【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 性。方案二利用光的反射原理實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于反射信號(hào)比較強(qiáng)，這樣可以減小信號(hào)檢測(cè)時(shí)的誤差，同時(shí)電路形式要比透射電路情況簡(jiǎn)單。而且反射電路比透射電路更容易安裝，體積更加小巧，結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)單。方案三 電容式接近開(kāi)關(guān)，但瓶中液體和周?chē)h(huán)境隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，很容易觸發(fā)傳感器，而使系統(tǒng)采集到錯(cuò)誤的信號(hào)。 因此，選擇方案二。 液瓶液面檢測(cè) 方案 一 ：采用金屬電極檢測(cè)儲(chǔ)液瓶液面信號(hào)。原理如圖 23，利用藥液的導(dǎo) 電特性實(shí)現(xiàn)液滴速度及儲(chǔ)液瓶液面信號(hào)的檢測(cè)，通常電極采用不銹鋼等耐腐蝕材料制成。 圖 23 金屬電極檢測(cè)儲(chǔ)液瓶液面信號(hào)面信號(hào) 方案二：采用光電傳感器檢測(cè)點(diǎn)儲(chǔ)液瓶液面信號(hào)。原理如圖 24所示。發(fā)光二極管發(fā)射的平行光束穿過(guò)茂菲氏滴管投射到光敏三極管的感光面上，在沒(méi)有液體時(shí)，光敏三極管接收到的光照度最大，產(chǎn)生的光電流也最大，當(dāng)有液體時(shí)，由于液滴對(duì)紅外光的吸收特性，使平行光束發(fā)散，投射到光敏三極管上的光照度將減弱，從而使光敏三極管產(chǎn)生的光電流減小，實(shí)驗(yàn)證明在低液面（ 2cm4cm）的情況下，進(jìn)氣所形成上升氣泡在液 面的聚集與運(yùn)動(dòng)，使平行光束的發(fā)散效應(yīng)明顯增強(qiáng)。 圖 24 光電傳感器檢測(cè)點(diǎn)儲(chǔ)液瓶液 方案三：通過(guò)軟件設(shè)置完全可以通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)滴速度來(lái)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，因此可以去掉液 6 面檢測(cè)電路而完全由液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)電路代替。這樣就不需要硬件的儲(chǔ)液瓶液面檢測(cè)電路，而由軟件控制。 綜合比較上面的方案， 電極接觸控制方式原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性強(qiáng)，但會(huì)導(dǎo)致藥品污染，危及患者安全。光電控制方式雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受外界光源影響，但可防止藥品的污染，保證患者用藥安全。而軟件方式對(duì)程序有一定的要求，并且響應(yīng)時(shí)間比較慢，但其優(yōu)點(diǎn)更明顯，完全拋棄 了 硬件結(jié)構(gòu)。因此，選擇方案三，軟件方式。 鍵盤(pán)方案 方案一：采用矩陣式鍵盤(pán) ,此類(lèi)鍵盤(pán)利用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵盤(pán)較多時(shí)可降低占用行列掃描方式，單片機(jī)的 I/O口數(shù)目，缺點(diǎn)為電路復(fù)雜且會(huì)加大編程難度。 方案二：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根 I/O接口線(xiàn) ,每個(gè) I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類(lèi)鍵盤(pán)采用端口直接掃描方式。缺點(diǎn)為當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)的 I/O口數(shù)目較多，優(yōu)點(diǎn)為電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且編程極其容易。 綜合比較上面的方案， 本系統(tǒng)有 16個(gè)按鍵，因此采用方案一， 4X4的矩陣式鍵盤(pán)。 顯示方案 方案 一 ：采用液晶顯示屏。液晶顯示屏（ LCM）具有功耗小、輕薄短小無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫(huà)面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大，控制器資源占用較多，其成本也偏高。 方案二：采用三位 LED七段數(shù)碼管顯示點(diǎn)滴數(shù)目。數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化，對(duì)外界環(huán)境要求較低。同時(shí)數(shù)碼管采用 BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 綜合比較上面的方案：采用 方案 一 。