華旭奮,趙 勇

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214121)

一種醫(yī)用液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

華旭奮,趙 勇

(無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214121)

利用單片機(jī)控制程序結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)的電子自動(dòng)化的產(chǎn)品,它結(jié)合了許多電子裝置最基本的功能:利用單片機(jī)對(duì)傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后將處理后的數(shù)據(jù)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行,以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。系統(tǒng)不需要對(duì)儲(chǔ)液瓶進(jìn)行實(shí)時(shí)的人工監(jiān)控,這在一定程度上減輕了人的工作量,釋放了工作時(shí)間,提高了工作效率。

點(diǎn)滴速度;步進(jìn)電機(jī);光電傳感器;單片機(jī)

20世紀(jì)90年代,電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是傳感器和大規(guī)模集成電路的發(fā)展,推動(dòng)了現(xiàn)代電子產(chǎn)品在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,并且對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的起到了促進(jìn)作用,同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高。生產(chǎn)生活的自動(dòng)化程度越來(lái)越高,自動(dòng)化控制的程度越來(lái)越高,功能越來(lái)越人性化,這些自動(dòng)化的產(chǎn)品已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的每個(gè)方面。液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置在這個(gè)大背景下就應(yīng)運(yùn)而生。

1 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將利用單片機(jī)控制程序結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)的電子自動(dòng)化的產(chǎn)品,利用單片機(jī)對(duì)傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后將處理后的數(shù)據(jù)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行,以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。本系統(tǒng)不需要對(duì)儲(chǔ)液瓶進(jìn)行實(shí)時(shí)的人工監(jiān)控,這在一定程度上減輕了人的工作量。釋放了工作時(shí)間,提高了工作效率。

具體說(shuō),檢測(cè)單元是光電傳感器,主要完成點(diǎn)滴速度的檢測(cè),和警戒線的檢測(cè),為控制單元提供數(shù)據(jù)。控制單元是單片機(jī),它主要對(duì)傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,然后將處理后的數(shù)據(jù)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu),由執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,以達(dá)到目的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是以步進(jìn)電機(jī)為核心的機(jī)械控制部分,它受單片機(jī)的控制,改變儲(chǔ)液瓶的高度,從而改變液滴的滴速,而改變后的點(diǎn)滴速度又由檢測(cè)單元檢測(cè),如此循環(huán)往復(fù),最終達(dá)到相對(duì)的平衡狀態(tài)。

在本系統(tǒng)中,檢測(cè)單元主要是,光電傳感器;控制單元以A T89S52為核心,加少量的輔助控制芯片的單片機(jī)系統(tǒng);執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是可控性較高的混合式步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如1所示:

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)滴速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

采用槽型光耦器件。檢測(cè)原理見(jiàn)圖2。

圖2 槽形光耦檢測(cè)原理Fig.2 S lotted op to detection p rincip le

根據(jù)光學(xué)折射原理,光線在穿透密度不同的介質(zhì)時(shí),在交界面將產(chǎn)生反射與折射。將滴管放置在檢測(cè)用槽形光耦的中間,在檢測(cè)過(guò)程中,液滴呈近橢圓狀向下作加速運(yùn)動(dòng)并通過(guò)槽型光耦,由于液滴的表面是曲面,所以上半部與下半部將光線兩次折射,使接收端接收不到光而產(chǎn)生兩次高電平,僅在液滴中部光線可以直射穿過(guò),使接收端輸出低電平,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

滴速檢測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,檢測(cè)精度是衡量系統(tǒng)精確性的一個(gè)最重要指標(biāo)。為了增加單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)脈沖從而提高計(jì)數(shù)精度,采用了上下兩個(gè)光耦共同工作的方式。這樣每個(gè)液滴就得到了4個(gè)高電平脈沖。利用示波器觀測(cè)波形如圖3。但是單片機(jī)是對(duì)負(fù)跳變脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的,所以要對(duì)兩路光耦信號(hào)進(jìn)行“或非”處理,產(chǎn)生負(fù)跳變脈沖,供單片機(jī)計(jì)數(shù)使用。產(chǎn)生的脈沖數(shù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后,得到相應(yīng)的點(diǎn)滴速度。具體檢測(cè)電路如圖4。

