第2章 系统方案确定
2.1 系统设计要求
本系统要求设计一个以单片机为核心的液体点滴速度监测与控制装置，检测点滴速度、控制点滴速度，并能发出报警信号，系统采用主站控制从站的有线监控系统方式实现医疗输液过程的群控。设计主要是完成群控系统控制的硬、软件设计及调试。
1、基本要求：1）在滴斗处检测滴速，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/min）。2）通过改变h2控制点滴速度，如图2.1所示，或通过控制输软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定显示，设定范围为20～150滴/min，控制误差范围设定值（±10％±1）滴。3）调整时间3min（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。4）当h1降到警戒值（2～3cm）时，能发出报警信号。
2、其它部分
设计制作一个由主站控制16个从站的有线监控系统。16个从站中只有一个从站是按基本要求制作的一套点滴速度监控装置，其它从站为模拟从站（仅要求制作一个模拟从站）。
（1）主站功能：
a.具有定点和巡回检测两种方式b.可显示从站传输过来的从站号和点滴速度。c.在巡回检测时，主站能任意设定要查询从站的数量、从站号和各从站的点滴速度。d.收到从站发来的报警信号后，能声光报警并能显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。
（2）从站功能：
a.能输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可任意设定，b.接收主站设定的点滴速度信息并显示。c.对异常情况进行报警。
（3）主站和从站间的通讯方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的数量。
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图2.1 液体滴速监测与控制装置
2.2 系统设计总体方案
本系统从站以AT89C52单片机为核心，辅以一些必须的外围电路，实现滴速检测和控制。而用另外一片AT89C52单片机作为主站，采用通讯协议进行传输，设计实现一个主站控制多个从站的有线监控系统。主机采用大屏幕液晶显示器，不但可以显示当前滴速、在声光报警后还可显示相应的从机号，更嵌入时间显示模块，实现简单友好的人机界面，符合实际要求。主站键盘直接采用I/O扩展而成，充分考虑到了操作的便捷和简易性。外围电路电源均由主机统一控制管理。监测与点滴速度调节构成从站的主要功能，其主要模块除单片机控制部分外，还有滴速检测、滴速调节、异常报警电路、速度设定与数码显示等。系统采用光电耦合传感器来进行检测滴速和液面高度产生中断进行计数，采用步进电机升降来进行滴速的控制，如果检测到的滴速在要求误差范围内过快或者过慢，则驱动步进电机来调节储液瓶的高度或者挤压软管达到控制的目的。当出现异常情况如储液低于（2～3cm）时或者滴速低于或高于要求控制的范围（20～150滴/min）时，则驱动声光报警电路进行报警。显示装置则采用LED 显示器，从站键盘采用8279扩展键盘，另外还可加入红外遥控键盘装置，护士人员不但对从站控制方便也还为医疗人员提供方便，此系统暂没有提供红外遥控键盘装置设计，如读者有兴趣，可自行设计。电机采用模糊控制算法，提高控制精度，驱动电路由相关的驱动芯片组成。
2.3 系统各模块方案选择
2.3.1 单片机型号的选择
本系统是以单片机为核心的输液滴速控制系统，单片机应用系统性能优越，价格便宜，而且功能强大，用户界面友好，虽然工业PC机、PLC和DSP等，其性能虽也强，比如PLC、DSP等功能强，可靠性也极高，使用方便，体积小巧，但其性价比远没有单片机应用系统高，在更多的工业控制应用场合，单片机应用系统突出的性价比而迎得用户的青睐。设计这样一个简单的应用系统，Intel公司的8051和其它的一些公司芯片均可选用。其他一些MCS-51系列兼容的芯片，如ATMEL公司生产的AT89C××系列单片机，该单片机完全与8031兼容，并且还具有程序加密等功能，物美价廉，经济实用，成为技术更加成熟的新一代单片机应用系统。AT89C52内部含有大容量的Flash存储器，功能强，性价比忧，可以反复擦写，给用户提供了极大的方便，所以在生产开发及便携式商品中、手提式仪器等方面有着十分广泛的应用，也是目前取代传统的MCS-51系列单片机的主流单片机之一。基于上述本系统采用与8031兼容的AT89C52单片机。
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2.3.2 点滴速度检测和液面检测方案的论证与比较
