【文章內(nèi)容簡介】 光敏三極管的組合，將紅外激光管和光敏三極管分別 ? ? 強弱實現(xiàn)對液滴的檢測。 綜合上述方案，方案 一對于單一藥液測量精確度高，但對于不同的藥液時，由于電解質(zhì)不同，電容變化可能不同，而且外圍電路也較為復雜；方案二中由于檢測的液滴呈橢圓狀，液滴經(jīng)過時光敏三極管能接收到反射光信號比較微弱，信號檢測的難度較大，同時其抗干擾能力較弱，當?shù)喂馨l(fā)生抖動時，容易產(chǎn)生錯誤檢測；方案三中由于液滴經(jīng)過時發(fā)生的散射和折射作用對光信號影響較大，因此能實現(xiàn)對液滴的有效檢測，同時發(fā)射光的穿透力較強、靈敏度高，能適應潮濕天氣下的正常工作，能有效的實現(xiàn)對外界環(huán)境的抗干擾；另外，由于采用的是能發(fā)出 2~3mm 短線的紅外光的激光管，此方案能實 現(xiàn)系統(tǒng)在一定抖動下的正常檢測。因此選用方案三作為液滴檢測的方案。 液滴信號處理方案 方案一：利用液滴經(jīng)過時引起光敏三極管信號輸出端 的 電壓信號的相應變化，通過電壓比較器，將光敏三極管信號輸出端的電壓信號與一基準電壓作比較，通過檢測液滴經(jīng)過時電壓比較器對應信號輸出端信號的變化實現(xiàn)對液滴信號的處理。 方案二：將光敏三極管信號輸出端的電壓信號經(jīng)過濾波部分、信號放大部分后，經(jīng)過電壓比較器與一基準電壓作比較，由于液滴經(jīng)過時引起光敏三極管信號輸出端的信號變化相當于脈沖信號，因此通過對脈沖信號的處理可實現(xiàn)對液 滴信號的處理。 綜合上述方案，方案一的電路簡單，能實現(xiàn)對液滴信號的處理，但電路穩(wěn)定性較差、抗干擾能力弱，且容易受溫度影響而導致檢測出錯；方案二中由于電路只對脈沖信號進行處理，因此電路抗干擾能力較強、穩(wěn)定性高，能實現(xiàn)對液滴信號的有效處理。因此選擇方案二作為液滴信號處理的方案。 液面信號采集方案 方案一：采用電容液位傳感器進行液面檢測。將液位傳感器垂直置于茂菲氏管外側(cè)，通過檢測液位變化引起相關量的變化來實現(xiàn)液面的檢測 [2]。 五邑大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 注意本欄字體為“隸書” 5 方案二：采用超聲回波檢測技術，利用超聲波在不同物質(zhì)、不同密度內(nèi)傳播速度不 同的原理，通過檢測超聲波發(fā)射后的回波時間的變化實現(xiàn)對液面的檢測。 方案三：利用光電檢測的原理進行液面檢測。采用紅外對管的組合，把紅外發(fā)射管和接收管分別正對著垂直置于茂菲氏管的兩 ? ? ? ? 液面的檢測。 綜合上述方案，方案一能有效的實現(xiàn)對液面的檢測，但器件成本較高，外圍電路也較為復雜；方案二中由于超聲波探測 ? ? 同時成本低、電路簡單，且受可見光影響小，穩(wěn)定性好。因此選擇方案三作為液面檢測方案。 數(shù)據(jù)顯示方案 方案一：采用液晶顯示模塊進行數(shù)據(jù)顯示。 方案二：采用數(shù)碼管進行數(shù)據(jù)顯示。 綜合上述 方案，由于系統(tǒng)只需要進行相關數(shù)據(jù)及參數(shù)的顯示，采用液晶顯示模塊成本較高，而且不利于系統(tǒng)的輕型化設計，因此選擇方案二為數(shù)據(jù)顯示方案。 數(shù)據(jù)輸入方案 方案一：采用矩陣式鍵盤進行數(shù)據(jù)輸入。 方案二：采用獨立式按鍵電路進行數(shù)據(jù)輸入。 綜合上述方案，方案一中當電路需要較多按鍵進行數(shù)據(jù)輸入時，可有效降低占用單片機的 I/O 口數(shù)目，但軟件控制較為復雜；方案二中每個按鍵單獨占有一根 I/O 接口線，每I/O 口之間的工作狀態(tài)互不影響，電路設計較為簡單，軟件控制容易。由于系統(tǒng)資源有限，I/O 口的使用較為緊張，因此選擇方 案一作為數(shù)據(jù)輸入方案。 