00h mov r7,#00h setb f0 clr p2.1 m

15、ov tmod,#01h ;T0為工作方式0 mov tl0,#0f0h ;計數(shù)器初值 mov th0,#0d8h mov ie,#87h ;中斷設(shè)置，除T1，ES外全開中斷 mov ip,#02h ;中斷優(yōu)先級 setb it0 setb it1 ;脈沖觸發(fā)方式 setb tr0 ;啟動定時 setb p1.4disp:acall disp0 ;調(diào)用顯示子程序 ajmp disp disp0:push accmov dptr,#tablejnb f0,disp1mov a,54h ;選擇值顯示cjne a,#01h,zzz1movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr

16、 timov a,#0ffhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealyajmp disp1zzz1:cjne a,#02h,zzz2movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0ffhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealyajmp disp1zzz2:cjne a,#03h,zzz3movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0ffhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealyajmp disp1zzz3:mov 54h,

17、#00hdisp1:mov a,5ah ;測定值顯示cjne a,#00h,disp2ajmp disp3disp2:cjne a,#01h,disp4disp3:movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0fehmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealydisp4:mov a,5bhmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0fdhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealymov a,5chmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb t

18、i,$clr timov a,#0fbhmov sbuf,ajnb ti,$clr ti acall dealymov a,5dh ;設(shè)置值顯示movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0dfhmov sbuf,ajnb ti,$clr ti acall dealymov a,5ehmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0bfhmov sbuf,ajnb ti,$clr ti acall dealymov a,5fhmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a

19、,#7fhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealypop accretdealy:mov r0,#0fahlll:nopnopdjnz r0,lllrettable:db 03hdb 9fhdb 25hdb 0dhdb 99hdb 49hdb 41hdb 1fhdb 01hdb 09hjpint: ;鍵盤控制子程序push accpush 07hmov r2,#0ahzzz:acall dealydjnz r2,zzzjb p1.0,x2 ;選擇鍵子程序inc 54hclr ex1setb f0mov a,54hcjne a,#04h,x1mov 54h,#01h

20、x1:ajmp ret0x2:jb p1.1,x3 ;加1鍵子程序mov a,54hcjne a,#00h,lll1ajmp ret0lll1:cjne a,#01h,lll2inc 5fhmov a,5fhcjne a,#0ah,zhongjumov 5fh,#00hajmp ret0lll2:cjne a,#02h,lll3inc 5ehmov a,5ehcjne a,#0ah,ret0mov 5eh,#00hajmp ret0lll3:inc 5dhmov a,5dhcjne a,#0ah,ret0mov 5dh,#00hajmp ret0x3:jb p1.2,x4 ;減1鍵子程序mov

21、 a,54hcjne a,#00h,llll1ajmp ret0llll1:cjne a,#01h,llll2dec 5fhmov a,5fhcjne a,#0ffh,ret0mov 5fh,#09hajmp ret0zhongju:ajmp ret0llll2:cjne a,#02h,llll3dec 5ehmov a,5ehcjne a,#0ffh,ret0mov 5eh,#09hajmp ret0llll3:dec 5dhmov a,5dhcjne a,#0ffh,ret0mov 5dh,#09hajmp ret0x4:jb p1.3,x5 ;確定鍵子程序clr f0acall ente

22、r ;因指令而修改ret01: ;對整數(shù)進行修正mov a,r7 cjne a,#14,ccc1mov 57h,#03h ;為20置3setb ex1ajmp ret0ccc1:cjne a,#1eh,ccc2mov 57h,#02h ;為30置2setb ex1ajmp ret0ccc2:cjne a,#3ch,ret02mov 57h,#01h ;為60置1setb ex1ajmp ret0x5:jb p2.0,ret0 ;報警監(jiān)測setb p2.1 ;送報警聲音ajmp ret0ret02:setb ex1ret0:pop accpop 07hretienter:mov 54h,#00h

23、clr cmov a,5dh ;求時間段程序mov b,#64h ;百位數(shù)mul abmov r7,amov a,5ehmov b,#0ah ;十位數(shù)mul abadd a,r7mov r7,amov a,5fhadd a,r7 mov r7,a ;此時r7中為設(shè)定值clr csubb a,#14h ;查表前減20mov dptr,#table1 ;由數(shù)值查時間段表movc a,a+dptrmov 58h,arettimes: ;時間設(shè)置push accmov tl0,#0f0h mov th0,#0d8hsetb tr0inc 56hmov a,56hcjne a,#64h,quit0mov

24、 56h,#00hinc 55hquit0:pop accreticgint: ;傳感測量mov r2,#0ahzzzz:acall dealydjnz r2,zzzzjnb p3.3,cgint1reticgint1:push accpush 03hpush 04hpush 05hpush 06hinc r7cjne r7,#0ah,zhongju1mov r7,#00hmov a,53h ;數(shù)值轉(zhuǎn)移mov 51h,amov a,54hmov 52h,amov a,55h ;讀取當(dāng)前時間mov 53h,amov a,56hmov 54h,aclr c ;求10個脈沖差值子程序mov 47h,

