液体点滴速度监控系统的设计(1)

伺服电机。比较上述三种电机，直流电机上电即转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停下来；转矩小、无抱死功能，如果要求准确停在一个位置，其闭环算法较复杂。步进电机转矩相对直流电机大，价格适中，控制精度较高，适用于较精确的测量中,可有效提高输液速度的控制精度。伺服电机，机械特性较好、输出功率较大、起动转矩大、驱动电路简单、正反转的控制较容易、且具有抱死功能(未上电时电机的转矩非常大)，但考虑到其实际价格动辄就是几千块，故而弃用。综合考虑上述各种电机的特点后，最终选用步进电机。

三、系统的硬件设计

3.1 系统的硬件设计

本系统中央处理器由80C52单片机构成，完成对某一具体的输液控制过程的监控。同时还包括输液信号获取单元，脉冲整形电路和A/D转换单元，声光报警电路，电机控制电路，液面检测电路。其中信号获取单元完成输液信号的采集;脉冲整形和A/D转换电路把采集的模拟信号变为数字信号。声光报警电路用来进行异常报警。以及完成对液体点滴控制和显示，键盘输入控制液滴的速度。

其硬件具体检测电路如图所示：

图3-1 系统设计硬件电路图

3.2.1中央处理单元

本设计采用80C52单片机作为中央处理控制器。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内

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置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。

3.2.2点滴信号检测单元

此单元用来检测是否有液滴滴下，其传感器部分采用红外对射式光电传感器，如图３－２所示：

图3-2 点滴信号检测电路

红外对射传感器是由红外发射管和受光管组成的，它的主要功能是实现电—红外线—电的转换。由于红外光波长比可见光长，受可见光影响较小，其红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装等优点。因此是检测液滴滴速的首选传感器。为了减少环境光源的干扰、增强信噪比，采用脉冲调制的方式。

传感器的作用就是将被测物理量变化过程的信号按照一定的规律转化成为适于传输和记录的电量(电压或电流)信号。传感器输出的电量信号通常比较小，不能直接用来显示、记录及进行A/D转换因此，我们需要有一个环节，把微弱的信号放大调整到能与A/D转换器输入电压相匹配的幅度。信号放大就是把前面由光电传感器所采集到的光电信号转换成为能够处理的电信号。R1为红外线发光二极管的限流电阻，R2起到电流转换为电压的作用。当有液滴滴落时，滴落的

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液滴把发射管发射的红外光挡住，光敏二极管产生数值非常小的暗电流，再经过电阻R2时，R2就把光敏二极管上的光通量变化转换成了R1上的电信号的变化，再通过整形和A/D转换，最后送入到单片机中进行处理。

本系统用光电传感器来检测单位时间内点滴下落的个数，该传感器内含有一个红外发光二极管，一个光敏三极管（用来接收反射回来的红外光）。当发光二极管发出的红外光大部分被光敏三极管接收时，接收端光敏三极管导通；光敏三极管接收到的反射红外信号微弱时，接收端光敏三极管截止。具体电路形式如图。

在图3—2 中，向下的那个脉冲就是由于液滴落下时，液滴挡住一部分的红外线使得红外线光敏二极管只能部分接收到红外线发光二极管所发出的红外线形成的脉冲，它的脉冲个数是和液滴的个数一一对应的，也就是说，只要能够数出脉冲的个数也就是知道了液滴的滴数了。

3.2.3点滴信号的比较、滤波、整形电路

传感器输出信号通常可以分为两类:一类为模拟量，例如压力、温度、加速度等的测量;另一类为数字量，例如用光电或电磁传感器测量转速等的测量。对模拟量信号进行调整匹配时，需要经过放大电路、调制与解调电路、滤波电路、采样保持电路、A/D和D/A转换电路等。而对数字信号进行调整匹配时，通常只需使信号通过比较器电路及整形电路、控制计数器计数即可。因此是属于上面说的第二类，只要进行比较和整形即可。

本单元就是对由光电转换单元传出的数字信号进行整形和模数变换，以便实现和单片计的接口问题。在本设计中所用的比较器是 LM339A，主要是利用了它的单限比较器。

在本单元中所用的比较器是LM339A是单比较器，LM339A是晶体管结构，输出级是集电极开路结构。它具有失调电压平衡调节端(或用作选通端)，并且具有连接负载都多样性及输出电流可达5OmA的特点。

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3.2.4 液位检测单元

同点滴速度检测部分一样，考虑到系统的医用卫生标准，医用吊瓶中应尽量避免异物进入，选择红外探测方案。虽然吊瓶壁厚度和外直径都比滴斗大的多，但在增大了红外发射功率后，通过有水和无水的储液瓶接收信号差异还是可以达到30~40mV，这说明红外探测对于越限报警电路来说也是可行的。由于越限报警电路只需要在液面下降到红外发射接收通路高度以下时发出警报，所以就考虑使用和点滴速度一样的设计电路，然后通过连接到计数器/定时器T1上，通过T1的电平的变化，即可知道液面是否到达警戒液面，然后报警。这样，电路可以简单、明了，易于检测液面。

图3-4 液面检测单元

3.2.5检测电路的抗干扰措施

电路中使用光电传感器检测点滴速度和警戒值。这样系统检测信号受到可见光以及测量调节中点滴抖动的影响，要使检测到的信号尽量准确，需要对系统电路进行抗干扰处理。

（1）防止可见光干扰 电路中使用了光电传感器，在接受到发送的红外线的同时，将会接收可见光。当可见光的强度足够大时，将会影响到接收的红外光信号的精度。抗可见光干扰可以使用在光电传感器探测头加遮光罩，或使用脉冲频率调制的方法。由于系统电路中使用直流电源给光电传感器提供工作电压，所以本系统使用在光电传感器探测头上加遮光罩。

（2）防抖动干扰 电路中需要检测储液瓶中液面高度以实现报警，同时需要检测点滴速度及通过改变2高度实现对点滴速度的控制，所以测量时被测装置将会移动，当光电传感器和被测装置之间不能紧密连接时，检测到的信号误差，所以要减小被测装置移动时产生的抖动干扰。本系统中将光电传感器固定在被测装置上，以减小被测装置移动时产生的抖动干扰。

当储液瓶中液面晃动时，会使光敏传感器产生误报警，利用单片机检测信号时，适当加上一段时间的延迟，待系统稳定时再测，可以减小液面晃动时产生的干扰。

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