液体点滴速度监控系统的设计(1)

液体滴落检测与计数

难度系数:1.0

一、任务

医用吊瓶注射如图所示，需要检测液体滴落速度和数量。滴落速度范围为20-150滴/分钟，可由滴速夹调节。设计检测液体滴落数量与速度，并动态显示。

示意图

二、要求

1．基本要求

（1） 可检测并动态显示液体滴落速度。 （2） 滴落计数误差范围在10%±1滴； （3） 储液瓶低液位报警，低液位可调。

2. 发挥部分

（1） 检测误差不大于5%

（2） 设计通过键盘设定滴落速度和数量的控制装置 （3） 实现装置的远程监控

一、绪论

1.1课题背景

输液(俗称打点滴)是临床医学上最常用的治疗手段。在病人输液的过程中，往往由于病人体质虚弱、昏迷、入睡或者医护人员正在别处忙碌等而无法留意到

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输液全过程，从而需要专人监护，加重了护理人员的劳动负担，也不利于病区的综合管理当输液完毕，若处理不及时，病人的血液就会因空管而倒流人输液针管内，时间稍长会使扎针处严重肿胀。若处理过早，即药液还未完全输尽就摘瓶取管则又会造成药液的浪费等等。因此常引发病人的不满以至投诉，使医护人员非常无奈。本课题就是针对上述情况，通过声光报警监控的方法实现医院输液情况的实时监测，并通过单片机与数码管来实现输液数据的实时显示和存储，以及在特殊情况下的报警。本课题对实现医院现代化、信息化有巨大的推动作用。

1.2课题研究的目的和意义 在输液远程监控系统中，信号提取是医疗监控系统工作的首要前提。医疗输液信号自动检测和传输也是信号提取的过程，医疗工作人员常常需要检测和控制液体的储量或液位，如人工肾机的透析储液罐中液储量、自动洗胃机中冲洗液的液量、中医使用的药浴机中煎药锅中的水位、静脉输液液体量检测等等。如果对仪器中液体储量疏于监测，在液体储量失控情况下或者在可能会给患者带来伤害甚至危机其生命。通过对这些液体储量的监测，医护人员便可以随时了解液体余量，并能在液体缺少时及时自动和人工补充或者采取其他措施，维护医疗设备的安全运行。因此，如何更好地对医疗液位进行监测，一直是医学工程人员考虑较多的课题之一。而在临床医学中，常采用静脉穿刺的办法将药液直接经静脉注入体内，这种输液方式称为静脉输液。

1.3课题的思路及主要框图结构

本课题研究的液体点滴速度监控系统采用对射式红外光电传感器，它具有非接触性测量，响应速度快，受环境影响小，测量精度高等优点。它是一种可以利用其对物体表面黑度的敏感特性，应用于测量微小的位移。从光源红外发射管发射出的一定强度的光束到达测量面后，根据物体表面的不同黑度和表面光洁度，部分光散射和反射到红外敏感接收管转变成为和接收管接收到的光强成正比的电信号。对射式光电传感器分为投光器和受光器两部分．两者光轴重合在同一直线上。工作时，投光器发出调制光，被受光器接收，变为电信号。当被测体进入检测区时，光被遮挡，受光器无光可受．传感器输出状态改变。输出脉冲再通过脉冲整形和A/D转换变为高低电平，最后输入到单片机的外部中断0中去。单片机根据高低电平的变化来判断液滴的有无和对液滴的计数;每一个水滴产生一个这样的不规则的负向脉冲，脉冲数目与水滴数目一一对应。实现了对输液速度的检测与控制，实现了对储液瓶中液面高度的检测报警，并且动态显示输液速度。使用者可以通过按键设置输液速度，系统将自动对输液速度进行控制。当输液结束或输液速度发生异常时，使用发光二极管和蜂鸣器进行报警，继而实现对输液瓶的控制。

系统以80C52单片机为核心，实现对输液瓶控制及液体点滴速度的显示和液体点滴速度的键盘控制；通过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度；通过实现对步进电机控制以实现对储液瓶高低的控制，来实现控制液体点滴速度。

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数码管显示 声光报警电路L298驱动 步进电机 速度检测与液面高度检测电路 储液瓶80C52 二、方案比较与论证

