液体点滴速度监控系统的设计

摘要

输液是医院常用的治疗手段，传统输液过程中存在着输液速度不精确、需要人工监护等弊端。本文的目标就是设计一种输液监控系统以解决此问题。

本文设计的液体点滴速度监控装置系统，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。此外系统还实现了多机通信，即一个主站控制一个和主从机之间的数据传输。当输液结束或输液速度发生异常时，从站使用发光二极管和蜂鸣器进行报警，并将报警信号通过串行口传送至主站，主站通过监控软件和蜂鸣器实现声光报警。

系统以8051单片机为核心，使用两块系统板（主机和从机）组成有线监控系统，主机实现对从机的控制及液体点滴速度的显示和液体点滴速度的键盘控制；从机通过外围电路检测储液瓶中液面高度和液体点滴速度；通过从机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。

在整体方案设计中，在保证设计系统能达到的题目要求的精度和稳定度的前提下，考虑到系统的轻便性、实用性、可靠性，对电路系统进行了优化。

关键词：点滴速度；光电传感器；步进电机；单片机

ABSTRACT

Transfusion commonly used as treatment in hospital, but there were some problems, such as inaccurate, need transfusion of artificial guardianship, etc. The goal is to design a transfusion monitoring system in order to solve those problems.

The monitoring and controlling system of liquid drop speed by this paper, actualize the infusion rate of test, the control of reservoir fluid bottle level detection alarm and dynamic display of transfusion speed. Users can through the button to control transfusion speed and system will automatically transfusion speed of it. Besides the system also actualize multi-machine communication, that is, a master station to control a multiple machine from a station and the master-slave data transmission between. When the infusion end or infusion speed abnormal, slave light-emitting diodes and buzzer to alarm, and will alarm signals through serial transmission to the master, stood by buzzer sound-light alarm.

The systems use 8051 SCM as machine?s core. Use two systems board (host and slave) component cable monitoring system for control of the machine from host. The master station achieves the displaying of liquid drip speed and the keyboard to control liquid drip speed. Slave machines through the outer circuit testing reservoir liquid bottle in height and liquid dropping speed, and through the control of stepping motor speed control the level of liquid storage bottle to control liquid drop speed.

In the overall program design, in ensuring the use of design systems to achieve th e required accuracy and stability of the premise, taking into account the system?s portability, practicality, reliability, electrical systems were optimized.

Key words: liquid drop speed; photoelectric sensor; Stepper Motor; single chip

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2课题研究的目的和意义 (1)

1.3 输液报警监控系统的方法 (2)

1.4 本课题采用的输液报警监控内容方法简介 (2)

1.5本文的结构 (3)

第二章输液监控系统的总体方案 (4)

2.1 输液监控系统的设计依据和目的 (4)

2.2系统方案论证与比较 (5)

2.2.1 控制方案的比较 (5)

2.2.2点滴检测方案比较 (5)

2.2.3液位监测方案比较 (5)

2.2.4速度控制方案 (6)

2.2.5电机的选择 (6)

2.2.6主从机通信方案 (7)

2.3系统总体框图 (8)

第三章系统的硬件设计 (10)

3.1 系统的硬件设计 (10)

3.2 从站各系统单元的设计 (11)

3.2.1中央处理单元 (11)

3.2.2点滴信号检测单元 (11)

3.2.3点滴信号的比较、滤波、整形电路 (12)

3.2.4 液位检测单元 (13)

3.2.5检测电路的抗干扰措施 (14)

3.2.6声光报警电路..............................................................................1

4.

3.2.7 步进电机驱动单元（高度调整单元） (15)

3.2.8 主从站接口电路 (16)

3.3 主站的硬件电路图及工作原理 (17)

3.3.1键盘单元 (18)

3.3.2 数码管显示单元 (20)

3.4 主从站芯片时钟电路 (21)

3.5 主从站复位单元 (21)

3.6 电源电路 (22)

第四章液体点滴监控系统的软件设计 (24)

4.1 从站各模块软件设计 (25)

4.1.1 主控模块设计 (25)

4.1.2 点滴速度测量模块设计 (25)

4.1.3 电机控制算法 (27)

4.1.3.1 电机控制原理 (27)

4.1.3.2 点滴速度控制 (28)

4.1.4 通信程序通信模块设计 (29)

4.1.4.1 串口通信参数设置 (29)

4.1.4.2 通信协议约定 (30)

4.1.4.3 主控模块设计 (31)

4.1.5 报警模块设计 (32)

4.2 从站各模块软件设计 (33)

4.2.1 主控模块设计 (33)

4.2.2 输入键盘模块的设计.................................................................33.

