基于单片机的智能点滴输液速度与液位控制系统设计

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. 系统功能概述

本系统是一种基于单片机的智能点滴输液速度与液位控制系统，旨在解决传统医疗点滴过程中存在的人工监护强度大、调节不精确、报警不及时等问题。通过引入光电检测技术、单片机自动控制技术和机电执行机构，本系统能够实现对点滴速度和液位的实时监测、自动调节及安全报警，有效提高输液过程的安全性与自动化水平。

系统以 STC89C52 单片机 作为核心控制器，通过外接光电传感器监测输液速度，利用液位传感器检测液体剩余高度，并根据检测结果控制步进电机驱动机构自动调整吊瓶高度，从而实现点滴速度的闭环控制。同时，系统配备 LCD1602 液晶显示屏 实时显示当前速度、设定速度、液位高度及运行状态，并通过蜂鸣器进行异常报警提示。

主要功能如下：

1. 点滴速度检测与调节：系统使用光电传感器实时检测输液速度，并与设定速度进行比较，通过步进电机自动调节吊瓶高度，使点滴速度保持在设定范围内（误差±10%）。
2. 智能液位监测：当液位低于2~3厘米时，自动触发声响报警，提醒医护人员更换药液瓶。
3. 自动异常报警：当液体停止滴落或速度异常波动时，系统立即发出声光报警，防止输液中断造成风险。
4. LCD实时显示：LCD1602 显示屏用于实时显示设定速度、实际速度、液位高度及系统运行状态，方便医护人员观察与调整。
5. 安全保护与稳定控制：自动调节时间不超过3分钟，确保机械动作稳定可靠，避免频繁调节造成的机械损耗。

通过本系统，医护人员无需持续盯守点滴过程，大大减少劳动强度，同时提高输液的安全性与智能化水平。

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2. 系统电路设计

整个系统以单片机为核心控制模块，各传感器、电机驱动模块、报警电路与显示模块共同构成完整的自动控制体系。系统电路由以下几个部分组成：

2.1 单片机主控模块

主控芯片选用 STC89C52RC 单片机，其内部集成 8KB Flash 存储器、256B RAM、三个定时器和多个中断源，具有丰富的I/O接口资源，可满足多路信号采集与控制的需求。

单片机的主要任务包括：

• 接收光电传感器和液位传感器信号；
• 进行速度与液位计算；
• 实现PID调节算法控制步进电机；
• 驱动LCD1602进行数据显示；
• 控制蜂鸣器报警。

系统供电采用5V直流电源，使用7805稳压芯片进行稳压，保证控制电路的可靠性。

2.2 光电传感器检测模块

该模块用于检测输液速度，是系统的关键环节。传感器安装在输液器漏斗外部，通过检测液滴的遮光与透光变化实现点滴次数计数。

• 当液滴通过光电传感器的检测区域时，红外光被液滴遮挡，光敏三极管接收到的光强下降，输出一个脉冲信号；
• 单片机通过定时器计数单位时间内的脉冲个数，从而计算出每分钟滴速。

光电传感器具有非接触、灵敏度高、响应快的特点，能够适应不同的环境光照条件，保证检测的准确性。

2.3 步进电机与电机驱动模块

系统采用步进电机实现吊瓶高度的自动调节。步进电机通过螺杆机构带动吊瓶升降，进而影响液体重力势能，调整点滴速度。

步进电机由 ULN2003 驱动芯片控制，单片机输出脉冲信号控制电机的步进方向与速度。

• 当点滴速度低于设定值时，电机带动吊瓶上升；
• 当点滴速度过快时，电机带动吊瓶下降；
• 当点滴速度稳定时，电机保持静止。

系统采用PID控制算法，通过调整比例系数、积分系数和微分系数，实现平稳调节，避免速度过冲与振荡。

2.4 液位检测模块

液位检测采用电容式或光电式液位传感器，用于检测吊瓶内剩余液体的高度。当液位低于设定阈值（约2~3厘米）时，单片机立即触发蜂鸣器报警。

该模块可通过简单的电压比较电路输出高低电平信号，由单片机进行判断。

2.5 蜂鸣器报警模块

报警模块采用有源蜂鸣器。当检测到液位过低、液体停止滴落或系统运行异常时，单片机输出高电平信号驱动蜂鸣器发出连续报警声，同时可闪烁LED灯提示。

该模块设计简单，响应及时，是系统的重要安全保障单元。

2.6 显示模块

显示部分采用 LCD1602 液晶显示器，用于显示当前点滴速度、设定速度、液位高度及运行状态。LCD1602 通过4位数据接口与单片机相连，显示内容清晰、实时更新。

