液体点滴速度监测与控制装置

1设计思路

利用单片机设计并制作一个智能化的液体点滴速度监测与控制装置，利用控制步进电动机的升降来控制点滴速度，点滴速度可用键盘来设定，同时在水到达警戒线以下时能发出报警信号。

2方案设计

2.1  系统基本方案

根据题目要求系统可以分为以下几个模块：点滴速度测量模块，储液液面检测模块，键盘显示模块，电机系统控制（点滴速度控制）模块。系统的基本框图如图1所示。

点滴速度测量

单 片 机 

储液液面检测

点滴速度控制

控制电路

电机控制

键盘显示

图1 系统基本框图

2.2  说明

（1）控制电机类型不限，其安装位置与安装方式自定。

（2）储液瓶用医用250ml注射页玻璃瓶（瓶中为无色透明液体）。

（3）受液瓶用1.25L的饮料瓶。

（4）点滴器采用针柄颜色为深蓝色的医用一次性输液器（滴管滴出20点水相当与1ml±0.1ml）.

（5）赛区测试时，仅提供医用移动式点滴支架，其高度约为1.8m,也可以自带支架；测试所需其他设备自备。

（6）滴速夹在测试开始后不允许调节。

（7）发挥部分第（2）项从站功能中，c中的异常情况自行确定。

2.3  系统各个模块的选择与论证

（1） 点滴速度测量

方案一 ：采用电感式传感器测量点滴速度。在输液器的漏斗外围绕线圈作为敏感元件。当液滴滴下是电感量发生变化，通过LC振荡电路后输出变化的频率值，经过F/V变换电路及电压比较后输出TTL电平信号来检测点滴速度。此方案测量精度比较高，但是外围电路比较复杂。

方案二：采用红外对管发射接收。采用断续式的工作方式，在点滴落下时阻挡了接收管接收红外线，产生高电平的脉冲信号。为了提高抗干扰能力，可以采用两对红外传感器一发一收，而不是只用一只传感器以反射式状态工作。红外传感器有以下优点：尺寸小，质量轻，安装在滴斗上较简单；对辅助电路要求少，在近距可以用直流发射，电路简单，性能稳定。此方案简单，较容易实现。

（2） 储液检测电路

题目要求是在储液瓶中的液位低于2～3cm时发出报警信号。在此是关键如何检测到液位的高度，报警较易实现。检测液位有多种方法。

方案一：同点滴速度测量模块，仍然采用红外对管发射接收。根据该接收管收到的光强的大小来判断液位是否达到警戒水位。

方案二：采用称重传感器检测。利用称重传感器检测总质量，并与实际测量中当液体液面达到设定位置时的总质量相比较，根据液体体积与质量的关系，当测量总质量与设定值相等时发出报警。

方案三：用测定电容的方法来检测。在瓶壁上用两块薄金属箔包裹构造出一个电容。根据电容中的介质不同，可以确定是否达到警戒水位。此数据可以由实验中得出。

（3） 电机控制系统（点滴速度控制）模块

利用电机来控制调节点滴的速度有两种方案：

方案一：通过改变滴斗到受液瓶的高度H2来调节点滴的速度。由电动机带动储液瓶使储液瓶上升或下降改变滴斗到受液瓶的高度H2，从而调节点滴速度。此种调节方法简单，容易实现。

方案二：通过控制滴速夹的松紧来控制点滴的速度。不过滴速夹用于大范围的调节滴速，难以控制，适用于粗调。

（4） 键盘显示单元

根据题目条件，滴速的大小要由人工设定的。滴速的设定值与调整值都可以在键盘上显示。对于其显示有以下的两种方案：

方案一：采用液晶显示屏和通用矩阵键盘。液晶显示屏（LCD）具有功耗小、轻薄短小无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示三位温度值，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器资源占用较多，其成本也偏高。

方案二：采用三位LED七段数码管显示点滴数目。按键采用单列三按键。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化，对外界环境要求较低。同时数码管采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。

2.4  系统最终方案确定

根据以上方案的论证分析，结合器件与设备等因素，系统各模块方案确定如下：

（1）点滴速度测量采用红外对管发射接收方式。

（2）储液检测电路仍然采纳红外对管发射接收装置。

（3）点滴速度控制是利用电动机正反转来调节储液瓶的高度来实现的。

（4）键盘显示用的是单列三按键数码来显示的。

3 系统的硬件设计与实现

3.1系统硬件的基本组成部分

本题目中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可以分为传感器检测部分和控制部分。

传感器检测部分：系统利用红外对管发射接收即光点传感器将检测到的信号转化为控制器可以辨别的电信号。传感器检测电路包括2个单元电路：点滴速度测量电路、储液检测电路。

智能控制部分：系统中控制器件根据有传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制点滴的速度及数码管的显示，完成了点滴装置的自动检测、自动调速、数码显示及报警功能等各项任务。开控制部分主要包括3个电路：单片机控制电路、电动机的驱动电路、数码管的动态显示电路。

