发布时间 : 星期一 文章基于单片机的输液监控系统设计更新完毕开始阅读333b191edf80d4d8d15abe23482fb4daa58d1dd9
第3章 系统硬件设计
3.1 方案论证
3.1.1 点滴速度检测方案
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。当液滴滴下时电感量发生变化，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。它对辅助电路要求少，在近距可以用直流发射，电路简单，性能稳定。
方案二简单，较容易实现，而且使用了非接触式光学测量方法，避免了交叉感染[7]，因此采用此方法。
3.1.2 液位检测方案
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。利用光在不同媒介界面的折射或反射原理，通过光电传感器来接受光信号实现液面检测功能。此外，红外线对射管安装方便，只需将其固定在输液瓶外壁上即可，不需要详细计算储液瓶液面的高度，简化了外围电路结构。
方案二：采用拉力传感器检测。将拉力传感器接在滑轮与输液瓶之间，利用液面高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量，但是拉力传感器价格高，从实用性考虑效果不佳。
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。
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综合比较上面上中方法，从实用，简便同时保证测量精确度上，使用红外线模块测量液面高度是理想的选择。
3.1.3 速度控制方案
方案一：通过改变输液瓶的高度来调节点滴的速度。由电动机带动储液瓶使储液瓶缓慢平稳地上升或下降来改变受液瓶的高度，从而调节点滴速度。
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地调节滴速，而且存在很多因素，例如橡胶粘度与液体粘度，输液管受挤压后的恢复情况等等，这些都是非线性控制量，因此其移动距离，移动阻力等参数难于计算，用机电系统实现起来较为困难，比较适用于粗调。
方案一调节方法简单，容易实现，其硬件连接如图3-1。
图3-1 电动机控制输液瓶模型
3.1.4 电机选择及控制方案
常用的电机主要有以下几种：直流电机、步进电机、伺服电机。
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方案一：直流电机上电即可转动，掉电后惯性较大，停机时还会转动一定角度后才可停止，如果要求准确控制其转动的角度，其闭环算法比较复杂，系统硬件也会相应麻烦。
方案二：伺服电机的机械特性较好，输出功率大，启动转矩大，驱动电路简单，正反转控制容易且有抱死功能，但有由于其实际价格偏高，不适合普遍使用。
方案三：步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行元件[8]。步进电机转矩相对直流电机大，控制精度比较高，其步进转过的一个角度也固定，适用于较精确的测量，这可有效提高输液速度的控制精度。
因此，电机选用步进电机最佳。
3.1.5 键盘显示单元
滴速的大小要由人工设定，滴速的设定值与实际值也都必须在键盘上显示。 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速度值，信息量比较少，用LCD显示成本相对偏高。
方案二：采用8位LED七段数码管显示点滴数目。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。本设计采用TM1639外部扩展芯片，通过三个端口便可实现了键盘和LED显示功能，节省并预留了端口来进行功能优化。
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3.2 模块的硬件设计
3.2.1 系统的组成单元
系统主要有5个单元构成，分别是C8051F410单片机最小系统、红外线检测单元、步进电机单元、声光报警单元、键盘及显示单元，如图3-2所示。
图3-2 系统组成单元
3.2.2 通信接口电路设计
因为PC机RS232串口采用的是RS232传输协议，它的高低电平分别为-l2V和+12V，与单片机的电平不一致，所以不能将PC机和单片机用电缆直接进行连接，在PC机和单片机之间必须增加一个RS232/TTL电平转换电路，即通信接口电路通常选择专用的RS232接口电平转换集成电路，如MAX232、HIN232等，NIH232和MAX232可以直接互换。这里选用NIH232CP芯片来完成串口接口电路 。
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