液体点滴速度监控装置资料.docx

1、液体点滴速度监控装置资料液体点滴速度监控装置摘要 该装置实时地监测液体点滴速度，通过单片机对信息的分析和处理，由主机发出相应的指令，调整系统的工作平稳，构成了一个高性能的闭环控制系统。实现了对点滴输液速度的直观监测，同时对一些异常情况的出现可实施报警。利用该装置还能通过主控平台对各个分立系统信息实施自动化、智能化的集中处理。能方便、简易的操作和使用，对医疗具有很强的实用性。 关键词 实时监控 红外传感 闭环控制 步进电机一、方案设计与论证根据题目要求和原输液装置的特点，提出以下三种方案：1、方案一 直接在滴斗处用两电极棒的方法。 图1此方案的传感器采用简单的液体导电原理，在滴斗处安装两个电极。

2、当水滴落下时，电极导通，从而使待测量的变化转化为高低电平电信号。采用伺服电机改变系统装置中液瓶与受液瓶的高度，达到改变点滴速度，从而进行控制。2、方案二把通过电机改变系统装置高度的方法，改为控制步进电机对输液管进行压缩或缓松，从而实现对点滴速度的改变。采用交流电动机控制H2的高度。即采用红外传感器测量滴斗滴液，送至单片机接口计数，通过数字模拟转换，将其转换为420MA标准电流值，同时通过键盘输入给定每分钟的滴数，再将此滴数将其转换为420MA标准电流值，将此两个信息同时进入数字PID调节器。通过偏差计算再输出一组420MA标准电流值，通过变频调速器控制电动机调节H2的高度，来控制滴斗滴数。此方

3、案的优点是，完全按目前电气工程标准化运作，可以在很短时间完成。2、方案三根据点滴装置的特点，通过对装置的某一位置进行监测和控制，达到对整个系统液体点滴速度的监控。 （如图1）。通过控制输液软管夹头的松紧来控制点滴速度，采用红外传感器测量滴斗滴数，送至单片机接口计数并显示，首先标定两个脉冲（两滴间）间的时间间隔（以10MS为时基单位）。然后计算给定滴斗滴数（通过键盘）的时间间隔（以10MS为时基单位）。将此两个时间间隔进行比较，以决定步进电机运行的方向。该步进电机通过丝杠控制输液软管夹头的松紧，来控制滴斗滴数4、方案比较方案一的特点是：实现比较简单容易，原理上也是可行的，但由于本装置用于医疗，电

4、弧的产生，可能对不同的药物有影响，同时传感器（电极）不能重复使用，以防止传染。方案二通过改用红外传感器，弥补了方案一的不足。但是还存在问题，利用改变高度的方法虽然容易实现，但可控性不好。由此，我们采用了第三种方案，通过挤压输液管的办法来实现对点滴速度的控制。二、系统原理框图 如图2所示。 图2 本系统最主要的是充分利用单片机编程的灵活性和其强大的功能，使一些小的系统实现自动化和智能化成为了现实。其中的器件都比较简单，尽大可能的利用各集成芯片的功能，如系统的键盘和显示原理电路。通过红外传感器对水滴滴落的动态信息的感应 ，单片机对数据的采集分析和处理，同时使用小功率的步进电机进行机械调整，使装置能

5、机智、即时的响应操作者的使用。三、主要电路原理与设计1、AT89C51单片机基本系统 控制与数值信号处理的核心采用AT89C51单片机，采用串口工作方式。电路如图3。图32、显示与键盘 如图4利用74LS164进行串行动态9位数码管显示，74LS164的主要功能是8bits的串入并出数据处理。电路结构简单，功能强大。采用中断和查询的方法，设计的4键键盘的形式，利用单片机的灵活编程，扩展其键入功能。图43、红外传感和信号处理 采用红外线的发射和接收装置，它可用来检测包括液体在内的各种透明体、半透明体、不透明体，从而可以灵敏地反应水滴滴下。利用光电耦合器对电信号进行处理，减少干扰。4、步进电机驱动

6、和控制 如图5图55、声光报警 当检测到液面低于3cm时由单片机采集到报警信号，由报警芯片发出声光报警。5、主控制平台 可以组建一个小型的网络系统，由主机控制和监视各个从机的工作状态和各个装置的信息。 如图 6 图 6 四、系统软件工作流程 如图7 到 图121、软件设计： 软件部分参考流程图，这里主要讲述一下软件编写过程中的几个细节部分。如前所述，我们计算滴水速度的原理是通过求出2个水滴之间的时间差，通过分析，我们通过定时器建立一个基准时钟，该基准时钟有2个字节单元，分别秒单位和10毫秒单位的数值。在每次传感器送来中断的时候调用“传感测量”子程序，在该子程序中，我们在取当前触发时间时，先把上

