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1、 摘要针对目前医疗过程中存在的问题，研制了此智能液体点滴液位控制电路。本电路由储液液面检测、电机驱动、报警显示几个模块组成，这个电路能安全可靠地在某个从站输液瓶内的药液到达一定量时，自动向主站报警，在主站处显示相应从站号，同时使电机正转或反转，以控制点滴流速。本文介绍了多种用于实现此功能的方案，最终选取了采用红外发射接收对管实现储液液面检测，采用直流电机对滴速夹松紧的控制实现对液滴速度的控制，采用辐射型网络，通过对液面达到警戒值的从站进行编码，译码，显示来实现报警显示部分。此外对电路进行了相应的直流工作点分析，瞬态分析，以更清楚地了解此电路的各项指标。实现了一个由一个主站控制多个从站的有线液体
2、点滴液位控制电路。关键词智能；红外发射接收对管；直流电机 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2课题国内外研究现状21.3 课题的发展趋势41.4 本文主要内容及组织结构4第2章 液体点滴液位控制电路设计62.1 液体点滴液位控制电路工作原理62.2 液体点滴液位控制电路设计62.2.1 储液液面检测电路设计62.2.1.1 储液液面检测电路设计方案介绍62.2.1.2 储液液面检测电路详细设计方案72.2.1.3 液面检测电路72.2.1.4 整形电路72.2.2 点滴速度控制电路设计82.2.2.1 点滴速度控制电路设计方案介绍92.2.2.2 点滴速度控制
3、电路详细设计方案92.2.3 主站、从站通信电路设计102.2.3.1 主站、从站通信电路设计方案介绍102.2.3.2 主站、从站通信电路详细设计方案102.2.3.3 编码部分112.2.3.4 显示部分112.2.3.5 CMOS电路和TTL电路的区别132.3 本章小结14第3章 液体点滴液位控制电路仿真与分析153.1 Multisim仿真环境153.1.1 Multisim的特点173.1.2 Multisim仿真实验在实验教学中的优势183.2 液体点滴液位控制电路仿真193.3 电机驱动电路仿真193.4 报警显示模块仿真203.5 本章小结21第4章 液体点滴液位控制电路分析
4、224.1 电路分析224.1.1 各种分析介绍224.1.1.1 直流工作点的分析224.1.1.2 瞬态分析224.1.1.3 交流分析224.1.1.4 扫描分析234.2 部分电路直流工作点分析234.2.1储液液面检测模块直流工作点分析234.2.2 报警显示模块直流工作点分析244.3 部分电路瞬态分析244.3.1 电机驱动电路瞬态分析244.4 部分电路直流扫描分析254.4.1储液液面检测模块直流扫描分析254.5 本章小结26结论2参考文献3致谢4附录15附录26III章及标题 第1章 绪论1.1 课题背景静脉输液是临床中一种普遍使用的治疗手段，通过大规模的调查得知，目前，
5、几乎所有的医院都没有采用输液监控系统，而是采用非常传统的靠人工控制的输液方法。医院对点滴输液装置的控制方法是：将液体容器挂在架子上由护士通过软管夹对胶管口径的压紧或放松来控制滴速。科学技术的飞速进步，推动了临床医学的巨大发展和新型技术的广泛应用，这就对医院信息化、自动化的宏伟建设提出了新的要求。尤其是在医疗监护领域，提出了多元化、信息化、个性化的医疗监护新需求。现代科技的进步和发展，为医学监护技术提供了创新的条件和新的发展空间，然而医疗监护技术和设备的发展仍然不能满足医院、病人、家庭和人身健康等各方面所提出的要求。静脉输液速度会直接对药物作用的发挥造成影响，如果速度不当可能会导致不良反应，严重
