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基于单片机的滴速液位输液报警系统

news 2025/10/25 7:00:58

基于单片机的滴速液位输液报警系统设计

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1. 系统功能概述

本系统的设计目标是开发一款能够实时监测输液速度与液位状态的智能报警系统，确保在医疗环境中及时提示异常情况，提高患者输液安全性。系统基于51单片机作为主控核心，配合液位检测模块、红外滴速传感器、LCD1602液晶显示屏、按键输入电路以及蜂鸣器报警模块，实现输液过程的全程监控与动态提示。

主要功能如下：

参数设置功能：通过按键设置输液速度的上限、下限以及低液位报警阈值，便于不同药液与输液需求的灵活调整。
数据显示功能：LCD1602液晶屏实时显示当前液位、当前滴速、设定上限、设定下限与低液位阈值等信息。
自动检测与报警功能：系统利用红外传感器检测液滴频率，通过单片机计算实际输液速度。当滴速过快、过慢或液位低于设定阈值时，蜂鸣器立即发出报警信号。
人性化交互功能：通过按键控制系统参数的设置、保存与修改，液晶界面提供直观反馈。
高可靠性与稳定性：通过硬件滤波与软件防抖技术，确保传感与报警响应准确、可靠。

该系统能够有效辅助医护人员进行输液监测，避免由于滴速异常或液位过低造成的医疗风险，具有较强的实用性与推广价值。

2. 系统电路设计

系统整体由单片机控制核心、电源模块、液位检测模块、滴速检测模块、按键输入模块、LCD显示模块、蜂鸣器报警模块六大部分构成。以下将分别介绍各个电路模块的设计原理与功能实现。

2.1 单片机控制核心电路

系统采用STC89C52单片机作为主控核心。该芯片基于8051内核，内置8KB程序存储器和丰富的I/O接口，完全满足多模块协同控制的需求。其主要功能包括：

采集液位与滴速传感信号；
处理计算滴速与液位信息；
对比设定阈值进行逻辑判断；
驱动LCD显示与蜂鸣器报警；
读取按键输入，实现参数设置。

系统时钟采用12MHz晶振电路，保证运算与采样精度。电源部分采用5V直流稳压供电，通过电容滤波和去耦电路保证单片机运行稳定。

2.2 液位检测模块

液位检测部分用于判断输液瓶内液体的剩余高度，进而判断是否达到低液位报警条件。可采用电导式或电容式液位检测传感器，将液位变化转换为电压信号输入至单片机的ADC口。

当液体液位下降到预设阈值以下时，检测电压信号发生变化，单片机判断为“低液位状态”，触发报警。电路中可通过运算放大器比较方式实现阈值判定，防止误触发。

2.3 滴速检测模块

滴速检测模块是系统的关键组成部分，用于实时检测液滴的下落频率。采用红外对管传感器实现：红外发射管持续发射光线，当液滴经过时光线被短暂遮挡，接收端信号产生脉冲变化。