7、一个脉冲发生的时间保存在“历史寄存器”中，然后再更新“当前寄存器”的值，即取当前脉冲的发生时间。这样我们就记录下了2个时间（连续）值。历史寄存器 当前寄存器 基准时钟中断前：中断时：注：箭头方向为中断时的赋值方向 图7由于基准时钟是以10毫秒为最小单位的，而对于频率范围在20Hz150Hz的脉冲而言，因为我们在后边的求滴速中要用到10毫秒单位值，而水滴的下落并不能保证绝对的规则，经测试发现，每一次求差后的值总有几个单位毫秒的变动，这个变动就导致了最终运算出来的滴速值的大幅度变化，后来惊观察发现这种误差可以归为周期性误差，所以为了消除这个误差，我们不是简单地只取一个差值，相反，我们是取了10个差

8、值，然后再求平均值，这样处理的最大一个好处是可以使周期性误差的正、负偏差互相抵消，在很大程度上消除上述误差。前面的处理虽然可以提供一个比较接近真值，对于最终显示出来的影响不大，但当要用这个值去控制滴速夹时，很明显这样处理的结果降低了控制的响应度；而另一方面，对于滴速夹的控制，因为我们采用的是步进电机，而且我们对步进电机的转轴又进行了改造，加了一个螺纹栓，可以保持滴速夹控制端的位置，所以我们在每采集一个脉冲间隔时就进行滴速的更改控制，这样可以提高控制设备的响应速度。所以在本系统中对于建立一个科学合理的系统模型是很有必要的。在对滴速进行控制时，我们借鉴了PID算法，建立了一个闭环控制状态，利用类似

9、于锁相环的模型：即把设定的滴速和当前的滴速进行比较，输出一个差值，利用这个差值的极性来决定电机的正反转，并拉小这个差值直至最小。因为每检测到一个传感信号，我们就把设定值和当前值进行比较，这样不仅提高了设备的响应速度，而且由于我们这个系统的基准时钟是以10毫秒为单位了，因为我们能分辨到10毫秒的数量级，可以使当前值非常接近我们所设定的设定值。这一点可以参照电机控制的流程图。（图12）1、运算过程：因为我们系统的基准时钟是以10毫秒为单位了，虽然加大了系统的精度，但是却给系统的数值运算带来了麻烦，直接用四则运算（特别是乘除的运算）很容易带来无法避免的运算误差，即在运算是因为运算位数的限制而带来的数

10、据尾数的丢失。前面说过这种误差将对我们对信号的处理和显示产生很大了影响，甚至会得到一个误差很大的最终输出，为避免这种情况，我们在保证精度的基础上采用了查表法，并且在建立表格时对数据进行一定的折中处理，使得最终得到了结果的误差能尽量小，实践证明我们这种方法还是有一定的实用性的。而且查表法的结果便于以后系统误差的自我校正，因为它保存了一个恒值。2、对数据表格的处理：前面说过我们这个系统的基准时钟有两个字节单元，而即使采用题目要求的滴速（20150分/滴）也将需要260个字节，这已经超过了8位单片机的查表范围，所以怎样建立一个合理的查表算法是很有必要的。通过对数据的观察，我们发现虽然每个时间量有两个

11、字节，但是在秒字节的单元里，总共只能出现4种取值，即1、2和3以及0 ，所以我们可以以这4个值为标量对表格的数据进行划分，由于有了秒字节单元来做区分，我们只要在表格中写入10毫秒字节单元的值就行了，通过综合处理，在保证精度的基础上，我们所建立的表格的字节数为100多个，这样不仅满足了8位单片机的查表范围，而且大大了节省了内存，有利于系统资源的优化分配。 3、通信的建立：在选择方案时，考虑到通信线的多少，我们采用了串行通信，直接利用单片机本身的串行通信口，在软件上我们考虑用串行通信的方式0来进行通信。通信协议如下：先发送握手信号，然后发送被呼叫的从机号，每个从机在接收到地址时跟自身的地址进行比较

12、，如果不是被呼叫机，则关闭通信链路；如果是则发送响应信号。当确定了通信的链路后，就按照预定的数据包格式进行通信。数据包格式如下： 2、程序流程图图8传感测量： 时钟： 图9 图10键盘： 步进电机控制： 图11 图123、源程序：时间基准缓冲区：秒55h 0.01秒56h 键盘设置缓冲区：秒57h 0.01秒58h传感测量缓冲区：前次秒51h 0.01秒52h 当前秒53h 0.01秒54h 差值秒4fh 0.01秒50h最终显示缓冲区：选择值：54h测定值5ah 5bh 5ch 设置值 5dh 5eh 5fhR4用于步进电机的步进记忆org 0000hajmp mainorg 0003haj

