液体点滴速度监控装置点滴速度控制及检测

液体点滴速度监控装置点滴速度控制及检测前言目前医院使用的点滴输液装置是将液体容器挂在一定的高度上，利用势能差将液体输入到病人的体内（图1），通过软管口径的压紧和放松来控制点滴速度。

有经验的医护人员可以根据药剂的特性对点滴速进行控制，但是一般的病人却无法做到，控制不好还有一定的危险性。

在一些大医院一个护士常常需要负责十几个、甚至几十个床位的液体点滴,很容易出现混乱局面,导致工作效率降低。

为了提高医院本身的管理水平和工作效率,减轻医护人员的劳动强度，对于可以进行自助式护理的病人来说，需要一种可以由病人自己操作，自动定时、定量向病人进行输液的装置；而对于医护人员来说，需要一种可以对所有的病人进行统一监控的智能监控装置。

本设计就是针对以上问题而做的智能型液体点滴速度监控装置。

设计要求为能有以下几种功能：（1）检测输液点滴速度（2）检测输液点滴高度（3）控制点滴速度（4）显示点滴速度（5）能设置点滴速度45图1 45第一章硬件设计说明1.1 系统简介本设计分为主机控制，从机测量，主从通信三个框架。

由从机测量并控制点滴速度，得到的数据送到单片机进行处理，再通过RS485通信将数据反馈给主机进行显示处理，主机也可以通过RS485通信对从机进行控制。

本人负责点滴速度检测及控制部分。

系统框图（图2）如下：图2 系统框图451.2方案设计过程及实现方法1.2.1 点滴速度检测电路设计点滴速检测是整个系统的核心，检测精度是衡量系统精确性的一个最重要指标。

这样就不会因为点滴速度异常而使患者面临危险。

出于安全性考虑，在检测点滴速度时不能使原胶管破损，否则就会对输液造成严重感染而影响患者，因此在检测点滴速度时要用非接触的方式。

方案一：利用发射型光电传感器，传感器工作时，当物体经过射程之内，就会对红外光进行反射，传感器接受到这个感反射信号后动作，以检测物体稳定动作的最大距离。

但是光电传感器对各种介质的反射程度不同，对水的动作距离近，对玻璃的动作距离远。

而且光电传感器体积较大，需要距离滴斗一定距离才能分辨不同介质，无法安装在合适的位置上，所以最终放弃这种方案。

方案二：利用光束采集方法，利用液滴下落时接收到的光强的变化反映液滴个数。

根据光学折射原理，光线在穿透密度不同的介质时，将发生散射，使光强发生变化。

在检测过程中将滴管放置在检测用的发光器件的中间即可反映这种变化。

光束采集方案有几种器件可以使用：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收管组合。

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。

红外传感器，即红外发射跟接收二极管。

在点滴滴斗两边分别装上红外发射跟接收二极管，没有液滴落下时，接收管正常接收，每当液滴落下的时候，发射出的红外光被散射或折射，接受管接收到的光强变弱。

利用这样的信号变化，可以测出变化次数，也就是液滴个数，经过数据处理得到点滴速度。

红外光的方向性好，集束能力强，所以信号变化比较明显，所以最终使用此方案。

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45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，它具有体积小、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。

考虑到用单片机进行数据处理，要把输入信号转化成数字（0.1）状态，所以要用到比较器。

又考虑到采集到的模拟信号有可能比较弱，变化不明显，（在输入端信号变化小）有可能经过比较器也产生不了明显的变化效果，所以要将它进行放大后再输入比较器内，据此可以用LM324芯片，它同时有放大和比较两种功能。

1.2.2 电机控制电路设计为了拉动输液器，以改变它的高度改变点滴速度，使用直流电机，两端加正电压为正转，加负电压为反转。

因此考虑用继电器来当控制开关，控制电机两端的电压。

通过查阅资料，确定继电器的驱动跟保护电路。

控制信号由单片机产生，用光耦合器隔离，通过控制单片机的输出高低电平以控制继电器的驱动电路。

1.3 点滴检测电路设计及其分析图3 点滴检测电路45第一部分为红外发光接收二极管的驱动跟接收电路；第二部分为把变化信号进行放大；第三部分为把放大后的信号与设定的电压作比较，比较后的结果输入到单片机P3.2端进行数据处理。

红外发射管一直处于发射状态，在运放前加了电容隔直流，减少干扰。

当液滴没有落下的时候，红外接收管输出低电平，经过运放放大比较输出低电平；当液滴落下时，红外发射管发出的光被液滴散射削弱，使接收管的电平变高，经过运放放大比较后输出一个高电平。

所以当单片机接收到一个高电平时表明一滴液滴落下。

具体过程如下：当没有液滴下落时，接收二极管正常接收，处于导通状态，输出为低电平，通过运放放大后仍为低电平，由LM324的第6端输入，与5端的2.5V比较，因为低于2.5V，所以输出为低电平，通过P3.2送入单片机进行数据处理，因此当没有液滴下落的时候，单片机接收的一直是低电平；当有液滴下落时，发射二极管发射的红外光被液滴散射，导致接收二极管无法导通而输出高电平，经过运放放大10倍后由LM324的6端输入，与5端的2.5V比较，因为高于2.5V，所以输出为高电平，通过P3.2送入单片机进行数据处理，因此当有液滴下落的时候，单片机接收的高电平，接收的高电平个数就是液滴下落的个数。

