【文章內(nèi)容簡介】 ms，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，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(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，電機停止轉(zhuǎn)動。當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)步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(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行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(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)先選用步進電機。對改變輸液點滴速度的控制裝置。能手動設置點滴流速，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。h1h2電動機滑輪點滴移動支架儲液瓶受液瓶滴斗滴速夾如圖16方案二 凸輪方案 如圖17，凸輪擠壓輸液管調(diào)節(jié)滴速。墻壁軸心凸輪軟管如圖17方案三 拉繩索方案 如圖18，繩索拉緊或松調(diào)節(jié)滴速。繩索膠布固定鐵釘固定電機傳動如圖18 若是使用方案一，由于點滴的變化范圍較大，導致導管的高低變化較大，不易操作、波動大且危險；方案二對電機的扭矩要求較高，步進電機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，由步進電機帶動凸滑輪轉(zhuǎn)動，使滑塊按一定順序和運動規(guī)律上下往復運動，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“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。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，步進電機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、手持設備、電話系列、家用電器、運動耗材、醫(yī)療保健儀器等電子產(chǎn)品中得到了充分廣泛的應用。同時對顯示器的要求要顯示清晰、直觀、準確。此次設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。數(shù)碼管液晶熒光管圖111 顯示的種類但是考慮到此次設計的標準和可實現(xiàn)性。對于液晶顯示器來說，費用相比較高，雖然實現(xiàn)與操作方便，但是考慮到費用，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。第二章 硬件系統(tǒng)設計 硬件的總體設計 硬件的總體設計原理框圖傳感器檢測信號整形單片機數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)處理報警按鍵/指示控制驅(qū)動電機輸液泵圖21 硬件的總體設計原理框圖自動點滴控制器以STC10F04XE單片機為核心，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)變成單片機能夠接收的電信號，通過單片機的定時計數(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，實時顯示當前液滴數(shù)，可實現(xiàn)實時更新一次當前輸液速度值。當液體點滴速度超過所設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)護人員目前的輸液狀況異常。當要改變當前點滴滴速時，使用按鍵控制單片機，單片機經(jīng)過轉(zhuǎn)化驅(qū)動步進電機，再由步進電機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。l 自動點滴控制器的功能要求能手動設置點滴流速，范圍0～100滴每分鐘，誤差不差過2滴。能在藥液不足時報警。l 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，進行信號輸出。第三：信號進入單片機，單片機進行內(nèi)部計數(shù)，同時存儲。第四：將計數(shù)后的結(jié)果送至數(shù)碼管進行動態(tài)顯示。第五：可以預先設定輸液速度的上限值與下限值，當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)護人員。第六：改變當前低速時，使用按鍵選擇控制功能，單片機接收信號驅(qū)動電機，電機帶動輸液泵從而控制滴速達到需要滴速。第七：關(guān)閉電源，停止檢測。l 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。 核心單片機硬件系統(tǒng)的設計本課題選用國產(chǎn)單片機，宏晶科技公司的STC10F04XE單片機。STC10F04XE單片機實物圖：圖22 STC10F04XE單片機實物圖 STC10F04XE單片機的功能介紹l STC10F04XE單片機引腳圖，如下圖： 圖23 STC10F04XE單片機引腳圖l STC10F04XE主要性能：（1）高速:1個時鐘周期/機器周期/增強型8051內(nèi)核、速度比普通8051快8～12倍；（2）寬電壓:～,～(STC11/10L系列)；（3）低功耗設計:空閑模式(可由任意一個中斷喚醒)；（4）低功耗設計: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；（12）1個獨立波特率發(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,；（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),復位后為: 準雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)。 核心單片機的設計原理圖l 單片機的時鐘電路通過連接一個晶振和兩個30pF的電容，便構(gòu)成了單片機的時鐘電路。如下圖24：XTAL2XTAL1圖 24 單片機的時鐘電路l 單片機的復位電路單片機的復位電路，如圖25。因為單片機的第9引腳為復位功能引腳，當這個引腳連續(xù)兩個以上機器周期（2us以上）的高電平時，這個單片機就會復位。電容充電的瞬間，是導通，在設個瞬間，電流通過電容器，然后想電阻方向放點，此時，電容的“”端就能有一個很高的電勢，在高于3V的情況下，均可認為是高電平。而電容的充電是有時間的，當選擇合適的電容，其充電時間大于2us，這時，復位的條件成立。通常會把單片機復位引腳的高電平時間控制得長點，通常達到ms級別。RES圖25 單片機的復位電路l 單片機STC10F04XE的設計原理圖，如圖26圖 26 單片機STC10F04XE的原理圖 點滴檢測模塊的設計 點滴檢測，采用直射式對管光電傳感器。 紅外傳感器電路設計傳感器檢測電路主要由紅外發(fā)光二極管、紅外接收三極管和一個LM393比較器組成。無液滴低落下時，接收管接收到的光強較強。有液滴低落下時，下落中的水滴對紅外光有較強的漫反射、吸收及一定的散射作用，導致接收光強的較大改變。接收管兩端電壓和基準電壓由LM393比較器比較后，接受管兩端電壓大于基準電壓，比較器輸出低電平，送至單片機進行處理，據(jù)此就可以正確地檢測出液滴的滴落。實現(xiàn)原理框圖如圖27所示：單片機發(fā)射接收脈沖信號轉(zhuǎn)換電路LM393光敏三極管紅外發(fā)光二極管圖27 紅外光電傳感器原理框圖 紅外發(fā)光二極管 紅外發(fā)光二極管實物圖如圖28圖28紅外發(fā)光二極管實物圖，光電控制以及光電耦合的紅外光源，采用環(huán)氧樹脂全包封，根據(jù)性能參數(shù)進行液體點滴速度檢測電路設計。 紅外發(fā)光二極管參數(shù)HG313S參數(shù)數(shù)值HG313S參數(shù)數(shù)值最大功率75