4.2.3 数码管显示模块的设计 (34)

第五章总结及展望 (37)

5.1总结 (37)

5.2 展望 (38)

5.3心得体会 (39)

致谢 (40)

附录一电路原理图 (41)

附录二部分程序清单 (43)

第一章绪论

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。但长期以来没有经济有效的自动监控装置，对已输液量或剩余液量等的监控，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。为此我们设计利用检测输液滴数的输液监控系统，该系统自动监控输液点滴数，通过主站对从站的输液情况进行巡回检测和显示。当剩余量低于设定下限值、输液速度过高或过低时，发出声光报警，提醒护理人员及时加以处理。

本系统由主站、从站和主从站数据线路组成，主站主要是实现输液数据远程监控、显示、存储和特殊情况下的报警。从站主要是实现输液情况的实时监控。由于不需要长距离传输信号，所以主从站数据传输线路采用通信线路简单的TTL 串行通信。

1.3 输液报警监控系统的方法

目前国内外常见的输液报警监控技术主要是对输液完成信息的提取，它概括起来共有5种方法:

①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。

②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。

③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。

④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。

⑤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。

1.4 本课题采用的输液报警监控内容方法简介

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。

1.5本文的结构

本文共分为六章：

第一章绪论部分介绍输液监控系统在国内外的研究状况，以及本课题的意义和主要工作内容。

第二章介绍输液监控系统的总体设计方案，分析了系统需求，并对各部分方案进行了详细的论证比较，最终确立了各部分方案。

第三章对主站和从站当中的硬件部分进行了设计，分别给出了主站和从站的系统框图、核心部分电路以及通信接口部分硬件电路。

第四章对主站和从站的软件部分进行了设计，首先给出主站和从站软件的总体设计，然后对各模块软件部分分别进行设计。

第二章输液监控系统的总体方案

2.1 输液监控系统的设计依据和目的

普通输液是医院常见的一种将药液容器(瓶/袋)中的液体药物，通过输液器(管路)，在大气压作用下，向患者静脉输入药剂的治疗方法。

在病人输液过程中通常会有几种异常情况发生:(l)液体中有气泡;(2)针头堵塞;(3)管路堵塞;(4)液体已输完未被发现。由于输液时间较长，护士不可能长间守在患者身边，因此上述几种情况会给病人带来烦恼和伤害，使护理质量下降，造成医疗纠纷。通常药液中的气泡，在正常输液前已被护士排除，因而可暂不予考虑;病区内多个病人在同时输液，输液器分布状况，是医护人员所关心的。人在输液过程中由于肢体移动或其它原因造成输液中断时，如何及时“准确得到报警信息，也是医护人员所关心的;病人输液结束，残液状况报警也是医护人员关心的;在利用中心静脉进行输液时，由于中心静脉压为负压，输液管路中药液尽时，空气极有可能进入右心造成栓塞，是医护人员所关心的。

对于上述问题的解决，国内外许多医护人员、工程技术人员想了不少办法。主要的思路基本是围绕着如何报警来进行。在实际医院护理工作中，护理人员工作十分繁忙，尤其是在中小医院，护理人员少，而病区接受输液的病人往往较多。当输液出现异常情况时，即便是床边输液报警器发出了报警信号，护理人员也经常会听不到，或听到却来不及处理。

本设计研究的输液报警系统就是针对以上问题的。在信号的获取部分，采取输液时药液下滴与没有药滴下滴时，通过对脉冲的变化，来得到液体点滴的信号。在对信号的处理部分，由于液滴并不是规则的矩形，所以，由光敏二极管所得的脉冲也不是规则的矩形波，而是不规则的图形，而单片机程序只识别数字信号，所以，我们必须把模拟的原始信号通过转换电路转换成为数字信号。报警部分的工作是建立在单片机工作的基础上的，在医院单片机输出低电平。由于蜂鸣器的一端与电源相连而导通，蜂鸣器进入工作状态开始鸣叫，提醒护士液滴已输完或异常输液发生。

