智能液體點滴監(jiān)控系統(tǒng)的設計

智能液體點滴監(jiān)控系統(tǒng)主要應用在靜脈輸液以及化學醫(yī)學領域實驗中需要精確滴定的場合[1]。本裝置可以實現(xiàn)對液體點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自動報警，并停止輸液。
1 系統(tǒng)總體方案
因為醫(yī)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)點滴檢測：要求系統(tǒng)能夠正確及時地探測下落的點滴數(shù)。通過紅外發(fā)射對管實現(xiàn)對點滴速度的檢測。
(2)控制器：實現(xiàn)對傳感器輸出信號的采集來計算點滴速度，通過對滴速的計算和設置數(shù)值的比較來控制電機的轉速，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過計算輸液量來判斷輸液是否正常。
(3)機械傳動控制：包括機械傳動和控速，兼顧穩(wěn)定性、精確性、可操作性、廉價。
(4)實時顯示、報警：包括實時顯示電路、報警電路和按鍵電路，兼顧實用性、可操作性、廉價且滿足設計要求。
2 電路實現(xiàn)
2.1 滴速測量
本設計采用直射式光電傳感器（紅外對管）來實現(xiàn)點滴速度的檢測。利用一個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，有液滴滴下時，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(jié)采用LM393實現(xiàn)，紅外接收管與LM393的反相輸入端相連。當無水滴下落時，紅外接收管接收到紅外線照射，此時紅外接收管的壓降最低，LM393反向輸入端的電位也最低，調節(jié)同向輸入端的電位，使之略大于此時的反向輸入端電位，使其輸出高電平。
當有水滴下落時，紅外線被水滴折射或遮擋，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 機械傳動控制的設計
對于機械傳動部分的設計，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，以降低成本并簡化電路為原則，采用指狀蠕動泵和步進電機來實現(xiàn)。單片機控制步進電機帶動蠕動泵實現(xiàn)對滴速的控制，軟件根據(jù)檢測結果實現(xiàn)對控制電路的自適應調節(jié)，通過按鍵或上位機軟件實時設置點滴速度。
在本系統(tǒng)中，蠕動泵采用的是二相式步進電機，結合實驗數(shù)據(jù)得出步進電機每旋轉360°為蠕動泵一個周期，滴下3個水滴。步進電機步距角為1.8°，為提高精度，在此使用四相八拍脈沖信號驅動電機工作。此時一個脈沖周期為7.2°，即經(jīng)過50個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]。這就使得驅動數(shù)碼管變得更為簡單。本設計使用共陽數(shù)碼管，4個選位端輸入電流，電流從8個段碼經(jīng)過8個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(jù)儲液瓶容量，通過軟件計算出一定容量的輸液瓶中的液滴滴數(shù)，當輸液完成時蜂鳴器發(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，此菜單鍵含有三個子菜單分別是：床位號、輸液量、液滴滴速。通過按動菜單鍵可以選擇目前所需要設置的子菜單。S2鍵為設置數(shù)值的增加鍵，S3鍵用來設置數(shù)值的遞減,S4鍵是啟動鍵，設置好前面的三個鍵后，按動S4鍵儀器正式開始工作。