串行通 信 方案 方案一：采用無線模塊 ? ? 據(jù)的無線傳輸 方案二：采用無線模塊 ? ? 無線傳輸 綜合上述方案，兩者均可通過單片機對其的控制實現(xiàn)與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。方案一的 NRF2401 模塊的方式設置比較麻煩，易出錯。同時，其傳輸距離較近，抗干擾性能比較五邑大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 注意本欄字體為“隸書” 6 差，容易產(chǎn)生誤碼；方案二的 STR30 模塊采用 GFSK 的調(diào)頻方式，具有極高的抗干擾能力，進行智能數(shù)據(jù)控制時無需編制多余的程序，同時其數(shù)據(jù)傳輸速率高、可靠性高、故障率低、性價比高。因此選擇方案二作為串行通 信 方案。 系統(tǒng)設計原則 為了滿足系統(tǒng)實現(xiàn)高性能與高性價比的要求，系統(tǒng)設計需遵循以下原則： （ 1）采用低功耗硬件電路設計及微控制器芯片，為輸液監(jiān)控提供平臺支持，并能根據(jù)需要對系統(tǒng)進行功能擴展。 （ 2）信號采集部分盡量采用中斷方式進行信號處理，有利于提高系統(tǒng)信號處理的效率與穩(wěn)定性。 （ 3）系統(tǒng)要具有良好的人機交互界面，方便醫(yī)護人員的操作。 （ 4）由于系統(tǒng)的使用環(huán)境的特殊性，系統(tǒng)要求具有很高的穩(wěn)定性與可靠性，因此系統(tǒng)設計時要盡量提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 （ 5）盡量實現(xiàn)系統(tǒng)的輕型化，采用高性價比的系統(tǒng)方案。 本章小結(jié) 本章對系統(tǒng)做了簡單的介紹，介紹了系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)主體方案的設計進行了探討與選擇。 五邑大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 注意本欄字體為“隸書” 7 第 3 章 系統(tǒng) 硬件 設計 系統(tǒng)硬件設計原則 作為針對監(jiān)控病人生理體征的產(chǎn)品，為使系統(tǒng)得以更好地推廣，系統(tǒng)硬件設計應遵循以下原則：安全可靠、足夠的抗干擾能力、經(jīng)濟合理、易用性。 系統(tǒng)硬件電路設計 液滴檢測電路設計 液滴檢測電路是系統(tǒng)設計的重要部分，能否準確地檢測液滴是計算已輸液體體積、剩余體積、輸液速度等參數(shù)的關鍵，也是系統(tǒng)性能與可靠性的主要參考標準。 本 系統(tǒng) 采用光電檢測技術實現(xiàn)對液滴的測量 [3]。如圖 31 所示 液滴檢測示意圖中 ，紅外激光管發(fā)射的光線透過茂菲氏管投射到光敏三極管的感光面上，在沒有液滴滴落時，光敏三極管接收到的光照度最大，產(chǎn)生的光生電流也最大，此時光敏三極管信號輸出端電壓為低電平；當有液 ? ? ? ? 輸出端電壓信號的變化可實現(xiàn)對液滴的檢測。 ? ? 圖 31 液滴檢測示意圖 本系統(tǒng) 液滴檢測電路如圖 32 所示，電路中點解電容 C1 起到隔直通交的作用，當系統(tǒng)中沒有液滴經(jīng)過時，光敏三極管信號輸出端輸出恒為高電平的直流信號，由于電容 C1對直流信號的阻隔作用 ，導致運算放大器的正輸入端沒有信號輸入，經(jīng)過電壓比較器進行電壓比較后，此時 OUT1 端輸出恒為 +5V的電平信號；當有液滴經(jīng)過時，光敏三極管信號輸出端輸出低電平的直流信號，由于液滴經(jīng)過的過程中信號輸出端信號的變化相當于脈沖信號的產(chǎn)生，電容 C1 對交流信號的導通作用使得此脈沖信號能安全的進入運算放大器 U1進行高增益、低噪聲放大，此時放大器輸出端輸出信號的信號已足夠強。 