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基于单片机的智能点滴输液速度与液位控制系统设计

news 2025/10/9 5:42:12

基于单片机的智能点滴输液速度与液位控制系统设计

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1. 系统功能介绍

智能点滴输液速度与液位控制系统是一种基于单片机技术的医用自动化设备，主要用于实现对输液过程的实时监控与自动调节。传统的手动点滴速度调节依赖护士经验，存在工作强度大、精度不高、反应不及时等问题。该系统通过传感器采集输液速度与液位信号，并结合电机控制，实现自动化调节，确保患者在整个输液过程中保持稳定的滴速与安全的液位高度。

系统主要实现以下功能：

实时点滴速度检测
通过光电传感器检测滴液漏斗处的液滴间隔时间，计算出滴速（单位：滴/分钟），实时反映输液状态。
自动速度调节
系统将检测到的实时滴速与设定值进行比较，当滴速偏离设定值±10%时，通过控制电机调整吊瓶高度，使滴速恢复至正常范围。整个调节过程自动完成，时间不超过3分钟。
速度设定与显示
用户可通过按键输入设定滴速（20～160滴/分钟），LCD1602液晶屏实时显示设定速度、当前速度及运行状态。
液位监测与报警
通过液位检测电路判断输液瓶中液体的高度，当液位低于2～3cm时，系统发出声响报警，提示医护人员更换药液。
液体停止检测
若检测到液体不再滴落（速度为0滴/分钟），系统立即发出报警信号，以防止空气进入输液管造成安全隐患。
运行状态显示与报警提示
LCD1602显示屏实时显示滴速、液位状态、设定速度和报警提示信息，蜂鸣器提供声音提示，使系统操作直观、可靠。

2. 系统电路设计

整个系统以STC89C52单片机为核心，围绕输入传感器模块、执行机构模块、显示与报警模块、电源模块等构建。系统结构清晰、模块化程度高，便于调试与维护。

2.1 单片机主控模块

主控模块采用 STC89C52RC 单片机，其内部资源丰富，具有8位CPU、4KB可编程Flash存储器、128B RAM、3个16位定时器/计数器以及丰富的I/O端口。单片机负责：

接收光电传感器的脉冲信号；
计算实际滴速；
控制电机进行吊瓶高度调节；
驱动LCD显示模块；
控制蜂鸣器报警。

其工作时钟由12MHz晶振电路提供，保证系统的稳定运行。

2.2 光电检测模块

光电检测模块用于检测液滴下落的频率，是整个系统的关键部分。该模块一般由红外发射管和光敏接收管组成，当液滴通过检测区时，光路被遮挡，接收端信号发生变化，单片机检测到该变化后产生一个滴落脉冲信号。

主要电路特点：

使用红外发射二极管（940nm）作为光源；
光敏三极管接收信号；
输出信号经施密特触发器整形后输入单片机外部中断端口（INT0）。

通过统计一定时间内的滴落次数，单片机计算出滴速值：
[
滴速（滴/分钟） = \frac{滴落次数}{检测时间（秒）} \times 60
]

