基于锁相环技术的液体点滴速度监控系统

　　随着医院管理系统趋向于电子化、网络化，如何利用计算机与现代控制技术提高医疗器械的自动化成为目前主要应用方向之一。传统的输液过程都是由监护人员手动控制液体点滴速度，造成了监护人员和病人的诸多不方便。本系统应用自动化控制技术实现了对液体点滴速度的监控，可根据临床需要任意设置点滴速度，而且在紧急情况下，可以向总控制台发出报警。监护人员也可以通过远程通信，监控病人输液的整个过程，并对液滴速度进行设置等。

　　1 系统组成及工作原理

　　为了保证控制效果和控制精度，本系统采用了闭环控制，主要由单片机、测量转换、键盘显示、串口通信和直流减速电机等部分组成。系统的硬件结构由以下部分组成：传感器部分、信号处理部分、MCU和接口电路等。系统组成框图如图 1 所示。

　　单片机是本监控系统的核心，由它完成监控系统的监控对象选择、点滴速度设定、液位警戒线报警、数据采样及处理、监控内容显示、与上位机数据通信等功能。选用的单片机是 TI公司的 MSP430F148 混合信号控制器，该单片机内部有48kB 闪存，2kB RAM，6 个 8 位双向并行 I/O 口 P1～P6，其中 P1 和 P2 口都具有中断功能(相当于 16 个外部中断)以及 2 个 16位定时器，片内“看门狗”及上电复位电路，12 位200kbit/s 的 A/D 转换器等，由它完成本系统中下位机的全部功能，即信号采样及处理、软件滤波、液位报警、人机接口数据通信等。

　　执行机构通过驱动直流减速电机对点滴流速进行控制。由于单片机输出电流小，不能够直接带动电动机，所以设计了功率放大电路以驱动电动机。当滴速小于设定速度时，电机正转，升高输液瓶高度以提高滴速;当滴速大于设定速度时，电机反转，降低输液瓶高度以减小滴速。

　　1.1 传感器及信号处理电路的设计

　　本系统对液体点滴速度和液位高度的检测采用红外光电式传感器。由于被检测液体为无色透明体，因此易受杂散光干扰，为了提高系统的可靠性和抗干扰性，在对传感器的信号处理中采用了带反馈的二阶有源低通滤波器先对传感器信号进行低通滤波，再利用电压比较器对经过滤波的信号进行放大整形，以进一步提高其抗干扰性，然后将放大整形后的信号送MCU，进行信号处理，传感器及信号处理电路如图 2所示。其中二阶有源低通滤波器由 A1、R、C、R1、Rf组成。

　　于在一般临床应用中，最快滴速不超过每分钟300 滴，即每秒 5 滴，因此可以将低通滤波器的截止频率选在 5～6Hz，具体电路采用带反馈的二阶有源低通滤波电路(如图 2 所示)。滤波器的各参数的计算如下：