李剛

摘要：利用單片機設(shè)計并制作一個智能化的醫(yī)用液體點滴速度監(jiān)測與控制裝置。該裝置由水滴速度測試系統(tǒng)、水速控制系統(tǒng)、數(shù)媽顯示裝置、單片機控制系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其基本原理是利用水的壓強隨著高度差的變化而變化，使用控制步進電動機的升降來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤來設(shè)定，設(shè)定范圍為20～150（滴/分），控制誤差范圍在10%±1滴左右。從改變設(shè)定值起到設(shè)定點滴速度，基本穩(wěn)定整個過程的調(diào)整時間小于3分鐘。

關(guān)鍵詞：點滴速度；紅外傳感；步進電動機；51單片機

1.引言

1.1課題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域需要對液體的流量進行精確控制，如化工方面對微量化學(xué)元素的檢測和分析常需精確控制流量，醫(yī)療領(lǐng)域中藥液的輸液量與點滴速度也需要精確的控制以達到更好治療效果。

液體點滴速度監(jiān)控器在醫(yī)院中主要就是應(yīng)用于靜脈輸液。隨著醫(yī)院管理系統(tǒng)進一步升級，如何利用計算機與現(xiàn)代控制技術(shù)提高醫(yī)療器械的自動化成為目前主要應(yīng)用方向之一。

1.2課題目的和意義

目前大小醫(yī)院中所使用的靜脈輸液器都是懸掛在病人的頭上才能輸液，液體點滴速度難以實現(xiàn)精確控制，這對特護病人和對輸液速度有較嚴格要求的病人是不方便的。此設(shè)計中的液體點滴速度監(jiān)控器可以用鍵盤準(zhǔn)確控制速度，精確控制藥液的輸液量和輸液速度，能對輸液過程中出現(xiàn)的異常情況進行監(jiān)測報警，預(yù)防輸液醫(yī)療事故的發(fā)生，有助于減輕醫(yī)護人員的工作強度，提高安全性、精確性和工作效率。且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，價格低，所以對液體點滴速度監(jiān)控器的研究設(shè)計十分有意義。

1.3主要設(shè)計內(nèi)容

設(shè)計并制作了一個液體點滴速度監(jiān)測與控制裝置，設(shè)計內(nèi)容及實現(xiàn)功能有：

（1）采用51系列單片機作為控制核心電路；

（2）可以在靜脈輸液器的滴斗處檢測點滴速度，并制作了一個數(shù)碼顯示裝置，實現(xiàn)動態(tài)顯示點滴速度（滴/分）；

（3）通過改變靜脈輸液器的儲液瓶的高度實現(xiàn)控制點滴速度，也可以通過控制軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤設(shè)定并顯示，設(shè)定范圍為10～160（滴/分）。

2.設(shè)計方案比較與論證

2.1點滴速度控制方式

方案一：改變輸液瓶高度控制點滴速度。

在靜脈輸液器的輸液管截面積確定的條件下，利用儲液瓶的高度不同所引起的液體壓強差的變化，實現(xiàn)對輸液點滴速度的控制。

方案二：改變靜脈輸液器的輸液軟管截面積控制點滴速度。

在輸液瓶高度確定的條件下，通過改變輸液管導(dǎo)通截面積實現(xiàn)點滴速度的控制。

方案一中的高度控制可利用小型步進電機實現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制速度快等特點。方案二由于輸液軟管的橫截面積較小且發(fā)生形變后其恢復(fù)速度較慢，難以實現(xiàn)點滴速度的精確控制，故采用方案一。

2.2液體點滴檢測方案

本設(shè)計采用紅外對管。根據(jù)液體對紅外線的阻擋，使用紅外對管檢測是否有液滴通過。由于紅外光的波長比可見光長，故受可見光的影響較小。同時紅外系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：質(zhì)量輕、尺寸小，能有效的減小對可見光波段的干擾，且輔助裝置要求最少，對人眼無傷害。

2.3速度測量方案

在一定時間內(nèi)點滴的滴數(shù)（即點滴的速度）是單片機通過紅外傳感器測得的脈沖信號計數(shù)獲得的，但怎樣計算點滴速度以滿足在3分鐘內(nèi)實現(xiàn)電機對點滴速度的控制是必須考慮的問題。

根據(jù)一定滴數(shù)N滴下所經(jīng)過的時間t計算點滴的速度，計算公式為V=60N[]t（滴/分）。此方案的誤差與系統(tǒng)計算的時間精度有關(guān)，通過調(diào)整計算的時間精度可以改進計算誤差，達到題目所要求的誤差范圍。

2.4電機及控制方案

用單片機控制步進電機，控制信號為數(shù)字信號，不再需要進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換；具有快速啟停功能，可在一瞬間實現(xiàn)啟動或停止，且步距角降低到，延時短，精度高，定位準(zhǔn)確，可操作性強。

2.5滴速檢測的軟件設(shè)計方法

在本裝置中，利用外部中斷INT1進行檢測液滴，T0進行計數(shù)。設(shè)定T0中斷響時間為0.01S，設(shè)一個計數(shù)指示標(biāo)志。具體做法是：T0每發(fā)生一次中斷，計數(shù)標(biāo)志加一，外部中斷INT1每發(fā)出一次中斷信號，就對計數(shù)標(biāo)志進行判斷，如果計數(shù)標(biāo)志大于30，則計算實際測得數(shù)速度，同時對計數(shù)標(biāo)志進行清零。計數(shù)標(biāo)志大于30是因為兩個點滴之間的時間間隔應(yīng)大于03S，如果出現(xiàn)外部中斷發(fā)生，說明電路出現(xiàn)抖動，應(yīng)該削除。