液晶顯示屏（ LCM）有更豐富的顯示能力， 并且能夠形式更多的信息，有利于使用。 電機(jī)系統(tǒng)方案 方案一：采用單片機(jī)和 A/D轉(zhuǎn)換構(gòu)成系統(tǒng)，控制普通電機(jī)的步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向，可以考慮達(dá)林管組成的 H型 PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小因慣性，速度，步距角過(guò)大而引起的調(diào)整誤差，達(dá)到改變點(diǎn)滴高度的要求，缺點(diǎn)是控制信號(hào)為模擬信號(hào)，需要將單片機(jī)輸出的序列脈沖轉(zhuǎn)換，延長(zhǎng)了控制的時(shí)間，并且步距角為 9176。，不能精確的控制點(diǎn)滴速度。 7 方案二：用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，控制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，不在需要數(shù) /模轉(zhuǎn)換；具有快速啟 /停能力，可在一 剎那間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停止，且步距角降低到 176。延時(shí)短，定位準(zhǔn)確 ,精度高 ,可操作性強(qiáng)。 綜合考慮，一方面調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)盡可能的小，定位要好；另一方面如果停止信號(hào)到來(lái)，要能立刻停止電機(jī)。因此選擇步進(jìn)電機(jī)，采用方案二。 點(diǎn)滴速度控制方案 方案一 ： 通過(guò)改變滴斗到受液瓶的高度來(lái)調(diào)節(jié)點(diǎn)滴的速度。由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)儲(chǔ)液瓶使儲(chǔ)液瓶上升或下降改變滴斗到受液瓶的高度 ,從而調(diào)節(jié)點(diǎn)滴速度。由于其高度的改變與點(diǎn)滴速度基本成線(xiàn)性關(guān)系 ,這易于對(duì)點(diǎn)滴速度進(jìn)行控制。而液滴管的高度可通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的定量控制。但此方法對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求高 ,不容易安裝。設(shè) 備可移動(dòng)性小，而且對(duì)電機(jī)的功率也有一定的要求，要采用大功率的電機(jī)。 方案二 ： 采用單片機(jī)和可編程邏輯器件控制輸液軟管的松緊來(lái)控制點(diǎn)滴速度。改變塑料點(diǎn)滴管的形狀以控制液體的流速。這樣的方法雖然直觀 ,但存在很多的缺點(diǎn)。首先由于對(duì)管壁施壓改變其形狀 ,其所施加的壓力與流量改變的關(guān)系非線(xiàn)性 ,這給流量控制帶來(lái)了難度。其次由于滴管是由塑料制成 ,在長(zhǎng)時(shí)間受壓后松開(kāi)并不能使塑料滴液管完全恢復(fù)原形 ,控制裝置無(wú)法保證理想的控制效果。此外 ,要完成滴速夾的制作有一定的困難。即使此方案有很多缺點(diǎn)，但以其結(jié)構(gòu)小巧，可移動(dòng)性強(qiáng)，電機(jī)要求低， 機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。更符合當(dāng)今設(shè)備發(fā)展方向的要求。 總結(jié)上述原因 ,我選用方案二，制輸液軟管的松緊來(lái)控制點(diǎn)滴速度。 方案的確定 根據(jù)以上方案的論證分析，結(jié)合器件與設(shè)備等因素，系統(tǒng)各模塊方案確定如下： （ 1）點(diǎn)滴速度測(cè)量采用紅外對(duì)管反射接收方式。 （ 2）儲(chǔ)液檢測(cè)電路采用軟件方式設(shè)置。 （ 3）鍵盤(pán)采用 4X4行列式鍵盤(pán)。 （ 4）顯示采用 液晶顯示屏。 （ 5）點(diǎn)滴速度控制是利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)輸液管的松緊來(lái)實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)組成方框圖如圖 25 8 點(diǎn) 滴 速 度 檢 測(cè)A T 8 9 C 5 2報(bào) 警 顯 示 模 塊點(diǎn) 滴 速 度 控 制電 機(jī) 控 制 控 制 電 路鍵 盤(pán) 控 制 圖 25 系 統(tǒng)組成方框圖 系統(tǒng)通過(guò)鍵盤(pán)輸入模塊輸入預(yù)置的點(diǎn)滴速度并將數(shù)據(jù)信息傳送給單片機(jī)。點(diǎn)滴速度檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)點(diǎn)滴速度，并以電信號(hào)的形式傳給單片機(jī)，經(jīng)運(yùn)算、分析、處理后單片機(jī)通過(guò)輸出端口將數(shù)據(jù)傳給顯示模塊和電機(jī)。