本系统采用“单片机从站单片机主站”方案实现了输液自动报警功能和上下位机的通信。它在临床上具有很大的应用价值。本系统的研制成功将大大降低了医务人员的工作量，减轻了病人的负担。促进医院信息化、网络化、自动化、智能化的发展，方便了医院的日常管理工作。

本设计所设计的输液报警监控系统，是利用了当前市场上价格便宜的MCS-51单片机和光电传感器，它针对性强、使用方便、操作简单、成本低廉、

价格合理、利于推广等优点。而它的第二个优点即为推广容易，它利用了已有的报警装置，不需要医院重新布线，从而合理利用了已有资源。因此它将会有很大的实用价值和经济效益。

2.2系统方案论证与比较

2.2.1 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及远程通信的功能。

方案二：此方案采用MCS-51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，并且可以实现主站与从站之间的通信。

2.2.2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。

2.2.3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。

2.2.4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。

2.2.5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、

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。

2.2.6主从机通信方案

方案一：采用无线方式。

常用的无线方式有红外、蓝牙、Zigbee、无线收发模块等。红外方式的传输距离非常有限，而且易受障碍物的干扰，因此不能应用在本系统当中。蓝牙技比较复杂，功耗也比较大。Zigbee技术的标准传输距离为75m，并可扩展至几百米甚至几公里，但是此技术是一个由若干个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，而且现在Zigbee DSSS 2.4G 250kps 3-5公里无线数据采集终端模块的价格在每片1000元左右，若是强行采用此模块势必造成成本过高难以推广。无线收发模块RF905、nRF2401a价格虽然能够接受，但是这种无线模块并不是非常适合运用在楼宇当中，经过测试，在空旷场地上200m范围内没有问题（说明书上说开阔地带为500m，由于条件有限没做测试），但是现代楼宇普遍采用钢筋水泥结构，对电磁波衰减作用非常严重。虽然能够外加功放以使功率提升至30dbm，但是这样增加了成本，同时擅自增大RF辐射功率不仅会对人身健康产生不利影响，而且可能会面临法律上的问题，因此也不宜使用。基于以上原因，否决了无线传输模式，因此只能选择有线传输模式。

方案二：采用有线方式。

常用的有线方式可分为有并行通信和串行通信。并行通信一般在实际当中用得较少，其特点是传输速度快，但是占用单片机I /O口较多，需要的传输线也很多，不适合远距离通信,因此弃用而采用串行通信方式。

串行通信又可分为同步传输和异步传输，同步传输一般用于传输信息量大，传输速度要求较高（可达800kb /s）的场合。因为它要求由时钟来实现接收与发送之间的严格同步，对时钟信号相位的一致性要求非常严格，导致其硬件设备复杂，成本高，不宜使用，所以采取异步串行通信方式。结合8051本身，其内部有一个全双工串行口，共有4种工作方式。方式0并不用于通信，而是通过外接移位寄存器芯片实现扩展I/O口的功能；方式1为8位异步通信接口，用于双机通信，在距离小于1.5m时可直接相接利用单片机本身的TTL电平直接传输信息，

为增加通信距离，减少通信及电源干扰，一般采用RS-232-C标准进行通信；方式2、方式3均为9位异步通信接口，其区别仅在于波特率不同，主要用于多机通信，也可用于双机通信。

所以，共有三种方案可供选择：

方案一：采用I2C总线通信协议优点是易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要SDL、SCL两条通信线。但不适用于较长距离的信号传输。

方案二：采用TTL串行通信通信技术成熟，具有方案一的优点，仅需要RXD、TXD两条通信线，波特率可调，通信速度快。缺点是易受干扰，不适用于长距离通信。

方案三：采用RS485串行通信方式本方案具有方案二的优点，并且抗干扰能力强，可实现较长距离通信。

由于主从机传输距离较短，从最佳性价比出发，选择方案二。

2.3系统总体框图

根据前面的系统分析，本文研究的基于8051单片机的输液监控系统主要有两大部分组成，它们分别是由8051单片机构成的主站、由8051单片机的从站以及主从站之间的数据通信线路。根据前面的方案论证，从站电路主要包含以下几个模块：输液信号采集单元、脉冲整形和A /D转换单元、声光报警单元、数据通信单元和单片机外围电路等，主站电路包括键盘电路和数码管显示电路和通信电路。其中输液信号采集单元完成输液信号的采集工作，脉冲整形和A /D转换单元把采集到的模拟信号变为数字信号以便单片机进行处理，单片机处理完毕后一方面显示输液速度等信息，另一方面根据设定的输液速度对输液速度进行调整。

