液体点滴速度监控

2013全国大学生电子设计竞赛论文

题目:液体点滴速度监控装置

论文编号：

参赛学校： 青岛工学院

参赛学生：

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指导教师：

二○一三 年 八 月

1 液体点滴速度监控装置

摘要：本设计采用TI公司生产的LM3S1138单片机为液体点滴速度监控装置的控制核心，配合点滴速度测量模块、剩余药量检测模块、数据显示存储模块、声光报警模块和点滴速度控制模块，实现了对液体点滴速度的检测、控制和储液瓶中液面高度的检测与报警，并且动态显示点滴速度，可以通过按键设置液体点滴速度并使用步进电机进行点滴速度闭环控制。另外，报警信号通过无线传输模块实现从机到主机的传输，利用发光二极管和蜂鸣器实现主机的声光报警，同时主机液晶屏显示从机编号。考虑到液体温度太低对病人有不利影响，本设计增加了点滴温度测量和点滴温度控制两个创新功能。经测试，基本要求全部达到，发挥部分也全部实现。

关键词：LM3S1138单片机；步进电机；点滴速度测量

1 目录

1 方案比较设计与论证 ........................................................................... 1

1.1 方案设计与比较...................................................................................................... 1

1.1.1 储液瓶液面高度的测量 ......................................................................................................... 1

1.1.2 液体点滴速度的测量 ............................................................................................................. 1

1.1.3 控制模块的选择 ....................................................................................................................... 1

1.2 系统框图与系统整体方案...................................................................................... 1

2 理论分析与计算 ................................................................................... 2

2.1 点滴速度控制.......................................................................................................... 2

2.1.1 点滴速度粗控部分 .................................................................................................................. 2

2.1.2 点滴速度精控部分 .................................................................................................................. 2

2.2 步进电机受力分析.................................................................................................. 3

3 电路图及有关设计文件 ....................................................................... 4

3.1 硬件电路设计.......................................................................................................... 4

3.1.1 点滴速度控制模块 .................................................................................................................. 4

3.1.2 储液瓶剩余药量检测模块 .................................................................................................... 4

3.1.3 点滴速度测量模块 .................................................................................................................. 5

3.1.4 数据显示存储模块 .................................................................................................................. 5

3.2 程序流程图.............................................................................................................. 5

4 测试方法与仪器 ................................................................................... 6

5 测试数据及测试结果分析 ................................................................... 6

6 总 结 ..................................................................................................... 6

参考文献 ...................................................................................................... 6

附录 .............................................................................................................. 7

1 1 方案比较设计与论证

1.1 方案设计与比较

1.1.1 储液瓶液面高度的测量

方案一：使用拉力传感器间接测量。随着液面降低，储液瓶的重量会逐渐减轻，当达到预定重量时，发出警报。但是考虑到，储液瓶和药水的种类繁多，不同的组合，液面达到预定高度时，拉力大小会有差异。

方案二：采用光电传感器定点对液面进行监测。利用光的折射或反射原理，通过光电传感器接受光信号实现液面监测功能。此外，光电传感器安装方便，只需将其固定在储液瓶外壁即可，不需详细计算储液瓶液面高度值。

综合考虑，在安全、准确和方便的前提下选择方案二。

1.1.2 液体点滴速度的测量

方案一： 利用光的反射原理。使用红外发光二极管和光敏三极管实现光源检测。红外发光二极管垂直于漏斗壁发送红外光，红外接收三极管依据接收到的红外光信号的强弱产生脉冲信号，通过定时采样计算出液体点滴速度。

方案二：利用光透射原理。使红外对管实现液体点滴检测。当没有点滴下落的时候检测系统输出一个较低的电压；而当有点滴经过时，红外检测电路就会产生一个比较高的电压，从而产生脉冲信号。

综合比较，方案二由于透射光较弱，这样检测信号误差就会增大，同时必须增加一个电压放大电路，这样就增加了电路设计难度；方案一利用反射原理实现，相比反射信号较强，可以减小信号检测时的误差，电路简单。因此选用方案一。

1.1.3 控制模块的选择

控制模块采用LM3S1138单片机为控制核心。该单片机内设资源和外置资源非常丰富、速度快、成本低、功耗小，可处理相对较多的外部中断 ，同时可以利用PWM模块产生的PWM调制信号来控制电机。

1.2 系统框图与系统整体方案

系统由LM3S1138主机系统，液晶显示模块、点滴速度测量模块、剩余药量检测模块、温度测量模块、速度控制模块、温度控制模块和报警系统组成。总体框图如图1所示。

点滴速度测量模块剩余药量检测模块点滴温度测量模块 LM3S1138单片机点滴速度控制模块点滴温度控制模块数据显示存储模块声光报警系统模块

图1 系统图框

2 2 理论分析与计算

2.1.1 点滴速度控制

为了更加准确的控制滴速，我们把点滴控制分为粗控部分与精控部分。粗控部分调控范围大不精确；精控部分调控范围小，调控精细。

2.1.2 点滴速度粗控部分

液体点滴速度主要与液体在输液管中流动时所受的阻力有关。步进电机带动偏心圆轮转动，导致两个夹板之间的角度改变，从而减小或增大输液管的直径，因而液体所受的阻力也会改变。示意图如图2。

偏心圆 电机转轴输液管旋转轴旋转方向θ

图2 模拟示意图

假设输液管道一直保持圆形。由于输液管道受到夹板的力，根据流体学公式 ：

22flvhd （1-1）

其中fh是阻力，是摩擦力系数，d是管道半径，v是流体在关内的平均流速。由式（1-1）可知，管道的半径与阻力成反比，当输液管的半径减小时，阻力增加的很快，从而可以大幅度减小滴速。

2(/4)3600Qdv （1-2）

其中Q是流量，d是管道半径，v流体平均流速。根据上式。当流速一定时，其流量与管径的平方成正比。当输液管半径减小时，Q也相应的减少，即滴速减小。

2.1.3 点滴速度精控部分

液体点滴速度和滴斗高、滴斗夹的松紧以及针头的粗细有一定关系。当滴速夹和针头不变时，点滴速度和漏斗高h2存在固定关系。示意图如图3。

R2R1h0h2滴斗滴速夹针头

图3 模拟示意图