1．4 直流电机控制电路设计及分析直流电机控制电路如图4。

第一部分为光耦合器的驱动电路；第二部分为继电器的驱动及保护电路，在继电器两端并联一个二极管，触点断开时，二极管导通，吸收电感负载中储存的能量；触点闭合时，二极管截止，起保护感性触点作用，避免继电器被烧坏；第三部分为电机两端电压控制电路。

当P1.0输出高电平，P1.1输出低电平时，只有下面的光耦合器接通，带动三极管驱动继电器电路，继电器使开关闭合，电机两端接负电压，电机反转，使储液瓶的势差减小而减慢点滴的下落速度；当P1.0输出低电平，P1.1输出高电平时，只有上面的光耦合器接通，带动三极管驱动继电器电路，继电器使开关闭合，电机两端接正电压，电机正转，使储液瓶的势差增达到而加快点滴的下落速度。

当两个端口都输出高电45平时，上下的光耦合器都不接通，所以开关都断开，电机不工作；两个端口都输出低电平时，上下的光耦合器都接通，开关也都接通使电路短路，这种情况不允许发生，所以在对其进行编程的时候应该注意延时，要闭合某个开关时要确定一个开关完全打开，以避免两个开关同时接通而造成电路短路。

图4 直流电机控制电路45第二章主要器件介绍2.1 红外发射接收二极管半导体发光二极管是一种把电能直接转换成光能的固体发光器件，也称注入型电致发光器件。

它在日常生活中应用广泛，具有以下几个特点：（1）寿命长，一般都在几万小时以上；（2）体积小，功耗低，响应速度快；（3）可靠性高，发光光谱单色性好，波段范围宽；发光二极管的电流-电压特性曲线如图5：图5 发光二极管的电流-电压特性曲线在具体应用时，发光二极管的直流驱动电路如图6(a)所示，交流电源驱动电路如图6(b)所示。

4545图6 发光二极管驱动电路由于发光二极管的正向伏安特性曲线很陡，所以在使用时必须串联限流电阻，以控制通过管子的电流，防止烧坏管子。

在直流电路中，限流电阻R 的阻值由下式估算：F F I U E R /)(-= ①式中 R ——限流电阻，k ΩF U ——发光二极管正向压降，VF I ——发光二极管一般工作电流，mA在交流电路中，其限流电阻R 可由下式估算：F F RMS I U E R 2/)(-= ②式中 R ——限流电阻，k ΩRMS E ——交流电源电压的有效值，V本设计所用的二极管为红外发射接收二极管。

2.2 LM324运算放大器是用反馈控制其特性的直接耦合的高增益放大器。

它具有增益高，共模抑制比高，输入阻抗高，输出阻抗低，电源电压变动适应范围宽， 频率范围宽，以及稳定性和可靠性高等特点。

因此，运算放大器几乎可以用于线性和非线性电子学的每一个领域，也可以用于某些数字电路中。

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图7所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，LM324内有4个高性能运算放大器，并有相位补偿电路，耗电低，可用正电源或正负双电源工作，电源电压范围宽，正电源为3.0~30.0V，正负电源为+1.5~15V，输入电压范围大，并可以低到地电位，而输出电压范围为0~Vcc。

内电路包括各种转移放大，直流放大，可代换许多不同厂家或公司生产的同类产品。

主要电参数见表1。

图7LM324外型图表1 主要参数每一组运算放大器可用图8（a）所示符号来表示，它有5个引出端，其中“+”“-”分别为2个信号输入端的同相输入端和反相输入端，“V+”，“V-”为正，负电源端，“Vo”为输出端。

LM324的引脚排列见图8（b）。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点，因此被广泛应用于家用电器，工业仪器，电子玩具，报警装置，自动控制等电路中。

可以利用它构成正，负反馈放大电路，音调控制电路，信号分配放大电路，信号运算电路，测量放大电路，有源滤波电路，电压比较电路，触发器等。

（a ）符号 （b ）引脚图图8 LM324芯片（1）反相运算放大电路反相运算放大器，简称反相放大器，如图9所示。

输入信号加在反相输入端1R 和f R 组成负反馈网络。

图9 反相运算放大器通常，为了保持差分放大电路的对称性，在同相端接有电阻R 使输入电路两端的电阻尽量相等，p R 的值由下式给出：f f p R R R R R +=11 ③（2）比较器图10 比较器当运放去掉反馈电阻时，或者说当运放处于开环状态，理论上认为运放的开环放大倍数为无穷大（实际上是很大，如LM324运放开环放大倍数为100Db，即10万倍）。

此时运算放大器便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+）,就是低电平（V-或地）。

当同相输入端电压高于反相输入端电压时，运放输出高电平，当同相输入端电压低于反相输入端电压时，运放输出低电平。

图8中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1’组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1,电阻R2,R2’为运放A2设立比较电平U2。

输入电压Ui同时加到A1的同相输入端和A2的反相输入端之间，当Ui>U1时，运放输出高电平；当Ui<U2时，运放A2输出高电平。