圖3 兩路光耦器件輸出的脈沖波形Fig.3 Tw o pu lse ou tpu t op tocoup ler dev ices

圖4 點(diǎn)滴速度檢測(cè)電路Fig.4 B it by b it rate detec tion c ircu it

2.2 儲(chǔ)液瓶告警電路的設(shè)計(jì)

采用紅外發(fā)射管和紅外接收管。因?yàn)橐后w對(duì)紅外光的傳播有一定的散射作用,所以能夠根據(jù)該接收管收到的光強(qiáng)的大小來(lái)判斷液位是否達(dá)到警戒水位。儲(chǔ)液瓶告警信號(hào)一旦為低電平時(shí),單片機(jī)立刻轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序,進(jìn)行聲光報(bào)警。電路如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)液瓶告警電路Fig.5 Reserve liquid bo ttle alarm circuit

2.3 鍵盤電路的設(shè)計(jì)

采用直接讀取的獨(dú)立式按鍵。該方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,且編程極其容易,但是需要不斷地對(duì)I/O進(jìn)行掃描,加長(zhǎng)了程序的執(zhí)行周期。但是在有鍵盤輸入時(shí),立即轉(zhuǎn)入中斷的服務(wù)程序,鍵盤響應(yīng)效果好,效率高,節(jié)省CPU資源。

在本設(shè)計(jì)中,由于主機(jī)要能夠設(shè)定和查詢從機(jī)的狀態(tài),而從機(jī)不需要查詢本機(jī)或是其他從機(jī)的狀態(tài),所以無(wú)需設(shè)置查詢鍵,故從機(jī)只設(shè)置11按鍵。即在主機(jī)鍵盤的基礎(chǔ)上去除一個(gè)按鍵,在本文中只給出主機(jī)鍵盤的電路圖,主機(jī)鍵盤電路如圖6。為了節(jié)約成本,在本設(shè)計(jì)中,采用低廉的二極管充當(dāng)“與”門,電阻R和電容C是防止出現(xiàn)鍵盤誤觸發(fā)而進(jìn)入中斷服務(wù)程序,提高鍵盤抗干擾的性能。

2.4 顯示電路的設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)最多只需顯示三位點(diǎn)滴數(shù)和兩位從機(jī)號(hào),信息量比較少,由于數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化,對(duì)外界環(huán)境要求較低等特點(diǎn),同時(shí)數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字,程序編譯容易,資源占用較少。故采用5位LED七段數(shù)碼管顯示點(diǎn)滴數(shù)目和從機(jī)號(hào)。顯示電路如圖7。

圖6 主機(jī)鍵盤電路示意圖Fig.6 H ost keyboard circu it d iag ram

在本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)掃描的形式來(lái)顯示機(jī)號(hào)和點(diǎn)滴數(shù)。在數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方面,采用廉價(jià)的三極管作為驅(qū)動(dòng)器,節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。

圖7 顯示電路Fig.7 D isp lay circuit

2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

綜合考慮設(shè)計(jì)要求,一方面調(diào)節(jié)步長(zhǎng)要盡可能的小,定位要好;另一方面如果停止信號(hào)到來(lái),滑輪能夠快速停止,通過(guò)對(duì)比,利用步進(jìn)電機(jī)可以自如控制吊瓶的上、下緩移,完全滿足題目的要求,因此選用步進(jìn)電機(jī)。用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī),具有快速啟停能力,延時(shí)短,定位準(zhǔn)確,精度高,可操作性強(qiáng),并且力矩足夠大,確保吊瓶不下滑。

為了降低控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的誤動(dòng)作的概率,本設(shè)計(jì)中是采用專用步進(jìn)電機(jī)控制芯片QA 748036控制步進(jìn)電機(jī),該芯片采用三相六拍的方式控制步進(jìn)電機(jī)的。

因?yàn)镼A 748036驅(qū)動(dòng)電流太小,所以必須要對(duì)電流進(jìn)行放大,才能夠有效的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作,因此在QA 748036的A,B,C三相輸出的后級(jí)加了一塊達(dá)林頓電流驅(qū)動(dòng)器——M C 1411P。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的最終裝置,可靠性一定要高,即在給脈沖方面,盡量避免誤觸發(fā)的現(xiàn)象發(fā)生,所以在本設(shè)計(jì)中利用專用的控制芯片提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性。