6、的甚至会危及生命安全。目前我国的大、中、小型医院及下属社区卫生院、诊所等医疗机构进行输液注射时，大都采用传统的人工监护手动控制的方法，其输液速度是护士通过调节输液器上的手动滑轮来控制。用人工控制和监视的输液速度和输液量是一个不精确的值，有经验的医护人员可以根据药剂的特性对滴速进行控制，而一般的病人却无法做到，做的不好还会有一定的危险性。输液过快，将可能会导致中毒，更严重时则会导致水肿和心力衰竭；而输液过慢则有可能发生药量不够或者无谓地延长输液时间，使治疗受到影响并给患者和医护人员的工作增加不必要的负担，医护人员必须不定时地进行巡视，浪费了人力资源，而且病人或家属在输液过程中必须注意观察输液量及
7、剩余药量，给病人和家属精神上带来了紧张和疲劳感。尤其是在对危重病人进行治疗时，需要长时间的输液，常常在夜间也不能间断，这样，护理人员就得不到休息，由于看护者的疲劳，很容易出现一些异常的情况，比如管路堵塞、滴速异常及输液完毕无提示等，很可能不能及时发现，而造成医疗事故。输液速度的快慢受药物效果的性质、病人的年龄、机体耐受力、病情等因素的影响，而且在输液过程中输液的速度也必须随患者体位、肢体血液循环以及药物的粘稠度等情况来变化。临床上应根据药物和患者情况的不同配以适当的输液速度。糖尿病人、癌症病人、心脑血管病人的治疗都需要使药物以恒定的速度灌注，通过调节输入的速度和时间将药物均匀持续地注入，以达到
8、最佳药用效果，也使药物的副作用降到最低。而常规的临床静脉输液，普遍采用高位悬挂方式，即依靠重力原理进行输液，并且整个输液过程中，护理人员是凭观察和经验对滴速进行手动调节，这种方法控速不精确，常因输液速度过快致患者出现不适甚至输液反应，或速度太慢而影响治疗效果同时，对于需要输血的病人，由于血液非常容易凝固，输血时很容易阻塞输液管。要保证血流速度大于某一值，才能让血液顺利输出。而传统的靠人工控制的静脉输液不能对各种数据进行自动和直观的统计、查询和分析，缺乏一个功能强大的人机交互界面，不能适应信息化，科技化的新要求。 另外，不管是输液还是输血，普通输液器对输液完毕和输液过程中偶然出现的故障，如气泡、
9、阻塞等都不能自动报警，也不能及时地切断输液通路，以避免血液倒流或其他严重后果。此外，在传统的临床静脉输液方式中，医护人员必须到病床前去操作控制，增加了医护人员临床的次数，增加了医护人员受感染的几率。输液泵虽然能够按照要求精确控制给药的速度和剂量，是解决输液速度的一种有效的方法，但输液泵的机器成本和耗材成本太高，只适用于急救和重症的情况，难于普及推广，因而不能满足广大医护人员和患者的需要。基于上述原因需要用一种智能型输液监控仪来控制药液的输送，并能进行异常报警。智能型输液监控仪的应用有助于减轻护理人员工作强度，提高输液的安全性、准确性和工作效率，提高护理水平。1.2课题国内外研究现状静脉输液是一
10、种最常用的临床治疗方法，是护理专业的一项常用给药治疗技术。它以给药快、刺激性小、疗效快等优势，在抢救病人的生命过程中发挥着越来越积极的作用。国外对智能型输液装置的研制较早，如日本、美国和德国等国家在上个世纪80年代末就进行了智能型输液装置的研制，现在市场上流行的大多是国外的产品，类型多种多样，性能也比较好，如日本JMS株式会社的OT-601型输液泵(控制精度为10%)和SP-500型注射泵，美国、德国、以色列等国家也有性能较好的产品。早在几年前，发达国家的每个病床就都配备了输液泵，而我国只是在一些大医院才配备了一些输液泵，且均为进口品牌，价格在两万元左右，比较昂贵，这使一些中小医院望尘莫及。国
11、内对输液装置的研制起步较晚，大都在90年代中期才开始研究，市场上也有一些国产的输液装置，如北京科力丰高科技发展有限责任公司的ZNB系列产品，深圳康福特公司也有输液装置产品。现在比较常见的是MJY-01型和MJY-01A型便携式输液监控器。MJY-01型的特点是超小体积，超低功耗，超轻，操作方便（一键操作），功能强大。它是卡装在输液管上的。在实时监控输液过程中输液管内药液液位，当输液完毕时电子夹紧装置自动关闭液体，避免回血；输液完毕后电子夹紧装置自动定时，使滴壶内剩余液体下滴数滴流过输液针头，避免针头凝血，护士可不必立即更换液体；它采用绿色环保聚合物锂电池。在输液量不大于500瓶（袋）液体的情况
