【文章內(nèi)容簡介】 界干擾太大；而且滴斗壁對超聲波的反映較強，使信號穿透滴斗在另一邊接收比較困難，要保證信號強度需要較高電壓，這對病人以及醫(yī)護人員的操作也會造成一定的危險。 方案三：采用紅外發(fā)射 接收管作為傳感器來檢測點滴。采用斷續(xù)式工作方式，在點滴落下時阻擋了接收管接收紅外線，產(chǎn)生高電平的脈沖信號。由于紅外對管的發(fā)射口直徑較小，單光束發(fā)射，液體相對紅外裝置正交落下時，產(chǎn)生的信號很強，很容易檢測處理?？紤]到環(huán)境光干擾主要是直流分量，如果采用帶有交流 分量的調制信號，則可以大幅度減少外界干擾。同時，紅外傳感器有很多優(yōu)點：尺寸小，質量輕，安裝在滴斗上較簡單，對輔助電路要求少，在近距離可以直接用直流發(fā)射，電路簡單，性能穩(wěn)定。這個方案有效簡單，容易實現(xiàn)。 故采用方案三，采用脈沖調制的紅外對管發(fā)射接收來檢測滴速。 液面檢測和報警 題目要求當瓶內(nèi)液面降到 2— 3cm 時，能發(fā)出報警信號。這里關鍵是如何檢測到液面高度，而發(fā)出報警信號則較容易實現(xiàn)。檢測液面高度有很多方法： 方案一：采用電容傳感器測量液位。在儲液瓶身外貼 2 塊金屬薄片作為傳感電容，儲液面下降，電容 兩極間的介質常數(shù)減小，傳感電容的電容值減小，再經(jīng)過電容 /電壓變換器轉換為電壓值，這種方案雖然簡單，但由于不同的藥液有不同的電容值，R2 R1 C1 3 2 1 U1A LM324 R3 OUT IN 成都工業(yè)學院 通信工程系畢業(yè)設計論文 8 加之為了使電容量的變化比較明顯，瓶身外的金屬薄片設計比較大，影響對液面的肉眼觀察，所以不太適用于臨床使用，而且在實際制作中誤差較大，金屬箔也不易固定。 方案二：采用直射式紅外線傳感器檢測。利用紅外線在液體和空氣對紅外線吸收的不同，通過一組在同一直線上的紅外發(fā)射接收管，在保持紅外發(fā)射管發(fā)射光光強不變的情況下，檢測紅外接收管接收紅外線強度。當液面高度高于設定高度時紅外線接收管接收到紅 外線光強應小于當液面高度低于設定高度時紅外接收管接收到的紅外線光強，如圖 ： 液面紅外發(fā)射管 紅外接收管液面紅外發(fā)射管 紅外接收管 圖 直射式紅外傳感器檢測示意圖 方案三：采用全反射式紅外線傳感器檢測。紅外 線從液體射到空氣的界面時，如果入射角大于臨界角會發(fā)生全反射現(xiàn)象。 光線從光密媒質射入光疏媒質，當入射角大于臨界角時，就發(fā)生全反射現(xiàn)象 利用光的折射定律，可以求出各種媒質對空氣（或真空）的臨界角．如果用 C 表示臨界角， n 表示媒質的折射率，那么，由于空氣對該媒質的折射率等于 1/n ，所以 sinC/sin90176。=1/n 由此可得 sinC=1/n 利用這一原理，通過一組在同一直線上的紅外發(fā)射接收管，在保持紅外發(fā)射管發(fā)射光光強不變和紅外發(fā)射接收管相對角度大于 100 度并保持相對位置不變的情況下，檢測紅外接收管接收紅外線強度，如圖 示： 成都工業(yè)學院 通信工程系畢業(yè)設計論文 9 液面紅外接收管 紅外發(fā)射管紅外發(fā)射管 紅外接收管液面 圖 1 圖 2 圖 全反射式紅外傳感器檢測示意圖 當液面高度高于設定高度時，大部分全反射光線不能到達紅外接收管，接收管接收到的紅外線強度較小如（圖 1）；當液面高度到達設定高度時，大部分全反射光線可到達紅外接收管，接收管接收到的紅外 線強度較大，如（圖 2）所示。通過轉換電路將紅外線接收光強轉換為電壓信號，用比較器與門限電平比較，則可實現(xiàn)液面控制報警。 由于方案二紅外接收管接收紅外線強度在兩種狀態(tài)的變化不如方案三的變化明顯，方案三可靠性較高，而且方案二的門限電平液體物理特征有明顯關系，門限電平需根據(jù)液體不同而變化，因題目要求報警液位為 2— 3cm，方案三液體物理特征引起的誤差符合題目要求且門限電平不需要根據(jù)液體不同而變化，故選擇方案三。 