2.1 控制方案的比较 方案一：此方案是传统的两位模拟控制方案，其优点是电路简单，易于实现。但模拟方式难以把精度做的很高，难以实现系统需求中的键盘显示和动态显示滴速。

方案二：此方案采用80C52单片机系统来实现，可用软件实现复杂的算法和控制。这种方案方便地实现了系统需求中的键盘设定和动态显示滴速等功能。

2.2点滴检测方案比较

方案一：可见光发光二极管与光敏三极管传感电路。 由于系统外界光源会对光敏二极管的工作有很大的干扰，一旦外界光亮度改变，就会影响对液滴的判断。如采用超强亮度发光管可以减小干扰，但功率损失大。所以方案一不可取。

方案二：不调制的红外对射传感器。由于直接采用直流电压对发光管进行供电，考虑到平均功率的限制，工作电流不能高于元件的额定值，对投币照射有一定的困难且仍然容易受到外部广元等干扰。

方案三：脉冲调制的红外对射传感器。 红外发射管的最大工作电流是由其平均电流决定的，采用占空比小的调制信号，瞬间电流会达到很大，大大提高了信号噪声比，提高了系统的抗干扰能力。

因此，本设计采用方案三。

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键盘 图2—1 系统的结构图

2.3液位监测方案比较 方案一：电极法 它是从输液瓶口插入2根电极，利用药物的导电特性来检验瓶内药物是否用完。毫无疑问，该技术具有较低的成本，但存在着安全隐患—药物特性是否会因通电而受到影响，还有电极的消毒问题。

方案二：测重法 它是利用弹簧秤或压力传感器或电磁感应开关(干簧管)根据药物重量变化来判断药液输完与否，方法虽然简便，但其可靠性和适应性(对袋装及塑料瓶装液体不宜)无疑受到质疑。

方案三：液面检测法 通过固定在输液瓶或输液管上的光电传感器(有采用半导体激光的，也有采用红外光的)利用液面下降到预定位置时对光的反射或折射情况的变化来判断药物输完与否。其中检测瓶内液面的，同样可靠性及适应性受到质疑，而且采用激光光源的还将带来一个高成本问题。

方案四：超声回波检测法 它是通过脉冲信号激励超声波发生器发出超声波，当超声到达输液瓶中液面后被液面反射回到超声波接收器，通过检测超声波从发射到接收需的时间，再根据超声波在介质中传播的速度及仪器安装高度，即可得出输液瓶中度。具有非接触的特点，且性能可靠、安全性好，具有实用价值，但是由于超声波探头价格昂贵及安装操作复杂，也阻碍了超声回波技术在静脉输液检测中的应用。

方案五：液滴计数法 它是根据临床医学的有关知识，一定量(以毫升为计量单位)的药液其输液量与药滴数有关，一般来说从莫非管式滴管滴落的每一滴为1/20毫升，或者是每20滴液滴总计一毫升。因此只要能检测液滴滴数，即可检测到药液的输入量。这种技术由于操作方便、价格便宜，且可靠性，实用性好它已经得到了大量的使用。

综合比较上面五种方案，从实用，简便同时保证测量准确度上，使用光电传感器测量储液瓶液面高度是最理想的选择。

2.4速度控制方案

对液体点滴速度的控制，可以使用下面两种方案： 方案一：采用输液软管夹头的松紧程度来控制液滴流速，控制滴速夹移动的距离很小，但是滴速夹的松紧调节过程中，存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，弹簧的弹力等等，都为非线性控制量，移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难。所以如果采用夹头控制难以实现类似的线性控制。

方案二：通过电机和滑轮系统控制储液瓶的高度，来达到控制液滴流速的目的，方案实现较为简便，通过步进电机可方便地实现对储液瓶高度的调节，从而达到控制液滴流速的目的，但缺点是调节储液瓶移动的的距离比较大，所需时间比较长，而且储液瓶高度与流速的关系非线性，并且没有现成的理论公式可以利用，而只能取足够多的采样点，来分析两者之间的关系，得出大致的经验公式。在自变量（储液瓶移动距离）变化范围较大的情况下，这项工作较为繁杂。

第一项第二项方案经过综合比较，使用电机调整高度来实现控制效果较好， 因此决定选择第二项的方案。

2.5电机的选择

首先讲讲电机的选择，常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、

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