由于硬件的限制既不可預(yù)測(cè)的誤差，實(shí)際點(diǎn)滴速度極難達(dá)到預(yù)置值，因此設(shè)置當(dāng)實(shí)際點(diǎn)滴速度進(jìn)入預(yù)置值 177。5 滴范圍內(nèi)時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了智能控制功能。另外，點(diǎn)速度檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)處理后輸出給聲音報(bào)警裝置。當(dāng)聲音報(bào)警持續(xù) 10 秒鐘后無(wú)人復(fù)位，則由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)關(guān)閉聲光報(bào)警，同時(shí) 發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)卡死輸液管將點(diǎn)滴速度強(qiáng)制為 0，這樣可以大大提高輸液的安全系數(shù)。 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)硬件基本組成部分 傳感器檢測(cè)部分：系統(tǒng)利用光點(diǎn)傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制器可以辨別的電信號(hào)。傳感器檢測(cè)電路包括 1個(gè)單元電路：點(diǎn)滴速度測(cè)量電路。 智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)有傳感器變換輸出的電信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制點(diǎn)滴的速度及 液晶顯示屏 的顯示，完成了點(diǎn)滴裝置的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)速、 液晶顯示屏 顯示及報(bào)警功能等各項(xiàng)任務(wù)?？刂撇糠种饕?3個(gè)電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路、電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、 液晶顯示屏 的動(dòng)態(tài)顯示 電路。 電路模塊電路設(shè)計(jì) 液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用 紅外光電傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以辨別的電信號(hào)。 （ 1） 檢測(cè)前置電路 光電傳感器采用紅外光電傳感器。 紅外光電傳感器主要由紅外發(fā)射和紅外接收管組成。紅外發(fā)射管在恒定的電源驅(qū)動(dòng)下發(fā)射恒定紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)經(jīng)過(guò)外界物體產(chǎn)生反射，然后由接收管接收。 電路如圖 31。 U1Optoisolator110R110R2VCCGNDOUT 圖 31 光電傳感器電路 （ 2） 信號(hào)放大電路 因?yàn)榧t外光功率的問(wèn)題，其接收電路產(chǎn)生的信號(hào)十分微小，是 mV級(jí)的電壓。所以必須經(jīng)過(guò)放大電路將其放大，才能得到可以識(shí)別的信號(hào)。放大器是由集成運(yùn)算放大器 LM324構(gòu)成的同向交流放大器。其放大倍數(shù)： Av=1+R4/R5。在此 Av=1+500/22=23。經(jīng)過(guò) 23倍的放大處理，紅外光電傳感器采集到的信號(hào)就可以很容易的被處理。電路如圖 32。 10 +32out15411VddVss10R5GNDGND10R6VCCOUTIN 圖 32 信號(hào)放大電路 （ 3） 電壓比較電路 經(jīng)過(guò)放大處理過(guò)的信號(hào)，其高電平，低電平并不是標(biāo)準(zhǔn)的，不能直接被單片機(jī)識(shí)別處理。因此需要使用電壓比較器將不標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。電壓比較器能將輸入電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓相比較。低于標(biāo)準(zhǔn)電壓的，比較器輸出 0電壓（低電壓）。高于標(biāo)準(zhǔn)電壓的，比較器輸出高電壓（ 45V）。這樣，就完成了信 號(hào)的轉(zhuǎn)換。在此，采用集成電壓比較器 LM339來(lái)做電壓比較。 R7是電位器，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓。 R8是上拉電阻。電路如圖 33。 +76out21089VddVss2KRPGNDVCC10R3OUTIN 圖 33 電壓比較電路 由電路圖可以看到，接收管與發(fā)射管正相對(duì)，無(wú)液滴滴下時(shí)，接收管收到信號(hào)，輸出低電平；有液滴滴下時(shí)，下落的水滴對(duì)紅外光有較強(qiáng)的漫反射、吸收及一定的發(fā)散作用，導(dǎo)致接收光強(qiáng)的較大改變，接收管不能收到較強(qiáng)的信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)較長(zhǎng)的脈動(dòng)，但是信號(hào)小，所以經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器 LM342放大之后在經(jīng)過(guò)電壓比較器 LM339就可以輸出一個(gè)正向的脈沖信號(hào)送給單片機(jī)中斷口，據(jù)此就可以正確的測(cè) 出液滴的滴數(shù)，即點(diǎn)滴的速度（滴/分）。