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监控系统的设计与实现

作者:陈静、张建平、刘玉梅、徐倩漪2006.06.19阅读 5820

  目前,医院静脉注射主要采取人工方式,其注射速度控制主要靠人工经验设定。本设计采用检测与控制技术,实现对医疗输液过程的自动监控,其主要功能:(1)设定点滴速度、点滴时间、液体总量;(2)自动控制输液速度,并实时显示;(3)当输液结束时或出现输液异常时自动报警;(4)分布式主从站设计,实现输液远程监控。系统的主要特点:(1)采用模糊PID算法控制步进电机,定位精确;(2)硬件采用调制与解调技术提高红外对管的抗干扰能力;(3)软件利用“陷阱”技术提高系统程序的稳定性;(4)合理的人机交互设计,操作简单,显示直观;(5)多路报警信号。
  1、 系统设计思路
  不仅要有可靠稳定的驱动系统和显示装置,更要有智能化的控制核心,先进的传感器识别系统。经过分析,采取以下设计方案:主从站都采用单片机89C52作为控制和数据处理的核心,主机和从机之间采用串口通讯方式;从站由光电传感器检测液位和液滴信号,当实际的液滴速度小于或大于预先设定的数值时,单片机则会通过发送控制信号控制电机的转向和步距,通过调节滴斗到地面的距离来改变液滴流速,使其能在较短时间内稳定在设定值的附近,并通过数
码管将其速度显示出来;当完成预定输液量或出现意外情况时,液面检测电路向单片机发出报警信号,再由从机传到主机发出警报。从站既可与主站通过串行通讯构成监护网,也可单独完成对输液速度和液位的检测控制以及故障报警。
  系统分为六大模块:键盘与显示模块、滴速检测模块、液位检测模块、步进电机驱动控制模块、主从站通信模块、报警模块。总体框图如图1所示。

总体框图
图1:总体框图

  2、 硬件电路设计
  (1) 最小系统与电源电路
  主从机的最小系统都采用MCS-52系列单片机89C52作为控制核心。电源采用国产普通 AC-DC开关电源,其输入为量程165~265VACCONTROL ENGINEERING China版权所有, 50/60Hz, 输出电压有5V和24V两种,最大负载电流分别为6A和3A。24V电源为步进电机供电,5V电源为单片机及其他电路供电,输入采用220V市电。
  (2) 滴速检测模块
  使用光电检测技术实现滴速检测。将红外对管对称置于滴斗的两侧www.cechina.cn,红外发光二极管发出的红外光透过输液管照射到光电三极管,光电三极管将接收到的光信号转换成电流输出。该电流用LM339比较放大后经555构成的斯密特触发器滤波后送入单片机P3.2(INT0)口。当P3.2口检测到由1到0的逻辑跳变时,单片机计数1,表明检测到一滴液体经过。
  (3) 液面检测模块
  采用光电检测技术。红外对管置于输液瓶两侧,距离瓶口约2~3厘米。当红外对管之间介质发生变化(由水到空气)时候,光电接收管的输出信号发生相应变化。将这一输出信号送入单片机。液面检测电路主要由三部分组成:调制与解调部分、红外发射与接收部分、放大部分,参见图2。对于来自输液现场的环境干扰光,采用调制与解调技术来提高抗干扰能力。频率发生电路是由一个555定时器组成的占空比可调的方波发生器。调制解调接收电路由运放LM741和解调芯片LM567组成。单片机通过检测LM567引角8的电平变化实现液位检测。电路图参见图2。

液面检测模块电路图
图2:液面检测模块电路图

  (4) 步进电机驱动控制模块
  系统动力选用的是四通公司的DM5676A步进电机www.cechina.cn,其功率为1.35NM,工作电流为2A。驱动电路采用SH-20402细分驱动器。步进电机及其支座固定于地面,步进电机轴上装有转轮www.cechina.cn,通过绕绳和滑轮实现对输液瓶的高度控制。单片机的P2.6口通过驱动电路控制步进电机转动方向,转换为直线运动就是输液瓶在垂直方向上的上升和下降。P2.7口通过驱动电路控制步进电机的转动速度。步进电机的转动速度与P2.7口输出的脉冲频率有关,当脉冲频率高于200Hz,步进电机完全转动。当脉冲频率低于200Hz时控制工程网版权所有,步进电机转动某一角度,且角度数与脉冲个数成正比,换算关系为一个脉冲转动1.8度。
  (5) 键盘与显示模块
  为方便使用,设计了16个按键和6个LED显示,供操作者预置和读取信息。按键用2×8矩阵设计,具体功能可以参见表1。
  从机显示用74LS164驱动6个七段共阴极数码管,主机显示用LCM103液晶显示。对各种信息的显示采用动态方式,即当单片机没有收到外部信号时,每隔5秒显示一次点滴速度(滴/分);接到设定信号后,显示从站号和设定点滴速度(滴/分);接到查询信号时,显示要查询的从站号、查询站数、该站点滴速度。
  (6) 主从站通信模块
  采用单机与多机通信模式。数据传输线路采用RS-485国际标准接口,允许双绞线上一个发送器最多驱动32个负载设备,负载设备可以是被动发送器、接受器或收发器(发送器和接受器对),通信距离可以达到1km,满足实际监控距离。通信波特率设为2400bps,在此情况下可以保证良好的双机通信。
 

















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