U2 為電壓比較器，其負輸入端由電 ? ? ? ? 可實現(xiàn)對液滴信號的準確檢測。 五邑大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 注意本欄字體為“隸書” 8 R9R8R11122R2+ 5 V + 5 VC165784L M 3 5 8R3R5R6R4C3+ 5 VR7R1 6Q1R1 7+ 5 VC2+ 5 VR1 5+ 5 V312167 L M 3 3 9O U T 1D1 D2 圖 32 系統(tǒng)液滴檢測電路圖 本電路中，為了提高系統(tǒng)液滴檢測的 靈敏度，務必盡量使光敏三極管信號輸出端電壓信號的變化達到最大化，即 ? ?URR RCCDD ??? 22 2達到最大，電路中 R2 應選用阻值為 的電阻；通過檢測知道，液滴經(jīng)過時輸入到運算放大器正輸入端的為電平 信號，為了使放大器工作在線性放大區(qū)域，同時可使放大器輸入端接收到的微弱信號得到足夠的放大，電路中 R4 和 R6 應選用阻值分別為 30K?、 100K?的電阻，此時電路中信號放大部分的放大倍數(shù) 為 64? ?? 倍；由于電容 C1 和 C2 涉及到電路的隔直通交性能，電容性能的好壞直接影響電路檢測的穩(wěn)定性與可靠性，因此應使用漏電壓較少、壽命長、穩(wěn)定性高的電容，本電路中電容 C C2 分別選用容值為 100 F? 和 22 F? 的鉭電容。同時系統(tǒng)可通過提高電壓比較器的基準電壓 URR RCC?? 98 8來增強其抗干擾能力，電路中 R9 為100K?， R8 為 15K?，它們構(gòu)成的基準電壓 為 V 0 .6988 ???? URR R CCREFU 。 同時，為了提高模塊的抗干擾能力，系統(tǒng)采用黑色遮蔽體將光敏三極管包住，有效的減少了外圍可見光對液滴檢測的影響。 液面檢測電路設計 本 系統(tǒng)采用紅外檢測技術對液面進行檢測 [4],[7]。如圖 33 所示 ，紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，光線透過液體與茂菲氏管照射到紅外接收管的感光面上，接收管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電流輸出。 五邑大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 注意本欄字體為“隸書” 9 ? ? 管后，如圖 33(c)所示，光線又可直通照射光敏接收管，接收管恢復導通狀態(tài)，此時接收管信 號輸出端電壓為低電平 [6]。因此，通過檢測接收管信號輸出端電壓信號的變化可實現(xiàn)對系統(tǒng)液面的檢測。 ? ? 圖 33 液面檢測示意圖 本系統(tǒng)液面檢測電路如圖 34 所示，電路中紅外接收管的信號輸出端連接到電壓比較器 U2 的反相輸入端，電阻 R R11 為電壓比較器的正相輸入端提供參考電壓，本系統(tǒng)選取系統(tǒng)液面高于接收管時對應的輸出電壓為系統(tǒng)參考電壓值。由于接收管信號輸出端接收的信號在臨近液面時會有明顯的變化，因此通過對電壓比較器兩輸入端電壓進行比較，利用單片機對電壓比較器對應信號輸出端信號的檢測可實現(xiàn)對系統(tǒng)液面的 有效監(jiān)測。 R 1 2 R 1 3+ 5 VD4+ 5 VD3R 1 4+ 5 VR 1 0R 1 1+ 5 V312245L M 3 3 9+ 5 VO U T 2 圖 34 系統(tǒng)液面檢測電路圖 本電路中，可通過盡量使接收管信號輸出端電壓信號的變化達到最大來提高系統(tǒng)液面檢測的靈敏度，即使參數(shù)41 3 4()D CCDR URR??? 達到最大，電路中 R13 應選用阻值為 200?