智能液體點滴監控系統主要應用在靜脈輸液以及化學醫學領域實驗中需要精確滴定的場合[1]。本裝置可以實現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 系統總體方案
    因為醫用，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：要求系統能夠正確及時地探測下落的點滴數。通過紅外發射對管實現對點滴速度的檢測。
    (2)控制器：實現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值的比較來控制電機的轉速，從而實現閉環控制。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
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中比較環節采用LM393實現，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。單片機控制步進電機帶動蠕動泵實現對滴速的控制，軟件根據檢測結果實現對控制電路的自適應調節，通過按鍵或上位機軟件實時設置點滴速度。
    在本系統中，蠕動泵采用的是二相式步進電機，結合實驗數據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]。這就使得驅動數碼管變得更為簡單。本設計使用共陽數碼管，4個選位端輸入電流，電流從8個段碼經過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，當輸液完成時蜂鳴器發出警報。

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鍵為設置數值的增加鍵，S3鍵用來設置數值的遞減,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。

2.6 串口通信電路
    數據通信采用三線制，將單片機與PC串口的3個引腳（RXD、TXD、GND）分別連在一起，即將PC和單片機的發送數據線TXD與接收數據線RXD交叉連接，兩者的地線GND直接相連，而其他信號線如握手信號線均不用，采用軟件握手的方式，這樣既可以實現預定的任務，又可以簡化電路設計。
    但由于單片機的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和單片機的RXD、TXD交叉連接時必須進行電平轉換，本設計使用的是MAX232電平轉換芯片，其電路如圖5所示。

3 系統軟件設計
　本系統因涉及步進電機及數碼管的驅動控制，所以需要使用2個定時器，而串口通信又需要使用定時器或獨立波特率發生器，而且考慮到程序執行速度，采用普通的8051單片機不能滿足需求，故使用STC10F04XE單片機。
    STC11/10xx系列單片機是宏晶科技設計生產的單時鐘/機器周期(1 T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍[3]。內部集成有高可靠復位電路,適用于對高速通信、智能控制、強干擾場合。程序流程圖如圖6所示。

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

    干擾軟件處理：如圖8是單片機輸入信號的正常波形和異常波形。當檢測到正常波形時脈沖寬度是18 ms；若軟件采集脈沖波形下降，則檢測到異常波形時，軟件在18 ms時間內只默認采集了一個下降沿，即將另一個上升沿屏蔽掉，這樣軟件就能將異常波形轉換成正常波形進行處理[4]。

    本系統采用上位機實現一對多的控制，護士可以通過PC機設置液滴的速度。系統不僅控制精確，可以直觀地顯示液滴的速度、輸液量，還具有報警功能，能對空液和輸液管阻塞等異常情況進行報警，并能自動切斷輸液通路，克服了目前市場上輸液裝置的不足。
參考文獻
[1] 許天增，許克平.超聲傳輸特性和超聲傳感系統研究[J]. 廈門大學學報，2001(2)：34-35.
[2] 惠仇.手把手教你學51單片機[M].北京：電子工業出版社，314-316.
[3] 李云勝.基于VC的液體點滴實時監控系統的設計[J].計算機應用，2003(Z2)：457-458.
[4] 王紫婷，王瑞峰，嚴天峰.智能液體點滴速度監控儀[J].自動化與儀器儀表,2004(5):48-49.