液体点滴速度监控装置

杨秀娟

山西霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400

0 引言

随着信息技术的发展和微电子技术的应用，在医疗卫生领域和工业控制领域一场随之而来的信息化的变革也正在进行。在医疗卫生领域，针对输液流量的控制需求，在工业控制领域，生产中的液位流量有着同样的控制需求，本文给出了一种基于MCU技术的液体点滴速度监控装置的方案。研制该装置的主要是为了克服人工监测液体液位和液体流量所消耗的精力过大，效率过低等的弊端，该装置在理论研究及实际应用中具有重要价值，而对医疗卫生领域与工业控制领域来说意义更为重大。

1 液体点滴速度监控装置系统总体需求

液体点滴速度监控装置系统的需求即在液体流量的控制过程中，在速度、流量等方面实现自动化操作，实现液位流量的实时显示、限度报警等功能。装置应具备以下几个功能： 1）液体流动的速度及总量等信息可设定；2）液体的滴速可通过光电检测技术进行实时监测；3）对于所监测到的液体信号，液体的剩余量可经过计算与分析得到；4）液体流动信息可通过LCD屏幕进行实时显示；5）液体的流速可的自动控制；6）声光报警的功能；7）要求装置操作简单，使用方便；8）要求装置成本控制在可接受的价格范围之内。

2 液体点滴速度监控装置系统总体的设计方案

按照以上需求进行分析，液体的点滴速度监控装置系统的研制方案如下：1）利用MCU的I/O端口通过键盘进行数据输入，从而可设定液体流度及总量等信息；2）一个设计良好的人机交互界面在液体点滴速度监控装置系统中是必要的，可采用能够显示字体和图形的LCD实现；3）利用MCU的A/D端口，对光电传感器产生的液滴脉冲信号的接收，从而监测液体的滴速；4）采用MCU实现该装置对液体滴速的自动控制。

3 系统模块研制

按照实际的需求，嵌入式应用系统的开发应包括硬件系统的开发及软件系统开发两大部分，此两部分是密不可分、相互关联的，液体点滴速度监控装置的硬件开发应该依照安全可靠、足够的抗干扰能力、易用性、经济合理的原则。

3.1 主处理器单元

本装置的设计采用Atme1公司生产的Atme1-mage8单片机，这种单片机是一种基于增强的AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微控制器，而芯片采用哈佛（Harvard）型系统结构。Atme1-mage8的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，这是因为它考虑到芯片的先进指令集和单时钟周期指令的执行时间，该单片机对处理速度和功耗二者间的矛盾进行了很好的平衡。AVR内核具有丰富的指令集系统，以及32个通用的工作寄存器。算术逻辑单元（ALU）与所有的寄存器都直接相连，在一个时钟周期内一条指令能够同时对两个独立的寄存器进行访问。此种结构有效的提高了代码的执行效率，相对于普通的CISC微控制器数据的吞吐率至少高出10倍。

3.2 电源模块

液体点滴速度监控装置使用了把220V的电压转换到24V的微机电源，板内的POWER接口则连接到24V的电源，板内的电源模块选用的是REC32405SRW模块及REC3243.3SRW模块，这两个模块都是由RECOM公司生产的，各模块所需的5V与3.3V电压由这些电源模块转换。在电源电路的设计时考虑加入防反接二极管IN4007，可以避免电源适配器极性接反时出现毁坏电路板的情况。电源模块的输入、输出口采用两个电容分别对电源进行稳压滤波处理，这可以有效避免高频数字信号可能干扰到模拟信号。

3.3 键盘输入模块

在装置工作时，系统的输入设备可以采用键盘，借助键盘可以设置系统的参数，控制指令的发出等。按下程序中设置好的数字键或者功能键时，装置就会自动完成该按键程序中设置好的功能。借助于键盘模块，能实现稳定读数时间信号，有效速度控制信号，报警控制等信号的输入。在键盘输入设备设计的过程中，按键的消抖必须要考虑，该装置主要采用消抖办法为软件延时消抖。而在单片机的软件设置中，键盘扫描程序的编制采用的是中断的方式，这使得程序更有效率的执行。

3.4 键盘输入模块

装置的实时显示液滴监控参数是通过液晶显示模块来实现的。一块128*64个点阵的汉字图形型液晶显示模块用早本模块中，利用该模块可以显示汉字以及图形，模块可以显示8192个汉字（16*16点阵）以及128个字符（8*16），本装置采用动态方式对液体点滴速度信息进行显示，即当外部信号还没有传给单片机的时候，就每隔5s刷新一次滴液的速度(滴/分)。在新的外部信号被单片机接收到后，就要设定相应点滴速度(滴/分)。

3.5 液滴检测模块

液滴检测电路可以说是计算滴液速度的关键，同时也是体现液体点滴速度监控系统性能好坏和可靠性的重要参考标准。红外线检测技术可以很好的应用到液滴的检测中，该技术的原理是：在滴斗处对检测滴液，首先由可以发出红外光的红外发光二极管将红外光透过输液管照射光敏三极管，红外光信号可以由光敏三极管转换成为电流输出。如没有液滴通过滴斗，光线会衰减小，较强的光电流则会通过光电三极管输出；一旦有液滴流过滴斗时，由于光线可以被液滴吸收或散射，光信号照射到光敏三极管上面的往往都会比较弱，从而输出的电流也比较弱，由于电压随着电流变化，通过检测输出端电压的变化，能够探测出是否有液滴通过滴斗。等到液滴检测模块能够稳定的测量到液体流速的时候，流量速度就会在液晶显示屏上显示，而使得液滴的流速处在基本稳定状态下的时间不大于3分钟。

3.6 液滴检测模块

对于滴速的控制应该保证到极限时可以完全关闭液体流通管道，并且力求快速且稳定，同时。本系统中胶管松紧控制采用微型的步进电机正、反转带动传动机来实现的，步进电机是由Atme1-mage8通过ULN2003A模块完成驱动的。液体的滴速设定范围为（20～150）滴/分，是通过键盘输入参数来实现，误差范围的控制为设定值 ±10% ±1滴。

3.7 声光报警模块

报警单元主要由发光二极管以及蜂鸣器两部分构成，主要实现异常报警。在液滴检测的时候，如果出现异常的情况时，如出现滴速值超出键盘设定值的误差范围或者液体剩余的液位过低（警戒值为2cm～3cm，可设定）等，蜂鸣器就会发出鸣叫，同时还会控制发光管连续闪烁，达到报警的目的。

4 结论

本文的主要内容是对液体点滴速度监控系统的实现进行了深入的探讨研究，装置能够自动控制滴速，异常报警及测量参数显示，这些都是参考医疗输液过程的需求提出的。本文实现了系统硬件的研制，包括MCU的选用以及系统键盘输入模块、参数显示模块、滴液流速的检测模块、液体滴速控制模块、光声报警模块的研制，通过实验，该装置可以在医疗输液智能控制领域得到很好的应用。

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