从站

图2-1 系统的结构框图

第三章系统的硬件设计

3.1 系统的硬件设计

根据本系统的功能具体要求，本监控系统的硬件设计主要由两大部分组成:

1、从站中央处理器由8051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。

2、主站中央处理器由8051单片机构成，完成对液体点滴控制和显示。

3.2 从站的硬件电路图及工作原理

从站由8051单片机构成，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。其硬件具体检测电路如图所示：

图3-1 从站设计硬件图

3.2 从站各系统单元的设计

3.2.1中央处理单元

本设计采用8051单片机作为中央处理控制器。单片机是微型计算机中的个重要分支，是微型机发展到一定阶段的产物，它的全称是单片机微型计算机。单机是把组成微型计算机的各个功能部件:中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出接口(1/0)、定时器、计数器及串行通信接口等采用大规模集成制作在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。它特别适用于控制领域，其结构和指令功能都是按照工业控制要求来设计的，因而又叫做单片微型控制器(Single Chip Mieroeontroller)。在国外也把它叫做单片微型计算器(Single Chip MICrocomputer)。

8051单片机是Intel公司于1980年推出的产品，含有一个8位处理器，128B RAM，21个专用寄存器，4KB的内部ROM，4个8位并行I/O口，一个全双工串行I/O口，两个16位定时器/计数器。符合本次设计的要求，所以采用8051

单片机。

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ST178来检测单位时间内点滴下落的个数，ST178为单电源反射式光电传感器，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。

图3-3 比较、整形、滤波电路

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

光电传感器输出

P3.2

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

h高度实现对点滴速度的控制，所以测量时被测装要检测点滴速度及通过改变2

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。

（3）干扰的软件处理。如下图，是单片机输入信号的正常波形和异常波形。

图3-5 单片机输入信号

检测到正常波形时脉冲宽度是t mS，若软件采集脉冲波形上升沿，则检测到异常波形时，软件在t mS 时间内只默认采集了一个上升沿，即将另一个上升沿屏蔽掉，这样软件就能将异常波形转换成正常波形进行处理。

3.2.6声光报警电路

本设计采用一个蜂鸣器与一个发光二极管实现声光报警。当传感器检测液位低于预设值或传感器检测不到有液滴下落时，从站单片机控制蜂鸣器报警灯工作，在发出声光报警的同时向PC主站发出报警信息。

设计中的声光报警单元分为两部分:一是光报警。它是利用8051的I/0口控制驱动发光二极管工作实现光报警的功能。二是声报警。它是利用蜂鸣器发出声

音提示人们。在本设计中光报警所使用的是在8051的P3.4脚上接一个发光二极管，当报警信号来临时，它发出一亮一灭闪烁信号通知护士人员。

声报警部分它时利用报警器来完成的。现在市场上的报警器的种类很多，比如:扬声器。蜂鸣器灯，本设计中选用电磁式蜂鸣器作为报警器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

图3-6 声光报警单元

3.2.7 步进电机驱动单元（高度调整单元）

这部分主要由步进电机及其驱动电路和一定的机械结构组成。电机安装在地面，电机的主轴上缠绕一根软线，软线通过支架顶部的滑轮系在储液瓶上。通过电机的旋转可调节点滴装置的高度。

步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移，比其他类型的电动机更适合于本系统，故选用步进电动机。本系统中使用步进电机来控制2h 的高度，以控制点滴速度。此次设计采用42BY015型步进电机，采用NOMS 管IF530构成如图所示的驱动电路。该电路的特点是无反向电流灌放电路，最大驱动电流达1安培。由于8051单片机I/O 口得复位电平为“高”，为了避免开机瞬间由于NOMS 管导通对步进电机造成损坏，在单片机I/O 口和NMOS 管之间加74HC04构成的反向器，以改变驱动逻辑。

P3.4

图3-7 电机驱动电路

3.2.8 主从站接口电路

主从站通信采用TTL串行通信，TTL通信技术成熟易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要RXD、TXD两条通信线，波特率可调，通信速度快。缺点是易受干扰，不适用于长距离通信，由于此次设计不需要长距离通信，所以使用TTL串行通信。连接方面，直接用两根通信线连接主从站的RXD、TXD两个接口，方便、实用简洁。

图3-8 从站通信接口图