液体点滴速度监控装置
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液体点滴速度监控装置
摘要:本系统设计是以单片机89C51为核心,以键盘及红外传感器为输入系统,以数码管、声光报警电路及步进电机为输出系统的智能化输液控制及监测系统。键盘系统为独立式按键系统,红外传感器的功能为检测点滴的滴下及控制报警电路。步进电机具有转速可控功率大及输入脉冲不变时可保持大力矩等优点,这样就可以自如控制吊瓶的上、下缓移可以达到智能控制的目的。
关键词:点滴速度监控模糊控制(Fuzzy Control) 多机通信MiniOS
引言:智能化、人性化是现代仪器设备的一个发展趋势,本系统专为各大、中型医院量身定制,护土可以减少与病人的直接接触,而只需通过护土室的主机来实时监控各输液室的输液状况,系统拓扑采用主从模式,便于扩容及升级维护。
1.课题分析
本题涉及医用,任何与瓶中液体有接触的设计方案都是不可行的,所有探测器、传感器只能固定于瓶的外壁。具体可分以下模块进行讨论:
(1)点滴速度监控:这要求系统能够正确的探测下落的点滴数。通过红外对管检测一定时间内的滴下的点滴数来确定。
(2)液位的探测:可用红外、超声、液位传感等,通过检测相应的感应变量来判断液位。
(3)在规定时间内通过调整滴斗的高度来改变点滴速度是本题的一个难点所在,其具体软件算法可以通过模糊控制、PID、二分法等设计思想来实现。
(4)网络通信功能:主站可以实时监控多个从站的工作状况并可进行相应的设置,故涉及到多机通信及相关的通信协议(Protocol)。
综上分析,主、从站的系统框图如下示:
图1 从站系统框图
图2 主站系统框图
图3 主、从站网络拓扑图
2. 方案设计及论证
2.1设计任务
根据题目的基本要求,设计任务主要完成
2.1.1数据采集方案的选择
数据采集一般可以采用以下几种方案:
①使用发光二极管和光敏三极管组合
②使用红外发光二极管和接受管组合。
③利用激光。通过对比,在这次设计中由于是近距离探测,故采用方案②来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长,因此受可见光的影响较小。同时红外系统还具有以下优点:尺寸小、质量轻,能有效的抗可见光波段的伪装,对辅助装置要求最少,对人眼无伤害。当然红外光也有一定的缺点,如大气、潮湿的天气、雾和云对它有衰减作用,所以只适用于室内通信。在现代生活中,人们为了更方便的使用红外光这种有效的媒质,利用红外光做出了很多器件,发射式光电检测器就是其中的一种器件,它具体积小、灵敏度高、线性好等特点,外围电路简单,安装起来方便,电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的,电路设计简单、性能稳定可靠。
2.1.2键盘方案的选择
方案一采用矩阵式键盘,此类键盘采用矩阵式行列扫描方式,优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目,缺点为电路复杂且会加大编程难度。
方案二采用独立式按键电路,每个按键单独占有一根I/O 接口线,每个I/O口的工作状态互不影响,此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O 口数目较多,优点为电路设计简单,且编程极其容易。
综合考虑两种方案及题目要求,方案一需要8个I/O 口,方案二需要11个I/O口,由于系统资源足够用,故采用方案二。
2.1.3电机系统方案的选择
方案一采用单片机和A/D 转换构成系统,控制普通电机的步数和旋转方向,可以考虑达林管组成的H 型PWM 电路。用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电机转速,减小因惯性,速度,步距角过大而引起的调整误差,达到改变点滴高度的要求,缺点是控制信号为模拟信号,需要将单片机输出的序列脉冲转换,延长了控制的时间,并且步距角为90O,满足不了控制误差范围为设定值±10%±1滴的要求。
方案二用单片机控制步进电机,控制信号为数字信号,不在需要数/模转换;具有快速启/停能力,可在一刹那间实现启动或停止,且步距角降低到7.5︒,延时短,定位准确,精度高,可操作性强。
综合考虑题目要求,一方面调节的步长尽可能的小,定位要好;另一方面如果停止信号到来,滑轮能够快速停止,并且力矩足够大,确保吊瓶不下滑。通过对比,利用步进电机可以自如控制吊瓶的上、下缓移,完全满足题目的要求,因此采用方案二。
2.1.4计算点滴速度的方案选择
在一定时间内点滴的滴数(即点滴的速度)是单片机通过红外传感器测得的脉冲信号计数获得的,但怎样计算点滴速度以满足在3分钟内实现电机对点滴速度的控制是必须考虑的问题
方案一根据一定时间T(如30秒)内滴下的点滴的滴数n计算点滴的速,计算公式为:Tv = 60n(滴/分)。根据此方案,若选取的计数时间T较短,以10秒为例,如检测系统误差为1滴,则算得的速度误差为6滴,此时假设点滴的实际速度为30滴/分,而计算速度为36滴/分,误差为30%,大于题目要求的误差范围10% ± 1滴。若选取的时间计数T较长,则系统达到稳定的时间太长。
方案二根据一定滴数N滴下所经过的时间t 计算点滴的速度,计算公式为tv = 60N (滴/分)。此方案的误差与系统计算的时间精度有关,通过调整计算的时间精度可以改进计算误差,达到题目所要求的误差范围。
通过比较论证,作者选用方案二。
2.2系统各模块设计方案
2.2.1点滴检测
方案一:采用压力传感器来实现。在受液瓶下加一压力传感器,通过感知其压力大小来判断是否有液滴落下。
方案二:采用液位传感器来检测。将一液位传感器置于受液瓶中,根据液位传感器感受到的液位起伏来检测是否有点滴落下。
方案三: 采用红外对管实现,根据接收到的光强的强弱判断是否有液滴滴下。
方案四:采用光纤传感器,将光纤传感器固定于滴斗外侧。当有液滴滴下时,光纤传感器感知滴斗壁是否产生特定抖动,而判定有无液滴落下。
考查上述各种方案,液滴的质量约0.05g,目前精度较高的压力传感器其灵敏度仅0.1g,故此方案目前无法检测。方案二将传感器置于液体中,不可取,同时由于相邻两次液位差距很小,会引入较大的测量误差。方案四采用光纤传感器,测量精度较高,但是光纤传感器的成本很高。方案三成本低,电路简单,且不受可见光的干扰,稳定性好,因此采用方案三作为点滴检测方案。测量相邻点滴下落的时间间隔即可确定点滴速度。
2.2.2液位检测
方案一:同点滴检测模块,采用红外对管实现,根据接收管接收到的光强大小来判断液位是否到达警戒线。
方案二:利用超声回波检测技术,利用超声波在不同物质、不同密度内传播速度不同的原理,通过检测超声波发射后的回波时间来检测超声波穿过物质的结构,利用MCU
定时控制超声波的发射,利用中断接收检测到的回波,然后经MCU的数据处理获得需要的数据。此系统中,可预先测定液位到达警戒线时的回波时间,然后将每次测量结果与此进行比较,便可得知是否到达警戒液位。
经比较,方案一器件简单,软、硬件也都相对较容易实现,方案二理论成熟,但由于超声波探测不可避免的存在一个盲区,盲区的大小与相应的MCU外理速度相关,在对精度要求较高的场合还需加入温度补偿模块及相应的软件算法以改善超声探测随环境温度的变化所产生的变化。考虑到软、硬件的复杂程度及要求的测量精度,采用方案一作为液位的检测方案。
2.2.3电机的选择
方案一:采用直流电机。
方案二:采用步进电机,在较为精确的定位性能方面十分优越。