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在受環(huán)境光線(xiàn)的影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)液滴產(chǎn)生兩個(gè)脈沖的現(xiàn)象，為此我在軟件上設(shè)計(jì)了消除雙脈沖程序。使得雙脈沖干擾問(wèn)題得到較好解決。 11 鍵盤(pán)控制電路 用 AT89SC52的并行口 P1接 4X4矩陣鍵盤(pán)，以 － ，以 － 出線(xiàn)。 每個(gè)按鍵有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識(shí)別這個(gè)按鍵的編碼。矩陣的行線(xiàn)和列線(xiàn)分別通過(guò)兩并行接口和 CPU通信。每個(gè)按鍵的狀態(tài)同樣需變成數(shù)字量 “0”和 “1”。電路原理如圖 34。 S2S6S10S14S3S7S11S15S4S8S12S16S5S9S13S17P10P11P12P13P14P15P16P17 圖 34 鍵盤(pán)控制電路 步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，由電脈沖信號(hào)即可轉(zhuǎn)變成角位移，比其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)更適合于本系統(tǒng)，故選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本系統(tǒng)中使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制的高度，以控制點(diǎn)滴速度。由于單片機(jī)帶負(fù)載能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以有必要在單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間加上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，增加單片機(jī)帶負(fù)載能力。 電路原理圖如圖 3－ 5。 123456789 101112131415161718NLU2020GNDVCC1B2B3B4B5B6B7B8B1C2C3C4C5C6C7C8C12345P2Header 5VCC 圖 35 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 單片機(jī)輸出四路脈沖信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相位角。單片機(jī)產(chǎn)生四相四拍脈沖信號(hào)的波形如下圖 3－ 6。 12 圖 36四相四拍脈沖信號(hào)波形 為了使步進(jìn)電機(jī)控制更精 確，可以采用四相八拍脈沖信號(hào)，波形圖如下圖 3－ 7。 圖 37 四相八拍脈沖信號(hào)波形 電機(jī)正反轉(zhuǎn)的環(huán)形脈沖分配表如下： 表 31環(huán)形脈沖分配表 正轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表 反轉(zhuǎn)環(huán)形脈沖分配表 步數(shù) P00 P01 P02 P03 步數(shù) P00 P01 P02 P03 A B /A /B A B /A /B 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 2 0 1 1 0 2 1 0 0 1 3 0 0 1 1 3 0 0 1 1 4 1 0 0 1 4 0 1 1 0 輸液管的機(jī)械控制 考慮到機(jī)械設(shè)備 的結(jié)構(gòu)，偏心輪需要的電機(jī)扭矩要求高。拉繩比較容易卡住液體點(diǎn)滴速度。因此在偏心輪和拉繩機(jī)械結(jié)構(gòu)中采用了拉繩結(jié)構(gòu)。圖 39a 是偏心輪結(jié)構(gòu)。圖 39b是拉繩結(jié)構(gòu) 元器件說(shuō)明 AT89C52 13 AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k字節(jié) Flash閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM,32 個(gè) I/O口線(xiàn)，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89C52 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ，串行通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工