2.6 通信方案的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是RS-485通信協(xié)議。由于本設(shè)計(jì)只有16臺(tái)從機(jī),在一個(gè)字節(jié)中只要用到低四位,所以主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送方式比較靈活。在現(xiàn)有的單片機(jī)串口通信條件下,主機(jī)在向從機(jī)發(fā)送的第一個(gè)字節(jié),包含了設(shè)置/查詢信息,即當(dāng)?shù)谝粋€(gè)字節(jié)的最高位的為1的時(shí)候,表示主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的是查詢命令;當(dāng)?shù)谝粋€(gè)字節(jié)的最高位為0的時(shí)候,表示主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的是設(shè)置命令。即主機(jī)可以跟據(jù)這個(gè)標(biāo)志,靈活的決定是向從機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)還是發(fā)送兩個(gè)字節(jié)。在從機(jī)接收方面,從機(jī)可以根據(jù)這個(gè)設(shè)置/查詢標(biāo)志來(lái)決定是否接收第二個(gè)字節(jié);在從機(jī)發(fā)送方面,可以根據(jù)這個(gè)標(biāo)志決定發(fā)不發(fā)送數(shù)據(jù)。如果接收的是查詢命令,則發(fā)送本機(jī)數(shù)據(jù);如果接收的是設(shè)置命令則把主機(jī)點(diǎn)滴數(shù)的提取出來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ),并把主機(jī)設(shè)定的點(diǎn)滴數(shù)與當(dāng)前從機(jī)的點(diǎn)滴數(shù)對(duì)比,之后進(jìn)行調(diào)整。

處理器采用A T89S52,是因?yàn)锳 T89S52才有足夠的資源供從機(jī)使用。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程。C語(yǔ)言有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是適合于多種操作系統(tǒng),同樣也適用于嵌入式系統(tǒng)編程。

4 軟件調(diào)試

本系統(tǒng)主要是用Keil uV ision3程序,來(lái)調(diào)試和編譯的。KEILC 51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C 51 V 8版本是目前最高效、靈活的8051開發(fā)平臺(tái)。

5 硬件調(diào)試

1)正確安裝硬件。2)檢查硬件的電器連接是否可靠。3)測(cè)試系統(tǒng)性能,將測(cè)得參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)比較,若兩者不符,怎修改軟件,重復(fù)軟硬件調(diào)試的所有步驟,直到兩者相符為止。

6 結(jié) 論

液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控系統(tǒng)為一個(gè)主從式測(cè)控系統(tǒng),以A T89S52單片機(jī)為控制核心。該液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控裝置的最大特點(diǎn)就是使用戶能夠操作簡(jiǎn)單、易懂、靈活;且安裝方便、智能性高、誤報(bào)率低,同時(shí)從機(jī)的信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)處理后,可以經(jīng)過(guò)RS-485通信網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)通信,由通訊網(wǎng)絡(luò)把主站和多個(gè)從站連成一個(gè)系統(tǒng),便于戶統(tǒng)一管理和遠(yuǎn)程控制。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,該系統(tǒng)具有低功耗、準(zhǔn)確性高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),最大限度釋放了醫(yī)護(hù)人員的工作量,提高了生活質(zhì)量和工作的效率。

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A M ed ica lL iquid D ropp ing Ra te Con tro l System Design

HUA Xu-fen,ZHAO Yong
(M echan ical and E lec trical Institu te,W ux i Institu te of Techno logy,W ux i 214121,China)

The design uses the Sing le-chip M ic rocom pu ter con tro lp rog ram com bined w ithm odern senso r techno logy,elec tronic au tom ation p roduc ts,com bining the basic func tions ofm any electronic dev ices:using them ic rocom pu ter dealing w ith the senso r data,and then send ing the data to the execu ting agencies in o rder to achieve au tom atic con tro lpu rposes.The system does no t require liquid sto rage bo ttle of artificial real-tim em onito ring,w hich to som e ex ten t,reduces the hum an w o rk load,releasesw o rk ing hou rs, im p rovesw o rk ing efficiency.

d ropp ing rate;stepperm o to r;pho toe lec tric senso r;sing le-ch ip m icrocom pu ter

TP 273+.5

A

1671-7880(2010)01-0038-04

2009-10-05

華旭奮(1982— ),女,江蘇常州人,助教。