显示格式如下：

Speed: 90 drop/min  
Level: 3.5 cm  
Set: 100 drop/min
Status: Adjusting

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3. 程序设计

程序设计是整个系统的核心逻辑所在。系统采用模块化编程思想，包括主程序、光电检测模块、速度计算模块、PID控制模块、液位检测模块、报警模块及显示模块。

3.1 主程序流程

主程序负责系统初始化、数据采集、逻辑判断及输出控制。程序运行流程如下：

1. 初始化系统模块（定时器、LCD、传感器、I/O口等）；
2. 周期性采集光电传感器与液位传感器数据；
3. 调用速度计算函数获取当前滴速；
4. 比较当前速度与设定速度差异，调用PID控制函数调整吊瓶高度；
5. 检查液位与异常状态，触发报警；
6. 实时更新LCD显示内容。

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "sensor.h"
#include "motor.h"
#include "pid.h"

void main() {
    system_init();
    lcd_init();
    pid_init(1.2, 0.05, 0.8);
    while(1) {
        current_speed = get_drop_speed();
        liquid_level = get_liquid_level();
        control_signal = pid_compute(set_speed, current_speed);
        motor_adjust(control_signal);
        check_alarm(current_speed, liquid_level);
        display_status(current_speed, set_speed, liquid_level);
        delay_ms(500);
    }
}

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3.2 光电传感器检测与速度计算程序

光电传感器检测到液滴通过时会产生脉冲信号，单片机使用定时器中断计数单位时间内的脉冲数量，从而计算出点滴速度。

unsigned int count = 0;

void sensor_interrupt() interrupt 0 {
    count++;
}

unsigned int get_drop_speed() {
    unsigned int drops;
    drops = count * 60;  // 一秒钟计数转换为每分钟滴速
    count = 0;
    return drops;
}

系统还会根据历史数据计算平均速度，用于平滑滤波，避免单次检测误差。

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3.3 PID 控制程序

PID控制是本系统的核心算法，用于根据速度偏差自动调节电机动作。

float Kp=1.2, Ki=0.05, Kd=0.8;
float error, last_error, integral;
float pid_compute(float setpoint, float actual) {
    error = setpoint - actual;
    integral += error;
    float derivative = error - last_error;
    float output = Kp*error + Ki*integral + Kd*derivative;
    last_error = error;
    return output;
}

输出结果用于调整电机的转向与步数，控制吊瓶升降，实现自动稳定调节。

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3.4 电机控制程序

步进电机由单片机发出脉冲信号控制，每个脉冲对应电机转动一个步距角。

void motor_adjust(float control_signal) {
    if(control_signal > 5) {
        motor_up();
    } else if(control_signal < -5) {
        motor_down();
    } else {
        motor_stop();
    }
}

为防止频繁调节造成振荡，系统设有最小动作阈值，只有当偏差持续一定时间后才执行调整。

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3.5 液位检测与报警程序

液位检测信号为数字输入，当检测到低液位或液滴停止时，系统立即报警。

void check_alarm(unsigned int speed, float level) {
    if(level < 2.0) {
        buzzer_on();
    } else if(speed == 0) {
        buzzer_on();
    } else {
        buzzer_off();
    }
}

报警程序中设有防抖动与延时机制，避免短暂波动误触发。

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3.6 显示模块程序

LCD1602用于实时显示系统运行参数，更新频率为0.5秒。

void display_status(unsigned int speed, unsigned int set_speed, float level) {
    lcd_set_cursor(0,0);
    lcd_printf("Speed:%3d drop/m", speed);
    lcd_set_cursor(0,1);
    lcd_printf("Set:%3d Lv:%1.1fcm", set_speed, level);
}

该模块通过简洁的界面为医护人员提供直观的运行信息。

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4. 系统总结

本系统以单片机为核心，通过光电传感器、液位传感器和步进电机组成闭环控制系统，实现了点滴速度的自动调节 与液位安全监测。系统具备以下优点：

1. 高智能化：能自动检测与调节点滴速度，无需人工频繁操作。
2. 高精度控制：采用PID算法，速度误差控制在±10%以内。
3. 高安全性：液位低或滴落停止自动报警，防止输液事故。
4. 可视化显示：LCD实时显示状态，信息一目了然。
5. 可扩展性强：系统可进一步接入无线通信模块，实现远程监控。

通过本系统的实现，输液监护过程从人工模式转变为智能控制模式，显著提升医疗效率与安全性，为医院及家庭输液设备的智能化升级提供了重要参考与技术基础。