13、mp jpint ;int0org 000bhajmp times ;t0org 0013hajmp cgint ;int1org 0040hmain:mov sp,#60h ;设置堆栈 mov 41h,#00h mov 42h,#00h mov 43h,#00h mov 44h,#00h mov 45h,#00h mov 46h,#00h mov 47h,#00h mov 48h,#00h mov 4fh,#00h mov 50h,#00h mov 51h,#00h mov 52h,#00h mov 53h,#00h mov 54h,#00h ;初值设置 mov 55h,#00h mov 5

14、6h,#00h ;以上为时间初值 mov 54h,#00h mov 57h,#00h ;初值显示为00 mov 58h,#00h mov 59h,#00h mov 5ah,#00h mov 5bh,#00h mov 5ch,#00h mov 5dh,#00h mov 5eh,#00h mov 5fh,#00h mov r7,#00h setb f0 clr p2.1 mov tmod,#01h ;T0为工作方式0 mov tl0,#0f0h ;计数器初值 mov th0,#0d8h mov ie,#87h ;中断设置，除T1，ES外全开中断 mov ip,#02h ;中断优先级 setb it

15、0 setb it1 ;脉冲触发方式 setb tr0 ;启动定时 setb p1.4disp:acall disp0 ;调用显示子程序 ajmp disp disp0:push accmov dptr,#tablejnb f0,disp1mov a,54h ;选择值显示cjne a,#01h,zzz1movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0ffhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealyajmp disp1zzz1:cjne a,#02h,zzz2movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr

16、 timov a,#0ffhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealyajmp disp1zzz2:cjne a,#03h,zzz3movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0ffhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealyajmp disp1zzz3:mov 54h,#00hdisp1:mov a,5ah ;测定值显示cjne a,#00h,disp2ajmp disp3disp2:cjne a,#01h,disp4disp3:movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$c

17、lr timov a,#0fehmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealydisp4:mov a,5bhmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0fdhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealymov a,5chmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0fbhmov sbuf,ajnb ti,$clr ti acall dealymov a,5dh ;设置值显示movc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a

18、,#0dfhmov sbuf,ajnb ti,$clr ti acall dealymov a,5ehmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#0bfhmov sbuf,ajnb ti,$clr ti acall dealymov a,5fhmovc a,a+dptrmov sbuf,ajnb ti,$clr timov a,#7fhmov sbuf,ajnb ti,$clr tiacall dealypop accretdealy:mov r0,#0fahlll:nopnopdjnz r0,lllrettable:db 03hdb 9fhdb 2

19、5hdb 0dhdb 99hdb 49hdb 41hdb 1fhdb 01hdb 09hjpint: ;键盘控制子程序push accpush 07hmov r2,#0ahzzz:acall dealydjnz r2,zzzjb p1.0,x2 ;选择键子程序inc 54hclr ex1setb f0mov a,54hcjne a,#04h,x1mov 54h,#01hx1:ajmp ret0x2:jb p1.1,x3 ;加1键子程序mov a,54hcjne a,#00h,lll1ajmp ret0lll1:cjne a,#01h,lll2inc 5fhmov a,5fhcjne a,#0a

20、h,zhongjumov 5fh,#00hajmp ret0lll2:cjne a,#02h,lll3inc 5ehmov a,5ehcjne a,#0ah,ret0mov 5eh,#00hajmp ret0lll3:inc 5dhmov a,5dhcjne a,#0ah,ret0mov 5dh,#00hajmp ret0x3:jb p1.2,x4 ;减1键子程序mov a,54hcjne a,#00h,llll1ajmp ret0llll1:cjne a,#01h,llll2dec 5fhmov a,5fhcjne a,#0ffh,ret0mov 5fh,#09hajmp ret0zhong

21、ju:ajmp ret0llll2:cjne a,#02h,llll3dec 5ehmov a,5ehcjne a,#0ffh,ret0mov 5eh,#09hajmp ret0llll3:dec 5dhmov a,5dhcjne a,#0ffh,ret0mov 5dh,#09hajmp ret0x4:jb p1.3,x5 ;确定键子程序clr f0acall enter ;因指令而修改ret01: ;对整数进行修正mov a,r7 cjne a,#14,ccc1mov 57h,#03h ;为20置3setb ex1ajmp ret0ccc1:cjne a,#1eh,ccc2mov 57h,#