方案一：采用金属电极检测点滴速度信号以及储液瓶液面信号。如图2.2a所示，用药液的导电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，当有液滴下落时，金属电极接通，此时产生一个高信号脉冲，无液滴下落时，金属电极断开，由此产生一个高低信号脉冲，通过对高低脉冲进行计数，检测液滴速度（滴／min），同理，液面也可以采用金属电极检测，如图2.2b所示。通常电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。
方案二：采用光电传感器检测点滴速度以及储液瓶液面信号，原理如图2.3a所示。发光二极管发射的平行光束穿过滴管投射到光敏三极管的感光面上，在没有液滴滴落时，光敏三极管接收到的光照度最大，产生的光电流也最大，当有液滴滴落时，由于液滴的形状特性，使平行光束发散，投射到光敏三极管上的光照度将减弱，从而使光敏三极管产生的光电流减小，形成低信号脉冲。液位检测的基本原理与液滴检测相同,如图2.3b所示。
a) b) a) b)
图2.2 金属电极检测滴速和液面装置 图2.3 光电传感器检测滴速和液面装置
电极接触控制方式原理简单，易于实现，可靠性强，但会导致药品污染，危及患者安全。而光电控制方式虽然结构复杂，红外发射接收传感器具有体积小、测量精度高、灵敏度好、避免与被测物直接接触且安装方便等优点。易受外界光源影响，但可防止药品的污染，保证患者用药安全，所以本系统采用方案二。
2.3.3 滴速控制方案的论证与比较
方案一：改变输液瓶高度控制点滴速度。
在输液管截面积确定的条件下，利用储液瓶高度不同所引起的液体压强差的改变，
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实现对点滴速度的控制，当液滴速低于要求时，提高液瓶的高度增大压强减小滴速，反之则可提高液滴速度。
方案二：改变输液软管截面积控制点滴速度。
在输液瓶高度确定的条件下，通过改变输液管导通截面积实现点滴速度的控制，当滴速高于要求时，挤压软管则可达到调速要求，反之，则可提高滴速。如图2.4所示。
图2.4 挤压软管滴速控制装置 图2.5 拉紧压软管滴速控制装置
方案三：拉紧软管控制点滴速度。
如图2.5所示，可以拉紧软管或者放松软管来控制滴速。方案一中的高度控制可利用小型电机实现，具有结构简单、控制精度高等特点。方案二因为输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，难以实现点滴速度的精确控制。方案三中，虽容易实现，由于作用时间长的话，对软管有损伤，可能引起漏液，且和方案二一样存在输液软管的截面积较小且形变后恢复速度较慢，此三种方案都有优、缺点，但权衡之下还是方案一更好一些。因此在本系统采用方案一。 2.3.4 电机控制算法的选择
电动机包括直流电动机、交流电动机及步进电动机等三种，其在工业控制中扮演极重要角色。其中，由于步进电动机的驱动方式简单、激活快速及定位准确等优点，被广泛应用于计算机外设上。鉴于此优点，本系统采用步进电动机控制点滴滴速。
步进电机控制算法的选择直接影响到系统的性能和技术指标，在本系统的设计中起着关键的作用。较为可行的方案有：
方案一：采用模糊控制。其优点是不需要精确知道被控对象的数学模型，而且适用于具有较大滞后特性的被控对象。缺点是静态误差不容易控制。
方案二：采用PI控制。其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上较易实现，可以达到较小的静态误差。
方案三：采用模糊控制与PI 控制结合的算法。 本系统采用方案一。
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2.3.5 键盘、显示及声光报警部分
显示部分可选择液晶显示和数码管显示。本系统从站使用8279 扩展键盘和LED 显示器；而主站部分由于要求实时显示多组数据，因此选用MGLS12864 液晶显示器显示。4×4 键盘直接利用I/O 扩展而成。声光报警电路也可直接利用单片机I/O口输出放大驱动二极管发出声光报警。 2.3.6 主从站协议部分
方案一：采用并行总线方式。多机通信时，结构复杂。
方案二：采用RS232 串行通信。通信技术成熟，仅需要TXD，RXD两条通信线，波特率可调，通信速度快。缺点是TTL信号容易受干扰，不利于长距离传输数据。
方案三：采用RS485 串行通信方式。本方案具有方案二的优点，并且抗干扰能力强，可实现较长距离通信。
方案四：采用IC2总线通信协议。优点是易于实现多机通信并且通信线路简单，仅需要SDA，SCL 两条通信线。但是不适合较长距离的信号传输
由于主从机通信距离较短，从最佳性价比出发，选择方案二。
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