3.系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

3.2驅(qū)動控制電路

本系統(tǒng)是通過改變滴液管的高度h2來控制點滴速度S0。考慮控制余量，點滴速度的設(shè)計范圍為10～160（滴/分）。通過對滴速夾的控制，使h2達到最大高度hm=1500mm時，滴速達到最大Sm=160（滴/分）；然后漸漸降低滴液管的高度，使滴速達到最小Sm=10（滴/分），測得此時h2的高度為hm=500mm；再在500mm～1500mm范圍內(nèi)測滴速。

從測得的數(shù)據(jù)可近似得到：△h2=6.67×△S（mm）（公式3-1）

在實際操作過程中是通過對電動機的控制來拉動繩子，從而使h2高度改變，因此改變的是高度差，所以為了便于控制，我們對上式進行差分，可得△h2=6.67×△S（mm）（公式3-2）

式中的△S為滴速差；△h2改變△S后，h2所移動的相應(yīng)位移，當(dāng)△S為正時，滴液管向上移，當(dāng)△S為負時，滴液管向下移。

因為系統(tǒng)中用了兩個動滑輪，所以△h為△h2的4倍，令△S=設(shè)定滴速S速-實際滴速S實得電機所要拉動的繩子長度為△h=26.67×△S（mm）（公式3-3）

設(shè)電機每轉(zhuǎn)一圈，單片機發(fā)出200個脈沖，電動機皮帶輪的平均直徑為40mm，則每上升（或下降）一滴，步進電機就轉(zhuǎn)動的相位為：M=26.67[]πD×360[]1.8=42（公式3-4）

這里取M=40

設(shè)定的脈沖頻率為160HZ，調(diào)整的最長時間為：T=140÷4=35s再加實際上調(diào)整可能產(chǎn)生3～4次振蕩，故調(diào)整所需要的時間不會超過3 min， 因此滿足要求中規(guī)定的調(diào)整時間（≤3min） 。

3.3 鍵盤顯示電路

由于本系統(tǒng)中采用動態(tài)顯示方式驅(qū)動四位七段數(shù)碼管，來顯示點滴的速度。

鍵盤采用按鍵開關(guān)經(jīng)上拉電阻分別接P2.3 、P2.2、P2.1、P2.0口上。系統(tǒng)開始運行時，這時輸入標(biāo)志D_key為0，這時若按一次P2.3，D_key置1，系統(tǒng)進入輸入狀態(tài)，此時，每按一次P2.2，目的速度的百位取反；每按一次P2.1，目的速度的十位加一；每按一次P2.0，目的速度的個位加一；若再按一次P2.3，系統(tǒng)結(jié)束輸入狀態(tài)，D_key置0，執(zhí)行其它程序。單片機XTAL2、XTAL1接12MHZ晶振，提供系統(tǒng)時鐘基值，另RESET接上電復(fù)位按鍵。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 主控制模塊

用于主體程序控制，對程序的各個模塊進行調(diào)用能完成系統(tǒng)要求。

首先系統(tǒng)進行初始化，進入循環(huán)，進入按鍵子程序，接著進入步進電機處理子程序，對電機進行控制，然后顯示當(dāng)前設(shè)計速度，最后返回按鍵子程序，這樣不停循環(huán)下去。期間通過中斷獲得實際測得速度。在裝置調(diào)整完畢，且不再輸入目的速度的情況下，裝置應(yīng)該一直顯示著當(dāng)前實際速度。

4.2 步進電機控制點滴速度子程序

進行比較實際速度與目的速度，然后對步進電機進行控制，以使兩者的數(shù)值接近。

4.3 按鍵處理子程序的設(shè)計與實現(xiàn)

按鍵處理，實現(xiàn)對目的速度的輸入。系統(tǒng)開始運行時，這時輸入標(biāo)志D_key為0，這時若按一次P2.3，D_key置1，系統(tǒng)進入輸入狀態(tài)，此時，每按一次P2.2，目的速度的百位取反；每按一次P2.1，目的速度的十位加一；每按一次P2.0，目的速度的個位加一；若再按一次P2.3，系統(tǒng)結(jié)束輸入狀態(tài)，D_key置0，執(zhí)行其它程序。

5.結(jié)束語

在本設(shè)計中，雖然我花去了很多時間，查閱了大量相關(guān)資料，但設(shè)計的結(jié)果未能實際驗證，故其實際參數(shù)無法與設(shè)計精確匹配，需以實際運用的參數(shù)設(shè)計為準(zhǔn)。同時，本次設(shè)計可以進一步設(shè)計一個液滴液面檢測裝置和一個報警裝置，在液滴要完成時發(fā)出報警，提醒醫(yī)療人員輸液完成，同時自動下降使液滴速度變?yōu)榱?，提高醫(yī)療安全。

參考文獻：

[1]張茗.郭偉華.黃團團.張五一.陳旭.2003年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽一等獎液體點滴速度監(jiān)控裝置[J].電子世界，2004（10）：34-36.

[2]張毅坤.單片微型計算機原理及應(yīng)用.西安電子科技大學(xué)出版社，1998.26～78.

[3]李廣軍.微機系統(tǒng)原理與接口技術(shù).成都：電子科技大學(xué)原理與接口技術(shù)，2007.34～76.

[4]吳正光.紅外對管檢測裝置[J].廣州師院學(xué)報：自然科學(xué)版，1996（1）：79-83.

[5]王功利 劉景.紅外對管及其在測量滴流速度方面的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1996（5）：31-31.