信号经比较电路与滤波处理后送入单片机外部中断口INT0，单片机通过记录脉冲时间间隔计算实际滴速。例如：

设单位时间内检测到的液滴数为n；
则滴速（滴/分钟） = n × (60 / 测量周期)。

通过实时测量滴速并与设定上、下限值进行比较，可有效判断输液速度异常。

2.4 按键输入模块

按键部分包括三个独立按键，分别用于上限设置、下限设置、低液位设置。每次按下按键后，LCD显示当前设置项，用户通过短按实现数值增减，长按实现确认保存。

为防止按键抖动，电路中加入10kΩ上拉电阻与0.1μF电容去抖。软件部分采用定时扫描方式识别按键动作，确保系统响应准确。

2.5 LCD1602显示模块

LCD1602用于显示系统运行参数与报警信息。其显示内容包括：

当前液位高度；
当前滴速；
设定上限与下限；
当前报警状态。

LCD与单片机采用4位数据总线连接，节省I/O资源。初始化后通过程序控制光标位置与显示内容更新，确保数据显示直观。

2.6 蜂鸣器报警模块

报警部分采用有源蜂鸣器，由单片机输出控制信号。当检测到异常（如滴速过快、过慢、液位过低）时，单片机立即输出高电平，驱动蜂鸣器发声。

蜂鸣器驱动采用NPN三极管放大电路，防止单片机I/O口过流。软件中设置延时与优先级逻辑，保证多种报警情况有序响应。

3. 程序设计

系统软件采用C语言编写，运行于Keil开发环境中。整体结构采用模块化设计，包括主程序、滴速检测模块、液位检测模块、按键设置模块、LCD显示模块、报警控制模块。各模块之间通过全局变量共享数据，实现高效协同。

3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、循环检测与任务调度。其流程如下：

初始化系统外设（LCD、按键、定时器、中断）；
周期性读取液位与滴速；
计算滴速与液位数值；
比较阈值，判断是否触发报警；
实时更新LCD显示；
响应按键输入并调整设定参数。

主程序框架如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "sensor.h"
#include "key.h"
#include "alarm.h"float flow_speed = 0;
int upper_limit = 80, lower_limit = 30, low_level = 10;void main() {System_Init();LCD_Init();Timer_Init();Interrupt_Init();while(1) {Key_Scan();                       // 按键检测与参数调整flow_speed = Read_Flow_Speed();   // 滴速检测Display_Data(flow_speed);         // 数据显示Check_Alarm(flow_speed);          // 报警判断}
}

3.2 滴速检测模块

滴速检测模块利用外部中断实现脉冲计数。通过计时获取液滴间隔时间，计算滴速：

volatile unsigned int drop_count = 0;
volatile unsigned long time_ms = 0;void Timer0_ISR() interrupt 1 {time_ms++;          // 定时器计时
}void INT0_ISR() interrupt 0 {drop_count++;       // 每检测到液滴一次计数
}float Read_Flow_Speed() {static unsigned int last_count = 0;unsigned int temp = drop_count - last_count;last_count = drop_count;return (temp * 60000.0) / time_ms; // 滴/分钟
}

通过定时采样方式可实时计算滴速，保证系统响应及时。

3.3 液位检测模块

液位检测模块通过ADC采样液位传感器信号，判断液体高度：

unsigned int Read_Liquid_Level() {unsigned int adc_value = ADC_Read(0);   // 模拟通道0unsigned int level = (adc_value * 100) / 1023;  // 百分比形式return level;
}

当液位低于设定阈值时，系统将触发报警。

3.4 按键设置模块

通过按键实现报警阈值的调整：

void Key_Scan() {if(KEY1 == 0) { Delay_ms(20); if(KEY1 == 0) upper_limit += 5; }if(KEY2 == 0) { Delay_ms(20); if(KEY2 == 0) lower_limit -= 5; }if(KEY3 == 0) { Delay_ms(20); if(KEY3 == 0) low_level += 2; }
}

系统通过LCD同步显示设置结果，用户操作直观、简便。

3.5 LCD显示模块

LCD模块用于显示系统状态信息。通过控制指令实现光标定位与数据更新：

void Display_Data(float flow_speed) {LCD_Clear();LCD_SetCursor(0, 0);LCD_Printf("Speed: %.1f dr/min", flow_speed);LCD_SetCursor(1, 0);LCD_Printf("U:%d L:%d Lv:%d", upper_limit, lower_limit, low_level);
}

显示每秒刷新一次，确保数据显示稳定。

3.6 报警控制模块

报警控制模块根据逻辑判断控制蜂鸣器输出：

void Check_Alarm(float flow_speed) {unsigned int level = Read_Liquid_Level();if(flow_speed > upper_limit || flow_speed < lower_limit || level < low_level) {BEEP = 1;   // 报警Delay_ms(200);BEEP = 0;}
}

系统对滴速异常和液位过低进行双重保护，提升安全性。