12、下每3个月充电一次。闲置情况下最长一年充电一次。MJY-02A型的特点是体积小，功耗低，安装方便。它最主要的特点是每台中继器可管理最多250台输液监控器。中继器与射频网络管理机之间可实现（可视）400米通信，中继器与监控器之间可实现（可视）100米通信，能适应大医院的需求，射频网络中继器具体配备数量依照现场通讯条件确定。且大屏幕LED显示器显示各床位的输液监控器的工作状态，同时显示6个输液完毕的床位号和输液完毕的时间，显示数据能自动更新。目前国内尚未完全解决输液时的自动监控问题，在已有的有关专利中，其原理均为光电、机电、红外、重力等类型，在灵敏度、准确率、药液适用范围、操作方法以及生产成本、外
13、观尺寸、重量等方面存在诸多问题，所以至今无一能成功推向市场。输液自动监控仪应具有网络化、自动化管理功能，并且可以进行通信、报警和远程控制。1.3 课题的发展趋势随着科学技术的不断发展创新，数字化、信息化技术对各行各业的渗透，旧岗位结构的变化以及新兴岗位的出现，医院的管理系统趋向于电子化、网络化、智能化，如何利用计算机与现代控制技术相结合来提高医疗器械的自动化已成为目前主要的应用方向之一。我国是世界上人口最多的国家，同时也是拥有医院最多的国家，具有庞大的消费群体，近几年来，由于政府的大力支持，我国医疗器械行业发展十分迅速。医疗器械行业是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励发展的行业。按照原国家经
14、济贸易委员会制定的医疗器械行业“十五”发展规划，到2010年，我国医疗器械总产值将会达到1000亿元，在世界医疗器械市场上的份额将会占到5；到2050年这一份额将达到25，从而成为世界一流的医疗器械制造强国。这种智能型输液装置的市场还不够成熟，应用还不够广泛，在技术上还存在着许多有待解决的问题。在实际运用中需要考虑到设备的成本，环境中的干扰如可见光干扰、液体中的气泡干扰,抖动干扰,主、从机同时通信发生死机等一系列的问题。按照目前的情况来看，我国需要一种智能型输液速度监控系统，采用光电检测技术和单片机技术，能够实现对输液滴速的控制和液位低于设定值时的报警，达到多床位、远距离、集中分时显示各床位输
15、液状况及自动报警的目的，且控制精确、性能稳定、操作简单，能减轻医护人员的劳动强度，减少医疗事故的发生，以满足医院和社会的需求。1.4 本文主要内容及组织结构本文共分为4章，各章的安排如下：第1章：系统分析临床静脉输液过程中可能出现的问题，对国内外输液监控系统和嵌入式系统的发展现状进行论述，分析现有监控系统存在的一些缺陷。 第2章：阐述系统总体设计，介绍实现液体点滴液位控制电路的具体方案，将控制电路划分为储液液面检测模块，主站、从站模块，点滴速度控制模块，对各个模块的实现方案进行讨论并决定最终实行方案。第3章：这一章是本文的核心，实现液体点滴液位控制电路的具体电路设计，并对所设计的储液液面检测模
16、块，报警显示模块，电机驱动模块电路进行仿真。第4章：对第3章所得的电路进行深层次的分析，通过直流分析，瞬态分析，使电路的性能更加完善可靠。 第2章 液体点滴液位控制电路设计2.1 液体点滴液位控制电路工作原理2.2 液体点滴液位控制电路设计根据毕业设计题目要求，液体点滴液位控制电路可以划分为以上几个基本模块，对各个模块的实现，有以下一些不同的设计方案：2.2.1 储液液面检测电路设计2.2.1.1 储液液面检测电路设计方案介绍方案一：采用超声波脉冲回波方法测液位。测出超声波脉冲从发射声波到接受所需的时间，根据超声波的声音速度及其发射传感器与液面之间的距离计算而得到液位高度。由于短距离内超声波存
