液体点滴速度监控报警装置(51单片机)
[摘要] 该装置实时地监测液体点滴速度,通过单片机对信息的分析和处理,由主机发出相应的指令,调整系统的工作平稳,构成了一个高性能的闭环控制系统。实现了对点滴输液速度的直观监测,同时对一些异常情况的出现可实施报警。利用该装置还能通过主控平台对各个分立系统信息实施自动化、智能化的集中处理。能方便、简易的操作和使用,对医疗具有很强的实用性。
[关键词] 实时监控 红外传感 闭环控制 步进电机
- 方案设计与论证
根据题目要求和原输液装置的特点,提出以下三种方案:
- 方案一
直接在滴斗处用两电极棒的方法。
此方案的传感器采用简单的液体导电原理,在滴斗处安装两个电极。当水滴落下时,电极导通,从而使待测量的变化转化为高低电平电信号。采用伺服电机改变系统装置中液瓶与受液瓶的高度,达到改变点滴速度,从而进行控制。
2、方案二
把通过电机改变系统装置高度的方法,改为控制步进电机对输液管进行压缩或缓松,从而实现对点滴速度的改变。采用交流电动机控制H2的高度。即采用红外传感器测量滴斗滴液,送至单片机接口计数,通过数字模拟转换,将其转换为4—20MA标准电流值,同时通过键盘输入给定每分钟的滴数,再将此滴数将其转换为4—20MA标准电流值,将此两个信息同时进入数字PID调节器。通过偏差计算再输出一组4—20MA标准电流值,通过变频调速器控制电动机调节H2的高度,来控制滴斗滴数。此方案的优点是,完全按目前电气工程标准化运作,可以在很短时间完成。
- 方案三
根据点滴装置的特点,通过对装置的某一位置进行监测和控制,达到对整个系统液体点滴速度的监控。
通过控制输液软管夹头的松紧来控制点滴速度,采用红外传感器测量滴斗滴数,送至单片机接口计数并显示,首先标定两个脉冲(两滴间)间的时间间隔(以10MS为时基单位)。然后计算给定滴斗滴数(通过键盘)的时间间隔(以10MS为时基单位)。将此两个时间间隔进行比较,以决定步进电机运行的方向。该步进电机通过丝杠控制输液软管夹头的松紧,来控制滴斗滴数
4、方案比较
方案一的特点是:实现比较简单容易,原理上也是可行的,但由于本装置用于医疗,电弧的产生,可能对不同的药物有影响,同时传感器(电极)不能重复使用,以防止传染。
方案二通过改用红外传感器,弥补了方案一的不足。但是还存在问题,利用改变高度的方法虽然容易实现,但可控性不好。由此,我们采用了第三种方案,通过挤压输液管的办法来实现对点滴速度的控制。
- 系统原理框图
本系统最主要的是充分利用单片机编程的灵活性和其强大的功能,使一些小的系统实现自动化和智能化成为了现实。其中的器件都比较简单,尽大可能的利用各集成芯片的功能,如系统的键盘和显示原理电路。通过红外传感器对水滴滴落的动态信息的感应 ,单片机对数据的采集分析和处理,同时使用小功率的步进电机进行机械调整,使装置能机智、即时的响应操作者的使用。
- 主要电路原理与设计
- AT89C51单片机基本系统 控制与数值信号处理的核心采用AT89C51单片机,采用串口工作方式。电路如图3。
- 显示与键盘 如图4
利用74LS164进行串行动态9位数码管显示,74LS164的主要功能是8bits的串入并出数据处理。电路结构简单,功能强大。采用中断和查询的方法,设计的4键键盘的形式,利用单片机的灵活编程,扩展其键入功能。
3、红外传感和信号处理 采用红外线的发射和接收装置,它可用来检测包括液体在内的各种透明体、半透明体、不透明体,从而可以灵敏地反应水滴滴下。利用光电耦合器对电信号进行处理,减少干扰。
- 步进电机驱动和控制
四、系统软件工作流程 如图7 到 图12 1、软件设计: 软件部分参考流程图,这里主要讲述一下软件编写过程中的几个细节部分。 如前所述,我们计算滴水速度的原理是通过求出2个水滴之间的时间差,通过分析,我们通过定时器建立一个基准时钟,该基准时钟有2个字节单元,分别秒单位和10毫秒单位的数值。在每次传感器送来中断的时候调用“传感测量”子程序,在该子程序中,我们在取当前触发时间时,先把上一个脉冲发生的时间保存在“历史寄存器”中,然后再更新“当前寄存器”的值,即取当前脉冲的发生时间。这样我们就记录下了2个时间(连续)值。 