【文章內(nèi)容簡介】 此次設(shè)計中，用于測量 輸液點滴數(shù)來說， 選用多個傳感器。根據(jù)傳感器的特性分析得出，紅外傳感器是比較好的選擇。在紅外傳感器中，又分很多種。所以需要選用一個最佳的方案。 方案一 采用壓力傳感器來實現(xiàn)。在受液瓶下加一壓力傳感器，通過感知其壓力大小來判斷是否有液滴落下。 方案二 采用液位傳感器來檢測。將一液位傳感器置于受液瓶中，根據(jù)液位傳感器感受到的液位起伏來檢測是否有點滴落下。 方案三 采用紅外對管實現(xiàn)， 跟 據(jù)光敏三極管接收到的光強(qiáng)的強(qiáng)弱變 化，從而使光敏三極管產(chǎn)生電流，經(jīng)整合形成高低電平進(jìn)行輸出，通過對高低電平的變化來判斷是否有液滴地下。 即：直射式光電傳感器。 方案四 采用光纖傳感器，將光纖傳感器固定于滴斗外側(cè)。當(dāng)有液滴落下時，光纖傳感器感知滴斗壁是否產(chǎn)生特定抖動，從而判定是否有液滴落下。 總 合分析，液滴的質(zhì)量約 ，目前精度較高的壓力傳感器其靈敏度僅 ，故方案一目前無法檢測。方案二將傳感器置于液體中不可取。同時由于相鄰兩次液位差距很小，會引入較大的測量誤差。方案四采用光纖傳感器，測量精度較高，但是光纖傳感器的成本較高。方案 三 成本 低 ，電路簡單，且不受可見光的干擾，穩(wěn)定性好，測量相鄰點滴下落時間間隔即可確定點滴速度。故選用方案三。 機(jī)械傳動控制的分析與選用 機(jī)械傳動控制的分析 機(jī)械傳動 分析 框 圖 ： 圖 15 機(jī)械傳動分析框圖 要達(dá)到控制輸液流速的智能控制需要一些機(jī)械裝置，如機(jī)械傳動 需要電機(jī)，控制裝置要用特殊關(guān)斷開關(guān) 。 輸液管 機(jī)械傳動 控制流速 信號驅(qū)動 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 自動點滴控制器 14 機(jī)械傳動 動力傳動，電機(jī)必不可少，要達(dá)到精確的控制有舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。 (1)舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不 斷變化 并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱，其實是一種伺服馬達(dá)。 其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)然我們可以不用去了解它的 具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就象我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動是可以完全不用去考慮的。 (2)步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的 ?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 對于控制輸液點滴流速方面，考慮到穩(wěn)定性和精確性， 優(yōu)先 選用步進(jìn)電機(jī) 。 控制裝置 對改變輸液點滴速度的控制 裝置 。 能手動設(shè)置點滴流速，范圍 0～ 100 滴每分鐘，誤差不差過 2滴。 此裝置可以有多種方案， 初期比較 成熟的有三種： 方案一 滑輪方案 如圖 16,改變輸液 瓶的高度調(diào)節(jié)滴速。 如圖 16 h1 h2 電動機(jī) 滑輪 點滴移動支架 儲液瓶 受液瓶 滴斗 滴速夾 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 自動點滴控制器 15 方案二 凸輪方案 如圖 17，凸輪擠壓輸液管調(diào)節(jié)滴速。 如圖 17 方案三 拉繩索方案 如圖 18，繩索拉緊或松調(diào)節(jié)滴速。 如圖 18 若是使用方案一，由于點滴的變化范圍較大，導(dǎo)致導(dǎo)管的高低變化較大 ，不易操作、波動大且危險；方案二對電機(jī)的扭矩要求較高，步進(jìn)電機(jī)不足以提供這樣大 的力矩；方案三考慮的因素較多，繩索的彈性、工作面的固定 、操作繁瑣等。綜上所述，三個方案都沒能達(dá)到精確性、操作簡潔性、穩(wěn)定性等。 在多方查找資料中，我們發(fā)現(xiàn)一種醫(yī)療領(lǐng)域廣泛使用的輸液儀器 輸液泵。 輸液泵 (1)指狀蠕動泵 指狀蠕動泵，又稱線性蠕動泵，如圖 110為指狀泵蠕動的結(jié)構(gòu)示意圖。 它體積小，重量輕，定量準(zhǔn)確，使用方便，輸液管安裝方便。