22、02h ;为30置2setb ex1ajmp ret0ccc2:cjne a,#3ch,ret02mov 57h,#01h ;为60置1setb ex1ajmp ret0x5:jb p2.0,ret0 ;报警监测setb p2.1 ;送报警声音ajmp ret0ret02:setb ex1ret0:pop accpop 07hretienter:mov 54h,#00hclr cmov a,5dh ;求时间段程序mov b,#64h ;百位数mul abmov r7,amov a,5ehmov b,#0ah ;十位数mul abadd a,r7mov r7,amov a,5fhadd a,r7

23、 mov r7,a ;此时r7中为设定值clr csubb a,#14h ;查表前减20mov dptr,#table1 ;由数值查时间段表movc a,a+dptrmov 58h,arettimes: ;时间设置push accmov tl0,#0f0h mov th0,#0d8hsetb tr0inc 56hmov a,56hcjne a,#64h,quit0mov 56h,#00hinc 55hquit0:pop accreticgint: ;传感测量mov r2,#0ahzzzz:acall dealydjnz r2,zzzzjnb p3.3,cgint1reticgint1:push

24、 accpush 03hpush 04hpush 05hpush 06hinc r7cjne r7,#0ah,zhongju1mov r7,#00hmov a,53h ;数值转移mov 51h,amov a,54hmov 52h,amov a,55h ;读取当前时间mov 53h,amov a,56hmov 54h,aclr c ;求10个脉冲差值子程序mov 47h,#00h ;10差值寄存区mov 48h,#00hmov a,53h subb a,51hmov 47h,aclr cmov a,54hsubb a,52hjnc zero ;如果当前值大就跳转dec 47hclr cmov a

25、,#00hmov a,54hadd a,#64hsubb a,52hzero:mov 48h,a mov a,47h ;平均差值mov b,#0ah div abmov 4fh,amov a,bmov r3,a ;秒余数暂存 mov a,48hmov b,#0ahdiv abmov 50h,amov a,bmov r4,a ;0.01秒暂存mov a,r3mov b,#0ahmul abadd a,50hmov 50h,azhongju1:mov a,44hmov 42h,amov a,43hmov 41h,amov a,55hmov 43h,amov a,56hmov 44h,aclr c

26、;求差值子程序,供电机使用mov 45h,#00hmov 46h,#00hmov a,43h subb a,41hmov 45h,aclr cmov a,44hsubb a,42hjnc zero1 ;如果当前值大就跳转dec 45hclr cmov a,#00hmov a,44hadd a,#64hsubb a,42hzero1:mov 46h,a mov a,45hmov a,4fhcjne a,#03,ddd1 ;送动态显示缓冲区mov 5ah,#00h ;整值判断mov 5bh,#02hmov 5ch,#00hajmp exitddd1:cjne a,#02h,ddd2mov a,50

27、hjnz ddd01mov 5ah,#00h mov 5bh,#03hmov 5ch,#00hajmp exitddd01:mov b,#0ahdiv abmov dptr,#table2 ;秒值为2的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,amov 5bh,#02hmov 5ah,#00hajmp exitddd2:cjne a,#01h,ddd3mov a,50hjnz ddd02mov 5ah,#00h mov 5bh,#06hmov 5ch,#00hajmp exitddd02:mov b,#0ahdiv abmov dptr,#table3 ;

28、秒值为1的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,amov a,r5swap aanl a,#0fhmov 5bh,amov 5ah,#00hajmp exitddd3: mov a,50hcjne a,#3ch,ddd03mov 5ah,#01hmov 5bh,#00hmov 5ch,#00hajmp exitddd03:clr csubb a,#3chjc lar100 ;大于100跳转mov 5ah,#00h ;小于100mov dptr,#table4 ;60到99的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,

29、amov a,r5swap aanl a,#0fhmov 5bh,aajmp exitlar100:mov 5ah,#01hclr cmov r5,50hmov a,#3chsubb a,r5mov dptr,#table5 ;100到150的表movc a,a+dptrmov r5,aanl a,#0fhmov 5ch,amov a,r5swap aanl a,#0fhmov 5bh,aexit:jb f0,exit1 ;F0为1时电机不工作acall dianjic ;送步进电机子程序exit1:pop 05hpop 03hpop 04hpop accpop 06hretidianjic: ;电机控制子程序.zhengzh为前进，fanzh为后退push accclr cmov a,57hsubb a,45hjz lowdc ;如果高位相等则进行低位比较jc jcc1 ;当前滴速小于设定滴速，须反转放松acall zhengzh ;当前滴速大于设定滴速，须正转挤压a