25、#00h ;10差值寄存區(qū)mov 48h,#00hmov a,53h subb a,51hmov 47h,aclr cmov a,54hsubb a,52hjnc zero ;如果當(dāng)前值大就跳轉(zhuǎn)dec 47hclr cmov a,#00hmov a,54hadd a,#64hsubb a,52hzero:mov 48h,a mov a,47h ;平均差值mov b,#0ah div abmov 4fh,amov a,bmov r3,a ;秒余數(shù)暫存 mov a,48hmov b,#0ahdiv abmov 50h,amov a,bmov r4,a ;0.01秒暫存mov a,r3mov b,#

26、0ahmul abadd a,50hmov 50h,azhongju1:mov a,44hmov 42h,amov a,43hmov 41h,amov a,55hmov 43h,amov a,56hmov 44h,aclr c ;求差值子程序,供電機使用mov 45h,#00hmov 46h,#00hmov a,43h subb a,41hmov 45h,aclr cmov a,44hsubb a,42hjnc zero1 ;如果當(dāng)前值大就跳轉(zhuǎn)dec 45hclr cmov a,#00hmov a,44hadd a,#64hsubb a,42hzero1:mov 46h,a mov a,45h

27、mov a,4fhcjne a,#03,ddd1 ;送動態(tài)顯示緩沖區(qū)mov 5ah,#00h ;整值判斷mov 5bh,#02hmov 5ch,#00hajmp exitddd1:cjne a,#02h,ddd2mov a,50hjnz ddd01mov 5ah,#00h mov 5bh,#03hmov 5ch,#00hajmp exitddd01:mov b,#0ahdiv abmov dptr,#table2 ;秒值為2的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,amov 5bh,#02hmov 5ah,#00hajmp exitddd2:cjne a

28、,#01h,ddd3mov a,50hjnz ddd02mov 5ah,#00h mov 5bh,#06hmov 5ch,#00hajmp exitddd02:mov b,#0ahdiv abmov dptr,#table3 ;秒值為1的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,amov a,r5swap aanl a,#0fhmov 5bh,amov 5ah,#00hajmp exitddd3: mov a,50hcjne a,#3ch,ddd03mov 5ah,#01hmov 5bh,#00hmov 5ch,#00hajmp exitddd03:clr

29、 csubb a,#3chjc lar100 ;大于100跳轉(zhuǎn)mov 5ah,#00h ;小于100mov dptr,#table4 ;60到99的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,amov a,r5swap aanl a,#0fhmov 5bh,aajmp exitlar100:mov 5ah,#01hclr cmov r5,50hmov a,#3chsubb a,r5mov dptr,#table5 ;100到150的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,amov a,r5swap aanl a,#0f

30、hmov 5bh,aexit:jb f0,exit1 ;F0為1時電機不工作acall dianjic ;送步進電機子程序exit1:pop 05hpop 03hpop 04hpop accpop 06hretidianjic: ;電機控制子程序.zhengzh為前進，fanzh為后退push accclr cmov a,57hsubb a,45hjz lowdc ;如果高位相等則進行低位比較jc jcc1 ;當(dāng)前滴速小于設(shè)定滴速，須反轉(zhuǎn)放松acall zhengzh ;當(dāng)前滴速大于設(shè)定滴速，須正轉(zhuǎn)擠壓ajmp outjcc1:acall fanzhajmp outlowdc:clr cmov

31、 a,58hsubb a,46hjz outjc jcc2acall zhengzh ajmp outjcc2:acall fanzh out:pop accretzhengzh: ;前進擠壓mov dptr,#table0inc r4mov a,r4cjne a,#06h,zhengzmov r4,#00hmov a,#00hzhengz:movc a,a+dptrmov p1,aretfanzh: ;反轉(zhuǎn)放松mov dptr,#table0dec r4mov a,r4cjne a,#0ffh,fanzmov r4,#05hmov a,#05hfanz:movc a,a+dptrmov p1

32、,arettable0:db 80hdb 0c0hdb 40hdb 60hdb 20hdb 0a0htable1:dB 00HdB 86H dB 73HdB 61H dB 50H dB 40H dB 31H dB 22H dB 14H dB 07H dB 00H dB 94H dB 88H dB 82H dB 76H dB 71H dB 67H dB 62H dB 58H dB 54H dB 50H dB 46H dB 43H dB 40H dB 36H dB 33H dB 30H dB 28H dB 25H dB 22H dB 20H dB 18H dB 15H dB 13H dB 11H

33、dB 09H dB 07H dB 05H dB 03H dB 02H dB 00H dB 98H dB 97H dB 95H dB 94H dB 92H dB 91H dB 90H dB 88H dB 87H dB 86H dB 85H dB 83H dB 82H dB 81H dB 80H dB 79H dB 78H dB 77H dB 76H dB 75H dB 74H dB 73H dB 72H dB 71H dB 71H dB 70H dB 69H dB 68H dB 67H dB 67H dB 66H dB 65H dB 65H dB 64H dB 63H dB 63H dB 62H dB 61H dB 61H dB 60H dB 59H dB 59H dB 58H dB 58H dB 57H dB 57H dB 56H dB 56H dB 55H dB 55H dB 54H dB 54H dB