1. 引言

液體點(diǎn)滴速度控制系統(tǒng)對(duì)于大型醫(yī)院來說是一套能夠提高效率和服務(wù)質(zhì)量的控制設(shè)備，特別是遠(yuǎn)程監(jiān)控功能能使護(hù)士站對(duì)于病人的點(diǎn)滴狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并可根據(jù)病人狀態(tài)調(diào)節(jié)點(diǎn)滴速度。目前市場上點(diǎn)滴控制系統(tǒng)不少，本文的設(shè)計(jì)點(diǎn)在于低成本，僅使用最廉價(jià)89C51單片機(jī)以及普通的元件實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)。

2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.1． 從站設(shè)計(jì)要求

A．在滴斗處檢測點(diǎn)滴速度，并使用數(shù)顯裝置動(dòng)態(tài)顯示點(diǎn)滴速度（滴/分）。

B．通過改變點(diǎn)滴瓶高度控制點(diǎn)滴速度，點(diǎn)滴速度可用鍵盤設(shè)定并顯示，設(shè)定范圍為20—150（滴/分），控制誤差范圍為設(shè)定值+/-10%+/-1 滴。

C．系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間《=3 分鐘。

D．當(dāng)點(diǎn)滴瓶里的液面低于警戒值時(shí)，能發(fā)出報(bào)警信號(hào)

2.2． 系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)由主站控制16 個(gè)從站的有線監(jiān)控系統(tǒng)

A．主站功能：具有定點(diǎn)和巡回檢測兩種方式；可顯示從站傳輸過來的從站號(hào)和點(diǎn)滴速度；在巡回檢測時(shí)，住站能任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)量，從站號(hào)和各從站的點(diǎn)滴速度；受到從站發(fā)來的報(bào)警信號(hào)后，能聲光報(bào)警并顯示相應(yīng)的從站號(hào)；可用手動(dòng)方式解除報(bào)警狀態(tài)。

B．從站功能：能輸出從站號(hào)，點(diǎn)滴速度和報(bào)警信號(hào)；從站號(hào)和點(diǎn)滴速度可以任意設(shè)定；接收主站設(shè)定的點(diǎn)滴速度信息并顯示；對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。

C．主站和從站間的通信方式不限，通信協(xié)議自定，但盡量減少信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)量。

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

4. 硬件設(shè)計(jì)方案與論證

4.1． 點(diǎn)滴速度檢測方案

本文使用槽型光電耦合器。由KODENSHI 公司的photointerrupterLG-207 的內(nèi)置的放大器和施密特集成電路和LITEON 公司的加指示燈。在槽型光耦輸出信號(hào)口接發(fā)光管。因?yàn)樵?a href="http://www.makelele.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合 器輸出的是經(jīng)過整形的脈沖信號(hào)，單片機(jī)很容易就能讀到，該脈沖同時(shí)驅(qū)動(dòng)的指示發(fā)光管，能很直觀清晰的了解水滴下落的檢測情況，所以此裝置十分適合用于水滴滴速的檢測。

圖2 槽型光耦電路原理圖

4.2． 液面檢測報(bào)警方案

由發(fā)光二級(jí)管和光電三級(jí)管組成的光電傳感器。發(fā)光二級(jí)管和光電三級(jí)管分別固定在警戒位置的兩側(cè)，保證發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光和接收的三級(jí)管水平，光電三級(jí)管可以接收到發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光。當(dāng)液面的高度正常時(shí)（高于警戒位），輸出一個(gè)4.2V 的高電平。若液面的高度低于警戒位，此時(shí)光點(diǎn)三級(jí)管輸出的是一個(gè)0. 2V 的低電平。在兩種情況下的輸出電壓有明顯的跳變，可以直接將低于警戒位三級(jí)管發(fā)出的低電平作為報(bào)警信號(hào)送給單片機(jī)。

4.3． 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

方案一： 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)的優(yōu)勢在于：可以自鎖，且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，在12V的電壓下電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，能很容易的拖住的輸液瓶，使其停穩(wěn)在相應(yīng)的位置上。這種優(yōu)點(diǎn)對(duì)于調(diào)節(jié)滴液瓶的高度比有利。但是直流電機(jī)不可避免地使電動(dòng)機(jī)的起停產(chǎn)生延時(shí)。這樣的拖動(dòng)對(duì)提高輸液瓶定位的精度和點(diǎn)滴速度控制來說有些不利。控制電路采用慢速繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，只要有12V 的電壓就能通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)進(jìn)行的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整。電路簡單容易實(shí)現(xiàn)。

方案二： 4 相8 拍步進(jìn)電機(jī)。向步進(jìn)電機(jī)每發(fā)一個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.9 度（步進(jìn)度為0.9 度/Step）。這樣的性能對(duì)于精確控制十分有利。但是步進(jìn)電機(jī)也存在明顯的不足：不能自鎖，負(fù)載能力不如直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電流較大，運(yùn)行時(shí)容易失步。電機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，由于拖動(dòng)的是象輸液瓶這樣較重的負(fù)載而不能停穩(wěn)，導(dǎo)致滴液瓶高度上的變化。