這種泵有一根凸輪軸，凸輪軸上有多個 (一般為 12個 )凸輪，這些凸輪的運(yùn)動規(guī)律相差一定的角度，每個凸輪與一個“手指”(即滑塊 )相連。工作時，由步進(jìn)電機(jī)帶動凸滑輪轉(zhuǎn)動，使滑塊 按一定順序和運(yùn)動規(guī)律上下往復(fù)運(yùn)動，像波一樣依次擠壓輸液管，使輸液管中的液體以一定的速度定向流動。這種泵比較準(zhǔn)確，容易控制。輸液時不希望產(chǎn)生脈動，要求泵的線性度好。泵的線性度與“手指”的數(shù)目有關(guān)，當(dāng)“手指”數(shù)目超過 8個小時，就有很明顯的線性度，脈動也明顯減少。 墻壁 軟管 凸輪 軸心 膠布固定 鐵釘固定 電機(jī)傳動 繩索 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 自動點滴控制器 16 如圖 19 指狀蠕動泵結(jié)構(gòu) 示意 圖 (2)盤狀蠕動泵 盤狀蠕動泵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 111，這種人蠕動泵具有圓弧內(nèi)周面的泵殼，有一中心輪，中心輪的邊緣呈軸對稱分布安裝著一定量的可轉(zhuǎn)動擠壓輪，輸液管夾在 擠壓輪和泵殼的圓弧形內(nèi)周面之間。工作時，步進(jìn)電機(jī)帶動 其周圍的擠壓輪轉(zhuǎn)動，中心輪像“太陽”，擠壓輪像“地球”，擠壓輪即繞中心線公轉(zhuǎn)，又繞自己軸線自傳。幾個擠壓輪沿著中心輪順序擠壓輸液管，是液體以一定的方向流動。 圖 110 盤狀蠕動泵的結(jié)構(gòu)示意圖 這些醫(yī)用輸液泵可滿足多種功能的需求，歸納起來，輸液泵能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能 : (1)可精確測量和控制輸液速度。 (2)可精確測定和控制輸液量。 (3)液流線性度好，不產(chǎn)生脈動。 (4)能對氣泡、空液、漏液、心率異常和輸液管阻塞等異常情況進(jìn)行報警，并自動切斷輸液通路。 (5)實現(xiàn)智能控制輸液。 在考慮實際的操作 性和現(xiàn)有的材料上，最后選用指狀蠕動泵。 顯示模塊的分析與選用 顯 示器在儀器儀表、手持設(shè)備、電話系列、家用電器、運(yùn)動耗材、醫(yī)療保健儀器等電子產(chǎn)品中得到了充分廣泛的應(yīng)用。同時對顯示器的要求要顯示清晰、直觀、準(zhǔn)確。 此次設(shè)計的顯示部分可有多種方法實現(xiàn)，可以用 (1)液晶顯示，可以用 (2)數(shù)碼顯示，還可以用 (3)熒光管顯示。 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 自動點滴控制器 17 數(shù)碼管 液晶 熒光管 圖 111 顯示的種類 但是考慮到此次設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和可實現(xiàn)性。對于液晶顯示器來說，費(fèi)用相比較高，雖然實現(xiàn)與操作方便，但是考慮到費(fèi)用，相比液晶顯示器和熒光管顯示器來說，數(shù)碼管顯示是比較理想的選擇。 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 自動點滴控制器 18 第二章 硬件 系統(tǒng) 設(shè)計 硬件 的總體設(shè)計 硬件的 總體設(shè)計原理框圖 圖 21 硬件的總體設(shè)計原理框圖 自動點滴控制器以 STC10F04XE 單片機(jī)為核心，由數(shù)碼管電路、傳感器檢測電路、報警電路、驅(qū)動電路等部分組成。傳感器檢測電路發(fā)出微弱的電信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大整形處理，轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠接收的電信號，通過單片機(jī)的定時計數(shù)控制，經(jīng)過數(shù)據(jù)的計算處理送數(shù)碼管顯示模塊顯示，實時顯示當(dāng)前液滴數(shù)，可實現(xiàn)實時更新一次當(dāng)前輸液速度值。當(dāng)液體點滴速度超過所設(shè)定的極限速度時或液位異常時，報警電路發(fā)出報警信號，提示醫(yī)護(hù)人員目前的輸液狀 況異常。當(dāng)要改變當(dāng)前點滴滴速時，使用按鍵控制單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過轉(zhuǎn)化驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，再由步進(jìn)電機(jī)帶動輸液泵控制輸液管流通液面的大小，從而改變點滴滴速的目的。 ? 自動點滴控制器的功能要求 能手動設(shè)置點滴流速，范圍 0～ 100滴每分鐘，誤差不差過 2滴。 能在藥液不足時報警 。 ? 自動點滴控制器的工作過程 自動點滴控制器 工作過程 第一 : 接通電源，發(fā)光二極管開始點亮 第二：液滴通過傳感器，傳感器工作，進(jìn)行信號輸出。 第三：信號進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行內(nèi)部計數(shù)，同時存儲。 第四：將計數(shù)后的結(jié)果送至數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示。 第 五：可以預(yù)先設(shè)定輸液速度的上限值與下限值，當(dāng)前顯示的輸液速度高于上限值或低于下限值時 或液面異常時 ，可以自動發(fā)出報警信號，提醒醫(yī)護(hù)人員。 第六：改變當(dāng)前低速時，使用按鍵選擇控制功能，單片機(jī)接收信號驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)帶動輸液泵從而控制滴速達(dá)到需要滴速。 第 七 ：關(guān)閉電源，停止檢測。 ? 自動點滴控制器的性能特點 性能可靠、精確度高、性價比高、操作方便。 傳感器檢測 信號整形 單片機(jī) 數(shù)碼管顯示 數(shù)據(jù)處理 報警 按鍵 /指示 控制 驅(qū)動電機(jī) 輸液泵 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 自動點滴控制器 19 核心單片機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計 本課題選用國產(chǎn)單片機(jī)，宏晶科技公司的 STC10F04XE 單片機(jī)。 STC10F04XE單片機(jī)實物圖： 圖 22 STC10F04XE 單片機(jī)實物圖 STC10F04XE 單片機(jī)的功能介紹 ? STC10F04XE單片機(jī)引腳圖，如下圖： 圖 23 STC10F04XE 單片機(jī)引腳圖 ? STC10F04XE主要性能： （ 1）高速 :1個時鐘周期 /機(jī)器周期 /增強(qiáng)型 8051內(nèi)核、速度比普通 8051快 8～ 12倍 ； （ 2）寬電壓 :～ ,～ (STC11/10L系列 )； （ 3）低功耗設(shè)計 :空閑模式 (可由任意一個中斷喚醒 )； （ 4）低功耗設(shè)計 :掉電模式 (可由任意一個外部中斷喚醒 ,可支持下降沿 /低電平和遠(yuǎn)程喚醒 ,STC11xx系列還可通過內(nèi)部專用掉電喚醒定時器喚醒 )； （ 5）工作頻率 :0～ 35MHz,相當(dāng)于普通 8051:0～ 420MHz； （ 6）時鐘 :外部晶體或內(nèi)部 RC振蕩器可選 ,在 ISP下載編程用戶程序時設(shè)置 ； （ 7） 1/2/3/4/5/6/8/16/32/52/62K字節(jié)片內(nèi) Flash程序存儲器 ,擦寫次數(shù) 10萬次以上 ； （ 8） 1280/256字節(jié)片內(nèi) RAM數(shù)據(jù)存儲器 ； （ 9）芯片內(nèi) EEPROM功能 ,擦寫次數(shù) 10萬次以上 ； （ 10） ISP / IAP,在系統(tǒng)可編程 /在應(yīng)用可編程 ,無需編程器 /仿真 器 ； （ 11） 2個 16位定時器 ,兼容普通 8051的定時器 T0/T1； 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 自動點滴控制器 20 （ 12） 1個獨(dú)立波特率發(fā)生器 (故無需 T2做波特率發(fā)生器 )； （ 13）可編程時鐘輸出功能 ,T0在 ,T1在 ,BRT在 ； （ 14）硬件看門狗 (WDT)； （ 15）全雙工異步串行口 (UART),兼容普通 8051,可作為 2個串口 (串口可在 P3與 P1口之間自由切換 )； （ 16）先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu) ,兼容普通 8051指令集 ， 有硬件乘法 /除法指令 ； （ 17）通用 I/O口 (36/40個 ),復(fù)位后為 : 準(zhǔn)雙向口 /弱 上拉 (普通 8051傳統(tǒng) I/O口 )。 核心單片機(jī)的設(shè)計原理圖 ? 單片機(jī) 的時鐘電路 通過連接一個晶振和兩個 30pF的電容，便構(gòu)成了單片機(jī)的時鐘電路。如下圖