3.2主要单元电路设计

3.2.1.点滴速度测量电路设计

采用红外对管发射接收测量点滴速度，其电路原理图如图2所示。

图2 点滴速度测量电路

由电路图可以看到，接收管与发射管正相对，无液滴滴下时，接收管收到信号，输出低电平；有液滴滴下时，下落的水滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的发散作用，导致接收光强的较大改变，接收管不能收到较强的信号，产生一个较长的脉动，但是波形不是太好，需要经过一级施密特触发器整形，输出一个正向的脉冲信号送给单片机中断口，据此就可以正确的测出液滴的滴数，即点滴的速度（滴/分）。 

3.2. 2 储液检测电路

储液检测电路图仍然是和点滴速度测量电路一样，只是所接单片机的接口不同。其电路图如3图所示。

该电路图的原理和点滴雕塑度检测电路的原理是一样的。由于红外光在水中和空气中的吸收系数不同，从而通过空气和水后的光强也是不同的。

其报警信号也是由储液信号来决定的。当储液的液面的高度为2～3cm后，会由红外对管发射接收产生检测信号，即为报警信号。

图3储液检测电路

3.2.3  点滴速度控制电路设计

系统将点滴速度采集信号和储液信号进行处理后，在相应的单片机的I/O控制口输出对应的控制信号来驱动电动机的正反转，从而进行精确的控制。

图4所示的电路为电动机的速度采集电路。在电动机上安装一个连杆，连杆的另一头接S1开关，每当电动机旋转一周，四S1开关闭合一次，则通过单片机的P3.2口就可以送入一个计数信号。在单位时间内观察计数值即可的到电动机的转速。

图4电机的转速采集电路

点滴的控制其实是靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号驱动电动机，控制电动机的正转或反转，进而带动储液瓶的上升或下降来调节滴斗的高度即控制点滴的速度。

电动机驱动电路就如图5示。

图5路采用的是H型的开关驱动电路。整个的电路可以分为两级：第一级接单片机的I/O口，用射级跟随电路加大电流的驱动能力；第三级才是驱动电路。当P3.0为高电平时，Q5导通，Q3，Q7导通，电动机两端的电压为+5V，电动机正转；当P3.1为高电平时，Q6导通，Q4，Q8导通，电动机两端的电压为-5V，电动机反转。

图5电动机驱动电路

本电路采用的是H型的开关驱动电路。整个的电路可以分为两级：第一级接单片机的I/O口，用射级跟随电路加大电流的驱动能力；第三级才是驱动电路。当P3.0为高电平时，Q5导通，Q3，Q7导通，电动机两端的电压为+5V，电动机正转；当P3.1为高电平时，Q6导通，Q4，Q8导通，电动机两端的电压为-5V，电动机反转。

点滴控制靠单片机检测滴速，得到一个反馈量，输出一定信号控制电机上升或下降调节滴斗的高度。

3.2. 4  键盘显示电路

由于本系统中采用动态显示方式驱动3个七段数码管，来显示点滴的速度。数码管采用共阴极，由于ATC52单片机每个I/O的拉电流只有1—2mA。所以在位码和段码都加上了反向驱动器。

键盘采用按键开关经上拉电阻分别接P1.0、P1.1、P1.2口上，起到确定、上调和下调作用。每按上调和下调键，设定速度值增1减1。单片机XTAL2、XTAL1接12MHZ晶振，提供系统时钟基值。另RESET接上电复位按键。原理图如图6示。

图6键盘显示电路

4系统测试

为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的各个关键部分进行了实际的测试。主要包括系统的测试仪器及测试结果。

5小结

在本设计的过程中，虽然我们花去了很多功夫，下了很大的功夫，但设计的结果也不能达到预想的效果，因为实际参数无法与设计精确匹配。

本次设计综合运用了各类传感器。同时查阅了大量相关资料，包括查阅相关书籍和网上的资料，获得了一些相关信息。在方案设计方面，讨论筛选出最优的设计方案，比如在设计显示电路时我们放弃LCD液晶来显示,而直接运用了数码管显示电路。

通过这次的设计与制作，让我了解设计电路的程序与设计理念。通过这次学习，让我们对各种电路都有了大概的了解，对于我们以后的学习有很大的帮助。

总原理图