中断前: 中断时: 注:箭头方向为中断时的赋值方向 图7 由于基准时钟是以10毫秒为最小单位的,而对于频率范围在20Hz~150Hz的脉冲而言,因为我们在后边的求滴速中要用到10毫秒单位值,而水滴的下落并不能保证绝对的规则,经测试发现,每一次求差后的值总有几个单位毫秒的变动,这个变动就导致了最终运算出来的滴速值的大幅度变化,后来惊观察发现这种误差可以归为周期性误差,所以为了消除这个误差,我们不是简单地只取一个差值,相反,我们是取了10个差值,然后再求平均值,这样处理的最大一个好处是可以使周期性误差的正、负偏差互相抵消,在很大程度上消除上述误差。 前面的处理虽然可以提供一个比较接近真值,对于最终显示出来的影响不大,但当要用这个值去控制滴速夹时,很明显这样处理的结果降低了控制的响应度;而另一方面,对于滴速夹的控制,因为我们采用的是步进电机,而且我们对步进电机的转轴又进行了改造,加了一个螺纹栓,可以保持滴速夹控制端的位置,所以我们在每采集一个脉冲间隔时就进行滴速的更改控制,这样可以提高控制设备的响应速度。所以在本系统中对于建立一个科学合理的系统模型是很有必要的。 在对滴速进行控制时,我们借鉴了PID算法,建立了一个闭环控制状态,利用类似于锁相环的模型:即把设定的滴速和当前的滴速进行比较,输出一个差值,利用这个差值的极性来决定电机的正反转,并拉小这个差值直至最小。因为每检测到一个传感信号,我们就把设定值和当前值进行比较,这样不仅提高了设备的响应速度,而且由于我们这个系统的基准时钟是以10毫秒为单位了,因为我们能分辨到10毫秒的数量级,可以使当前值非常接近我们所设定的设定值。 这一点可以参照电机控制的流程图。(图12)
2、程序流程图 3、源程序: 时间基准缓冲区:秒55h 0.01秒56h 键盘设置缓冲区:秒57h 0.01秒58h 传感测量缓冲区:前次—秒51h 0.01秒52h 当前—秒53h 0.01秒54h 差值—秒4fh 0.01秒50h 最终显示缓冲区:选择值:54h测定值5ah 5bh 5ch 设置值 5dh 5eh 5fh R4用于步进电机的步进记忆 org 0000h ajmp main org 0003h ajmp jpint ;int0 org 000bh ajmp times ;t0 org 0013h ajmp cgint ;int1 org 0040h main:mov sp,#60h ;设置堆栈 mov 41h,#00h mov 42h,#00h mov 43h,#00h mov 44h,#00h mov 45h,#00h mov 46h,#00h mov 47h,#00h mov 48h,#00h mov 4fh,#00h mov 50h,#00h mov 51h,#00h mov 52h,#00h mov 53h,#00h mov 54h,#00h ;初值设置 mov 55h,#00h mov 56h,#00h ;以上为时间初值 mov 54h,#00h mov 57h,#00h ;初值显示为00 mov 58h,#00h mov 59h,#00h mov 5ah,#00h mov 5bh,#00h mov 5ch,#00h mov 5dh,#00h mov 5eh,#00h mov 5fh,#00h mov r7,#00h
利用示波器观察红外传感电信号是否规则。若不规则,说明传感器转化的电信号需要进一步处理,或者是传感器本身有问题,需要检查。直到有规则的方波输出为止。 用数字计数器对液滴计数。在系统电路工作时,用数字计数器的表笔从传感器转化的电信号输出端相接,对点滴数计数与系统显示做比较,从而进一步校正电路测量的准确度。
单机测量: 与计数器比较:
实物图: 具体论文资料+源代码。参考链接:基于51单片机输液报警仪原文+电路图+源代码-小程序文档类资源-CSDN下载基于51单片机输液报警仪原文+电路图+源代码更多下载资源、学习资料请访问CSDN下载频道.https://download.csdn.net/download/qq_42372079/85445080 |
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