2.3 液位检测模块

液位检测采用 电导型液位传感器 或 超声波液位传感器，安装在输液瓶底部或外壁。其作用是判断液面高度是否低于安全阈值。

当液体高度>3cm时，传感器输出高电平；
当液体低于2cm时，输出低电平，单片机触发报警。

液位信号经过比较电路（如LM393）转换为TTL电平后送入单片机P1口进行检测。

2.4 电机控制模块

为了调节滴速，系统通过控制吊瓶高度实现流速的动态调节。电机控制模块包括：

L298N电机驱动芯片：负责控制直流电机的正反转；
限位开关：防止吊瓶超行程；
继电器电路：在特殊状态下可切断电机电源以保护系统。

单片机根据速度偏差的正负决定吊瓶升降方向，通过PWM调节电机转速，确保吊瓶平稳运动。

2.5 显示模块（LCD1602）

LCD1602用于实时显示系统参数，包括：

设定滴速；
实际滴速；
液位状态；
系统报警或运行状态。

LCD模块通过4线或8线并行接口与单片机相连，常用端口为P2口或P0口，RS、RW、E信号线由P3口控制。

显示示例：

设定:120滴/分
当前:118滴/分
液位:正常
状态:运行中

2.6 报警与按键模块

蜂鸣器报警模块

采用有源蜂鸣器，由单片机P3.7控制；
当液位低、滴速为零或超出误差范围时启动蜂鸣。

按键输入模块

包含“设定”、“加”、“减”、“确认”等按键；
通过电阻上拉接至P1口；
用户可通过按键调整设定滴速并确认输入。

2.7 电源模块

系统供电采用5V稳压电源，提供单片机、传感器及显示电路工作电压。电机由独立的12V电源供电，通过L298N驱动。

3. 系统程序设计

程序部分以单片机控制逻辑为核心，包括主程序、传感器采集、滴速计算、PID调速控制、液位检测与报警、显示更新等模块。程序采用模块化结构，便于维护与扩展。

3.1 主程序设计思路

主程序实现以下流程：

系统初始化（定时器、中断、LCD、按键、PWM）；
循环检测滴速信号；
比较实时滴速与设定值；
执行调速逻辑；
检测液位状态；
刷新LCD显示；
触发报警条件。

主程序框架如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "motor.h"
#include "sensor.h"void main()
{System_Init();      // 系统初始化LCD_Init();Timer0_Init();      // 用于滴速计算Motor_Init();while(1){Get_Drip_Speed();       // 获取实时滴速Compare_Speed();        // 与设定值比较Motor_Control();        // 调节电机Level_Check();          // 液位检测Display_Update();       // LCD显示刷新Alarm_Check();          // 报警判断}
}

3.2 滴速检测模块程序

滴速检测通过外部中断INT0获取光电传感器脉冲信号，每检测到一次液滴下落即触发一次中断。

volatile unsigned int drip_count = 0;void EX0_ISR(void) interrupt 0
{drip_count++;   // 每次液滴下落计数+1
}void Get_Drip_Speed()
{static unsigned int last_count = 0;unsigned int diff = drip_count - last_count;last_count = drip_count;current_speed = diff * 60;   // 以1秒为周期计算滴速（滴/分钟）
}

3.3 滴速调节与电机控制模块程序

电机根据当前滴速与设定值的差异执行上升或下降动作。为防止频繁调整，程序加入滞环控制。

#define SPEED_TOLERANCE 10  // ±10%void Compare_Speed()
{if(current_speed > set_speed * 1.1)adjust_flag = 1; // 滴速过快else if(current_speed < set_speed * 0.9)adjust_flag = -1; // 滴速过慢elseadjust_flag = 0;  // 正常范围
}void Motor_Control()
{switch(adjust_flag){case 1: Motor_Up(); break;    // 吊瓶上升case -1: Motor_Down(); break; // 吊瓶下降default: Motor_Stop(); break; // 停止}
}

3.4 液位检测与报警模块程序

液位低或滴速为零时触发蜂鸣器报警，并在LCD上提示警告信息。

void Level_Check()
{if(Liquid_Level_Low())alarm_flag = 1;else if(current_speed == 0)alarm_flag = 2;elsealarm_flag = 0;
}void Alarm_Check()
{switch(alarm_flag){case 1: Beep_On(); LCD_Show("液位低！"); break;case 2: Beep_On(); LCD_Show("滴速为0！"); break;default: Beep_Off(); break;}
}

3.5 LCD显示模块程序

LCD显示当前滴速、设定滴速、液位状态与运行信息。

void Display_Update()
{LCD_SetCursor(0,0);LCD_Printf("设定:%3d滴/分", set_speed);LCD_SetCursor(1,0);LCD_Printf("当前:%3d滴/分", current_speed);
}

3.6 按键输入模块程序

用户通过按键设定滴速。系统设定范围20～160滴/分钟。

void Key_Scan()
{if(KEY_INC == 0) { set_speed += 5; if(set_speed > 160) set_speed = 160; }if(KEY_DEC == 0) { set_speed -= 5; if(set_speed < 20) set_speed = 20; }if(KEY_OK == 0) Save_Setting();
}