智能液體點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用在靜脈輸液以及化學(xué)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)中需要精確滴定的場(chǎng)合[1]。本裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體點(diǎn)滴滴速的控制與檢測(cè)，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(bào)警，并停止輸液。
1 系統(tǒng)總體方案
    因?yàn)獒t(yī)用，所以任何與瓶中液體有接觸的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案如圖1所示。

    (1)點(diǎn)滴檢測(cè)：要求系統(tǒng)能夠正確及時(shí)地探測(cè)下落的點(diǎn)滴數(shù)。通過(guò)紅外發(fā)射對(duì)管實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴速度的檢測(cè)。
    (2)控制器：實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的采集來(lái)計(jì)算點(diǎn)滴速度，通過(guò)對(duì)滴速的計(jì)算和設(shè)置數(shù)值的比較來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過(guò)計(jì)算輸液量來(lái)判斷輸液是否正常。
    (3)機(jī)械傳動(dòng)控制：包括機(jī)械傳動(dòng)和控速，兼顧穩(wěn)定性、精確性、可操作性、廉價(jià)。
    (4)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警：包括實(shí)時(shí)顯示電路、報(bào)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(shè)計(jì)要求。

2 電路實(shí)現(xiàn)
2.1 滴速測(cè)量
    本設(shè)計(jì)采用直射式光電傳感器（紅外對(duì)管）來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴速度的檢測(cè)。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(duì)管分別裝在兩側(cè)，水滴從兩管之間通過(guò)，有液滴滴下時(shí)，下落的水滴對(duì)紅外光有較強(qiáng)的漫反射、吸收及一定的發(fā)散作用，可使接收管導(dǎo)通或截止。約外對(duì)管測(cè)速示意圖如圖2所示。

    圖2中比較環(huán)節(jié)采用LM393實(shí)現(xiàn)，紅外接收管與LM393的反相輸入端相連。當(dāng)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(diào)節(jié)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(dāng)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(jī)的外部中斷。
2.2 機(jī)械傳動(dòng)控制的設(shè)計(jì)
    對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，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(fù)雜，或者成本太高均不可取。本設(shè)計(jì)在確保測(cè)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(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)對(duì)滴速的控制，軟件根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，通過(guò)按鍵或上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)設(shè)置點(diǎn)滴速度。
    在本系統(tǒng)中，蠕動(dòng)泵采用的是二相式步進(jìn)電機(jī)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)360°為蠕動(dòng)泵一個(gè)周期，滴下3個(gè)水滴。步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，為提高精度，在此使用四相八拍脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(zhuǎn)一周。
2.3 顯示電路
    單片機(jī)STC10F04XE的I/O口可配置為雙向I/O，不僅可以像普通51單片機(jī)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(qū)動(dòng)數(shù)碼管變得更為簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)使用共陽(yáng)數(shù)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(jī)。
2.4 報(bào)警電路
    報(bào)警電路如圖3所示。根據(jù)儲(chǔ)液瓶容量，通過(guò)軟件計(jì)算出一定容量的輸液瓶中的液滴滴數(shù)，當(dāng)輸液完成時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

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(hào)、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(shè)置的子菜單。S2鍵為設(shè)置數(shù)值的增加鍵，S3鍵用來(lái)設(shè)置數(shù)值的遞減,S4鍵是啟動(dòng)鍵，設(shè)置好前面的三個(gè)鍵后，按動(dòng)S4鍵儀器正式開(kāi)始工作。

2.6 串口通信電路
    數(shù)據(jù)通信采用三線(xiàn)制，將單片機(jī)與PC串口的3個(gè)引腳（RXD、TXD、GND）分別連在一起，即將PC和單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)線(xiàn)TXD與接收數(shù)據(jù)線(xiàn)RXD交叉連接，兩者的地線(xiàn)GND直接相連，而其他信號(hào)線(xiàn)如握手信號(hào)線(xiàn)均不用，采用軟件握手的方式，這樣既可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)，又可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
    但由于單片機(jī)的TTL邏輯電平和RS-232C的電氣特性完全不同，RS-232C的邏輯0電平規(guī)定為+3 V～+15 V之間，邏輯1電平為-3 V～-15 V之間，因此，在將PC和單片機(jī)的RXD、TXD交叉連接時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)使用的是MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，其電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)因涉及步進(jìn)電機(jī)及數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)控制，所以需要使用2個(gè)定時(shí)器，而串口通信又需要使用定時(shí)器或獨(dú)立波特率發(fā)生器，而且考慮到程序執(zhí)行速度，采用普通的8051單片機(jī)不能滿(mǎn)足需求，故使用STC10F04XE單片機(jī)。
    STC11/10xx系列單片機(jī)是宏晶科技設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1 T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍[3]。內(nèi)部集成有高可靠復(fù)位電路,適用于對(duì)高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾場(chǎng)合。程序流程圖如圖6所示。

    紅外信號(hào)由比較器LM393輸出，是低電平脈沖信號(hào)。紅外檢測(cè)電路波形如圖7所示，脈寬約為18 ms，周期為2滴之間的間隙時(shí)間。如60滴/min時(shí)，周期為1 s。通過(guò)采集幾個(gè)相鄰間隔脈沖信號(hào)周期Ti，得到平均相鄰間隔脈沖信號(hào)的周期T，這樣就可以得到點(diǎn)滴速度v=60/T。

    干擾軟件處理：如圖8是單片機(jī)輸入信號(hào)的正常波形和異常波形。當(dāng)檢測(cè)到正常波形時(shí)脈沖寬度是18 ms；若軟件采集脈沖波形下降，則檢測(cè)到異常波形時(shí)，軟件在18 ms時(shí)間內(nèi)只默認(rèn)采集了一個(gè)下降沿，即將另一個(gè)上升沿屏蔽掉，這樣軟件就能將異常波形轉(zhuǎn)換成正常波形進(jìn)行處理[4]。

    本系統(tǒng)采用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的控制，護(hù)士可以通過(guò)PC機(jī)設(shè)置液滴的速度。系統(tǒng)不僅控制精確，可以直觀地顯示液滴的速度、輸液量，還具有報(bào)警功能，能對(duì)空液和輸液管阻塞等異常情況進(jìn)行報(bào)警，并能自動(dòng)切斷輸液通路，克服了目前市場(chǎng)上輸液裝置的不足。
參考文獻(xiàn)
[1] 許天增，許克平.超聲傳輸特性和超聲傳感系統(tǒng)研究[J]. 廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(2)：34-35.
[2] 惠仇.手把手教你學(xué)51單片機(jī)[M].北京：電子工業(yè)出版社，314-316.
[3] 李云勝.基于VC的液體點(diǎn)滴實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2003(Z2)：457-458.
[4] 王紫婷，王瑞峰，嚴(yán)天峰.智能液體點(diǎn)滴速度監(jiān)控儀[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2004(5):48-49.