智能液體點(diǎn)滴監控系統的設計

智能液體點(diǎn)滴監控系統主要應用在靜脈輸液以及化學(xué)醫學(xué)領(lǐng)域實(shí)驗中需要精確滴定的場(chǎng)合[1]。本裝置可以實(shí)現對液體點(diǎn)滴滴速的控制與檢測，控制范圍為每分鐘30～120滴，控制精度為±2滴，還可以在藥液不足及輸液不暢時(shí)自動(dòng)報警，并停止輸液。
1 系統總體方案
因為醫用，所以任何與瓶中液體有接觸的設計方案都是不可行的，所有傳感器和控制器只能固定于輸液的外部。具體設計方案如圖1所示。

(1)點(diǎn)滴檢測：要求系統能夠正確及時(shí)地探測下落的點(diǎn)滴數。通過(guò)紅外發(fā)射對管實(shí)現對點(diǎn)滴速度的檢測。
(2)控制器：實(shí)現對傳感器輸出信號的采集來(lái)計算點(diǎn)滴速度，通過(guò)對滴速的計算和設置數值的比較來(lái)控制電機的轉速，從而實(shí)現閉環(huán)控制。通過(guò)計算輸液量來(lái)判斷輸液是否正常。
(3)機械傳動(dòng)控制：包括機械傳動(dòng)和控速，兼顧穩定性、精確性、可操作性、廉價(jià)。
(4)實(shí)時(shí)顯示、報警：包括實(shí)時(shí)顯示電路、報警電路和按鍵電路，兼顧實(shí)用性、可操作性、廉價(jià)且滿(mǎn)足設計要求。
2 電路實(shí)現
2.1 滴速測量
本設計采用直射式光電傳感器（紅外對管）來(lái)實(shí)現點(diǎn)滴速度的檢測。利用一個(gè)具有一定硬度且反射性很差的塑料管，把紅外對管分別裝在兩側，水滴從兩管之間通過(guò)，有液滴滴下時(shí)，下落的水滴對紅外光有較強的漫反射、吸收及一定的發(fā)散作用，可使接收管導通或截止。約外對管測速示意圖如圖2所示。

圖2中比較環(huán)節采用LM393實(shí)現，紅外接收管與LM393的反相輸入端相連。當無(wú)水滴下落時(shí)，紅外接收管接收到紅外線(xiàn)照射，此時(shí)紅外接收管的壓降最低，LM393反向輸入端的電位也最低，調節同向輸入端的電位，使之略大于此時(shí)的反向輸入端電位，使其輸出高電平。
當有水滴下落時(shí)，紅外線(xiàn)被水滴折射或遮擋，紅外接收管上的壓降增大，LM393反向輸入端電位升高，大于同向輸入端的電位，輸出低電平，從而觸發(fā)單片機的外部中斷。
2.2 機械傳動(dòng)控制的設計
對于機械傳動(dòng)部分的設計，這些有滑輪方案、拉繩索方案、注射泵方案等，但這些方案或是裝置變復雜，或者成本太高均不可取。本設計在確保測量精度的同時(shí)，以降低成本并簡(jiǎn)化電路為原則，采用指狀蠕動(dòng)泵和步進(jìn)電機來(lái)實(shí)現。單片機控制步進(jìn)電機帶動(dòng)蠕動(dòng)泵實(shí)現對滴速的控制，軟件根據檢測結果實(shí)現對控制電路的自適應調節，通過(guò)按鍵或上位機軟件實(shí)時(shí)設置點(diǎn)滴速度。
在本系統中，蠕動(dòng)泵采用的是二相式步進(jìn)電機，結合實(shí)驗數據得出步進(jìn)電機每旋轉360°為蠕動(dòng)泵一個(gè)周期，滴下3個(gè)水滴。步進(jìn)電機步距角為1.8°，為提高精度，在此使用四相八拍脈沖信號驅動(dòng)電機工作。此時(shí)一個(gè)脈沖周期為7.2°，即經(jīng)過(guò)50個(gè)脈沖周期即可旋轉一周。
2.3 顯示電路
單片機STC10F04XE的I/O口可配置為雙向I/O，不僅可以像普通51單片機一樣輸送電流，而且可以向外提供20 mA的上拉電路[2]。這就使得驅動(dòng)數碼管變得更為簡(jiǎn)單。本設計使用共陽(yáng)數碼管，4個(gè)選位端輸入電流，電流從8個(gè)段碼經(jīng)過(guò)8個(gè)330 Ω的限流電阻流入單片機。
2.4 報警電路
報警電路如圖3所示。根據儲液瓶容量，通過(guò)軟件計算出一定容量的輸液瓶中的液滴滴數，當輸液完成時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報。

2.5 按鍵電路
按鍵電路如圖4所示。采用單列四按鍵，其中S1鍵為菜單鍵，此菜單鍵含有三個(gè)子菜單分別是：床位號、輸液量、液滴滴速。通過(guò)按動(dòng)菜單鍵可以選擇目前所需要設置的子菜單。S2鍵為設置數值的增加鍵，S3鍵用來(lái)設置數值的遞減,S4鍵是啟動(dòng)鍵，設置好前面的三個(gè)鍵后，按動(dòng)S4鍵儀器正式開(kāi)始工作。