液體點滴速度的控制 根據(jù)題目的要求，有兩個辦法。 方案一：通過電機驅動控制輸液軟管夾頭的松緊 來調節(jié)點滴的滴速，但在執(zhí)行元件的選取上要花費腦筋，雖然這種方法優(yōu)點是控制較精細，調整較迅速，穩(wěn)定性也比較好，另外，在控制較慢的滴速時容易使塑料軟管夾的過緊而變形，從而使液滴由慢速向快速調整過程耗時太長，這只能用于粗調。 方案二：通過電機驅動控制儲液瓶升高或降低（改變 h2） ,來調節(jié)點滴的滴速，通過改變出口與儲液瓶處的壓強。這種方法簡單易實現(xiàn)，故采用方案二。 控制電機及其驅動 方案一：采用由達林頓管組成的 H 型 PWM 橋式驅動電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速。 這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高。 H 型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性極強，是一種廣泛采用的 PWM 調速技術，但成本相對較高。 方案二：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整直流電動機的分壓，從而達到調整的目的。但電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格昂貴。更主要問題在于成都工業(yè)學院 通信工程系畢業(yè)設計論文 10 一般電動機的電阻很小，當電流很大，分壓不僅會降低效率，而且也較難實現(xiàn)。 方案三：用電機實時調節(jié)，并輔以測距電路，測量滴斗與地面的距離，根據(jù)高度與滴速的對應關系，決定下一步的移動距離，加以調 節(jié)。用經(jīng)驗值和實測值一塊控制電機動作，以最快的速度完成調節(jié)，精度較高，但測距裝置電路太復雜，且對于不能嚴格控制轉速的電機意義不大。 方案四：用步進電機牽引儲液瓶，保證儲液瓶和滴斗之間的相對距離不變，設定最初的高度，檢測當前滴速，根據(jù)經(jīng)驗公式，即高度與滴速之間的關系控制電機的轉數(shù)，達到合適的高度。由于步進電機的轉數(shù)很容易控制，測出轉軸直徑就可以知道瓶子經(jīng)過的距離，多次調節(jié)即可達到設定的滴速。 經(jīng)分析，采用方案四。 設定滴速與鍵盤顯示 在這里，鍵盤顯示用 8279 可編程的接口芯片。設定點滴速度用 4﹡ 4 鍵盤，用于鍵盤布局如下圖： 7 8 9 Set 4 5 6 Speed set 1 2 3 Enter 0 修改鍵 Cancel 圖 鍵盤布局 按鍵 功能說明： 1） 0~9 為數(shù)字鍵，該數(shù)字鍵表示從站號或者速度； 2） Speed Set鍵的功能： 設置點滴速度的功能鍵； 3） Enter 鍵功能：確認鍵。 4） Cancel 鍵功能：刪除當前所設置的數(shù)值。 例如：設置點滴速度為 120 滴 /分 步驟如下： 1） 先按下 Speed set 鍵，表示開始設置速度。 2） 依次輸入 0，表示所設置的速度。 3） 按 Enter 鍵，表示確認。 4） 設置完畢。 數(shù)碼管用八位 LED 顯示器。 成都工業(yè)學院 通信工程系畢業(yè)設計論文 11 第 3 章 硬件設計 各模塊的硬件設計 滴速檢測 利用紅外線在液體和空氣中對紅外線折射的不同，通過一組在同一 直線上的紅外發(fā)射接收管，在保持紅外發(fā)射管發(fā)射光光強不變的情況下，檢測紅外接收管接收紅外線的強度，原理圖如下圖所示： 圖 紅外傳感器檢測滴速示意圖 當液滴通過時，紅外接收管接收到紅外線光強應大于當無液滴通過時紅外接收管接收到的紅外線光強。 