綜合各方面指標(biāo)，特別是考慮到電機(jī)的帶負(fù)載能力，本文決定采用了直流電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)方案來實(shí)現(xiàn)。

4.4． 數(shù)字顯示方案

采用字符式LCD（Liquid Crystal Display）顯示［3］。可以用數(shù)字、部分符號(hào)和英文顯示較為清晰的提示，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，且對(duì)于本系統(tǒng)的點(diǎn)滴速度的動(dòng)態(tài)顯示，足以滿足要求。

4.5． 滴速調(diào)節(jié)按鈕設(shè)定方案

每個(gè)按鈕開關(guān)都接10K 的下接電阻，使其處于關(guān)斷狀態(tài)輸出位低電平，而非浮空狀態(tài)［4］。要進(jìn)行設(shè)定之前首先要按下“Ctrl”按鈕，輸出高電平給單片機(jī)的P0.5，說明設(shè)定開始。之后若按下按鈕“++”，輸出高電平給單片機(jī)的P0.6；若按下按鈕“--”，輸出高電平給單片機(jī)的P0.7。退出設(shè)定，要求同時(shí)給P0.6 和P0.7 以高電平，即需要同時(shí)按下按鈕“++”“--”對(duì)單片機(jī)進(jìn)行說明。

4.6． 系統(tǒng)報(bào)警

聲光報(bào)警。一旦接收到報(bào)警信號(hào)，立即啟動(dòng)鳥叫門鈴報(bào)警電路

5. 軟件設(shè)計(jì)

5.1． 單片機(jī)部分

單片機(jī)最小系統(tǒng)采用89C51 處理器，是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心。主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)定速度并顯示；現(xiàn)場點(diǎn)滴的脈沖讀入和現(xiàn)場點(diǎn)滴速度的檢測和顯示；接收液面檢測的報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

5.2． 點(diǎn)滴速度的測量顯示

方案一：以15 秒鐘為單位（滴/15 秒）進(jìn)行點(diǎn)滴速度的測量，得到的速度值轉(zhuǎn)換成 以1 分鐘為單位的要求的速度（滴/分）。考慮此方案是由于設(shè)計(jì)要求在3 分鐘之內(nèi)調(diào)整到設(shè)定速度，若直接采用（滴/分）作為單位，就沒有足夠的調(diào)整時(shí)間，而且以15 秒為單位的速度不會(huì)變化太大，對(duì)于電機(jī)的控制來說，更為平穩(wěn)。

方案二：測連續(xù)兩滴液滴的下落時(shí)間間隔t，再轉(zhuǎn)化成每分鐘的點(diǎn)滴數(shù)。由于每兩滴液滴的下落時(shí)間間隔會(huì)有所偏差，導(dǎo)致最終轉(zhuǎn)換的結(jié)果會(huì)有所誤差，故不采用。

5.3． 軟件流程圖

A. 轉(zhuǎn)速控制流程圖

圖3 直流電機(jī)控制流程圖

B. PC 主站與多個(gè)從機(jī)通訊程序流程圖

圖4 主從站通訊監(jiān)控流程

5.4． 通訊協(xié)議

主從站的通訊需要一定的通訊協(xié)議，本問所使用的通訊協(xié)議如表1。

例如，主站要向某從站查詢?cè)搹恼镜漠?dāng)前狀態(tài)：主站每隔0.2s 向從站發(fā)送一個(gè)查詢命令：“機(jī)號(hào)（30H~3FH）+ 查詢字（0A0H）”;從站送回狀態(tài)：“機(jī)號(hào)+當(dāng)前滴液速度+是否有報(bào)警”。

6. 系統(tǒng)測試

通過實(shí)際測試，自帶整形電路的光電耦合器在透過滴液管的透明管壁后仍可以精確地測試到每滴液滴。通過置與滴液 架頂?shù)幕?，直流電機(jī)完全可以控制滴液瓶的升降。雖然理論上直流電機(jī)的控制精度不如步進(jìn)電機(jī)精確，但是通過PI 算法，并使每次直流電機(jī)都只行走超調(diào)值的1/2 行程，系統(tǒng)仍然能夠在3 分鐘能達(dá)到所需要的液滴穩(wěn)定值。

7. 結(jié)論

采用電機(jī)控制液面高度，利用壓強(qiáng)的變化來改變點(diǎn)滴管內(nèi)的點(diǎn)滴速度的系統(tǒng)，再加上主站遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠有效低降低醫(yī)護(hù)工作者的壓力。本系統(tǒng)可以以級(jí)少的成本與設(shè)備占用空間實(shí)現(xiàn)，另外，如果增加以太網(wǎng)接口，則可使本系統(tǒng)完全滿足大型醫(yī)院的需要。