的電阻；同時系統(tǒng)可通過提高電壓比較器的參考電壓值 REFU 來增強其抗干擾能力，電路中 R10 為 100k?， R11 為 15k?，它們構(gòu)成的參考電壓為 101 0 1 14 .4R E F C C VRUURR? ? ?? 。 按鍵電路設計 系統(tǒng)中按鍵模塊是實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入與參數(shù)修改的設備，借助鍵盤可向系統(tǒng)設置參數(shù)，發(fā)五邑大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 注意本欄字體為“隸書” 10 出控制指令等。當所設置的功能鍵 電路中矩陣鍵盤的 高四 位均接上拉電阻，其阻值為 10 k?。 12345678J6P 2 .0P 2 .1P 2 .2P 2 .3P 2 .4P 2 .5P 2 .6P 2 .7R32R33R34R35+ 5 VS6S5S4S2S3S112345678J4 圖 35 系統(tǒng)按鍵電路圖 數(shù)據(jù)顯示電路設計 在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)顯示模塊是實現(xiàn)人機交互的界面，通過數(shù)據(jù)顯示模塊可顯示系統(tǒng)的相關參數(shù)及報警信息?？紤]到部分數(shù)據(jù)取值較大，本系統(tǒng)采用 2 個 4 位數(shù)碼管進行數(shù)據(jù)的顯示；同時由于系統(tǒng) I/O 端口較為緊張，為了實現(xiàn)對數(shù)碼管的有效控制，系統(tǒng)采用串行控制芯片 74HC595 進行相關數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯 示電路如圖 36 所示。 ? ? 圖 36 系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示電路圖 在本數(shù)據(jù)顯示電路中，芯片 74HC595 是 8 位串行輸入 /輸出或并行輸出移位寄存器，具有三態(tài)輸出功能 寄存器有一個串行移位輸入（ Ds），和一個串行輸出（ Q739。） ,和一個異步的低電平復位，存儲寄存器有一個并行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當時能 OE 為低電平時，存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。芯片工作時序圖如圖 37 所示 [7]。 五邑大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 注意本欄字體為“隸書” 11 圖 37 74HC595 工作時序圖 為了避免電路中導通電流過高而燒壞數(shù)碼管，本電路中需要選擇合適的限流電阻。由于數(shù)碼 管內(nèi)部是由發(fā)光二極管構(gòu)成的，其正常工作電流范圍為 5~20 mA，以及其正向壓降為 2V 左右。為了適當控制數(shù)碼管的發(fā)光亮度，電路中限流電阻 R18~R25 應選用阻值為330?的電阻，此時數(shù)碼管的驅(qū)動電流 C C DD 5 2= A 9R 3 3 0UUI mA??，其中其中 DU為二極管正常工作時的正向壓降。同時，為了實現(xiàn)對數(shù)碼管的有效選通，電路中與三極管連接的串聯(lián)電阻應選用稍大的阻值，本電路中 R36~R39 選用阻值為 。 串行通 信 電路設計 由于 傳統(tǒng)的 RS485 通信需要布線，安裝維護工作較為困難、復雜，并且易受到現(xiàn)場條件的影響 [10] ,[11]，為了滿足用戶需求，本系統(tǒng)采用 何標準或非標準的用戶協(xié)議，只需通過與單片機引腳直接連接即可對其進行相關的控制操作。