通過脈沖整形電路得到具體液滴滴速檢測，電路圖如下： 圖 脈沖整形電路 當發(fā)射管和接收管之間有液滴通過時，接收管導通， Vin 輸出的脈沖信號加在運算放大器 LM324 的反相輸入端， LM324 的正相輸入端輸入門限電壓 VG，將脈沖信號整形后，產(chǎn)生 Vout，為一串規(guī)則的方波脈沖，脈沖數(shù)與液滴滴速一一對應， Vin、 VG 和 VOUT工作波形如下圖 。發(fā)射管限流電阻 R4 去 200 歐，電流約為 20mA，調節(jié)電位器W2 可調整門限電壓，以抑制干擾。 3 2 1 U1A LM324 R4 R1 R2 R3 VCC OUT OUT 紅外發(fā)射管 紅外接收管 液滴 成都工業(yè)學院 通信工程系畢業(yè)設計論文 12 圖 整形后的脈沖波形 液面檢測及報警 紅外線從液體射到空氣的截面時如果入射角大于臨界角會發(fā)生全反射現(xiàn)象，利用這一原理 ，通過一組在同一直線上的紅外發(fā)射接收管，在保持紅外發(fā)射管發(fā)射光光強不變和紅外發(fā)射接收管相對角度大于 100 度并保持相對位置不變的情況下，檢測紅外接收管接收紅外線的強度。如圖 1 所示，當液面高度高于設定高度時，大部分全反射光線不能到達紅外接收管，接收管接收到的紅外線強度較?。蝗鐖D 2 所示，當液面高度到達設定高度時，大部分全反射光線可到達紅外接收管，接收管接收到的紅外線強度較大。在此裝置中，紅外接收管輸出的是電平信號而不是脈沖信號，可通過一運算放大器 LM324 送單片機中斷處理，電路圖與滴速檢測的轉換電路類似。 圖 電平放大電路 這樣可以準確檢測到液面下降到警戒線時的情況，由單片機志向中斷程序，發(fā)出報警信號。 點滴滴速控制 點滴控制靠單片機檢測滴速，得到一個反饋量，輸出一定信號控制電機上升或下降，從而調節(jié)滴斗的高度。 單片機的輸出信號是由所測量的點滴速度決定的。當測量速度小于設定速度時，要求電機正轉，帶動瓶子升高，則點滴速度增加；反之，當測量速度大于設定速度時，要求電動機反轉，使瓶子降低，從而點滴速度降低。 步進電機正轉反轉的控制以及控制精度， 并盡量減少設定速度到穩(wěn)定的時間，必須對反饋信號處理，選擇合適的程序。 電機控制采用四相五線永磁步進電機，以四相八拍方式工作。單片機的 P2 口分別接電機的 A、 B、 C和 D相，步進電機的驅動電路如下圖所示： 3 2 1 U1A LM324 R4 R1 R2 R3 VCC OUT OUT Vin Vout Vg 成都工業(yè)學院 通信工程系畢業(yè)設計論文 13 圖 步進電機工作方式 按 A → AB → B → BC → C → CD → D → DA 次序通電為正轉，帶動儲液瓶升高；按 D→ DC → C → CB → B → BA→ A→ AD 次序通電為反轉，帶動儲液瓶下降。75451 為 OC 門，單個 OC 門的吸 收電流為 500mA，每相采用一對 OC 門驅動，吸收電流可達 1A。當控制 A 相的 P2。 0 輸入低電平時， A 相導通，步進電機轉到 A 相，依此類推，其他相工作原理與此相同；當電路中兩相同時輸入低電平時，步進電機轉到兩相之間。此方式工作需要換相 8 次，轉子才轉動一個齒距角，所以步進電機的精度比較高，通過調整脈沖周期可控制步進電機轉速。圖中二極管和電阻構成泄放電路， 以保護 OC門不會因步進電機突然停止時在電路中產(chǎn)生過高電壓而損壞。 在電機調速的過程中，如果設定的點滴速度過快，可能會使輸液瓶上升到支架頂部，則可能拉倒支架，造成危 險，因此，在支架的頂部也安裝一個紅外傳感器，當輸液瓶上升到極限時，就發(fā)出報警信號，通知單片機控制電機停轉。 鍵盤顯示 按照題目要求，需 設置鍵盤及顯示器，這里 采用 4*4 鍵盤和八位 LED 顯示器