17、在盲区影响精度，且超声波检测装置安装复杂，不太适合用于液体点滴液位控制电路系统。方案二：使用拉力传感器间接测量。将拉力传感器接在滑轮和储液瓶之间，利用液面高度变化和拉力变化之间的线性关系进行间接测量。但是拉力传感器价格贵，从实用性角度考虑，在设计系统中不合适。方案二：采用金属电极检测储液瓶液面信号。利用药液的导电特性实现液滴速度及储液瓶液面信号的检测，通常电极采用不锈钢等耐腐蚀材料制成。电极接触控制方式原理简单，易于实现，可靠性强，但会导致药品污染，危及患者安全。方案三：使用红外发射接收对管对液面进行监测。当红外发射接收对管的光源与接收器在同一介质时，红外发射接收对管导通，两端电压呈低电平。当
18、液面降至光源与接收器中间时，产生全反射现象，此时接收器无法收到光源发射出的光线，使红外发射接收对管无法导通，两端电压呈高电平，触发报警系统发出报警信号。利用上述光在不同媒质界面的折射或反射原理，通过红外发射接收对管接收光信号实现液面检测功能。此外，红外发射接收对管安装方便，只需将其固定在储液瓶外瓶壁上即可，不需要详细计算储液瓶液面高度值，简化了外围电路结构。综合比较上面三种方案，由于红外光波长比可见光长，受可见光的影响较小，且红外系统具有尺寸小、重量轻、易于安装等优点，因此使用红外发射接收对管测量储液瓶液面高度是最理想的选择。2.2.1.2 储液液面检测电路详细设计方案储液液面检测电路是液体点
19、滴液位控制电路的重要组成部分，能否正确检验到液面变化是整个液体点滴液位控制电路性能和可靠性的主要参考标准。储液液面检测电路采用光电传感器获取点滴速度信号和液面报警信号，经过比较、滤波、整形后输出。2.2.1.3 液面检测电路将红外发射接收对管固定在墨菲氏管（俗称滴壶）的两侧，红外发光二极管发出红外光，光线透过墨菲氏管照射到光电三极管，光电三极管将接收到的光信号转换成电信号输出。当输液管有液滴通过时，光电三极管送出的液滴信号为高电平，当输液管没有液滴通过时，光电三极管输出低电平。储液的液面的高度为23cm后，会由红外对管发射接收产生检测信号，即为报警信号。2.2.1.4 整形电路由于红外光在空气
20、及水中的吸收系数不同，从而通过空气和水后接收到的光强也不同。为使输出的波形更加规则，需要对红外发射接收对管输出的信号进行整形。方案一：采用电压比较器LM339实现整形将红外发射接收对管输出的信号接入电压比较器LM339的同向输入端，其反向输入端经电阻分压后于电压源相连。此电路的原理是当电压比较器LM339的同向输入端与反向输入端的电压相差超过10mV时，电压比较器便能检测到这种差别，输出高电平；当同向输入端于反向输入端的电压相差低于10mV时，电压比较器认为两输入端的输入电压相同，输出低电平。使用这个方案的难点在于如何找到能产生合适分压的反向输入端的电阻。经过反复试验，在模拟储液液位到达警戒线
21、和未到警戒线的情况中，适合某一情况的电阻在另外一种情况下效果并不理想。方案二：采用施密特触发器40106实现整形将红外发射接收对管输出的波形接施密特触发器40106整形后输出。施密特触发器40106直接对输入信号进行整形，不需要设计外围电路。经比较，整形电路采用实现简单的施密特触发器40106。最终确定的储液液面检测电路设计如下： 图2-1 储液液面检测电路2.2.2 点滴速度控制电路设计根据设计要求，当液面降低到警戒值时，从站自动向主站报警，同时利用电机降低点滴速度。可供使用的滴速控制方法有对滴速夹松紧的控制和对点滴瓶高度的控制等。2.2.2.1 点滴速度控制电路设计方案介绍方案一：点滴瓶高
22、度的控制通过改变储液瓶瓶的高度来调节点滴的速度。由直流电机带动储液瓶使储液瓶上升或下降以改变地都到受液瓶的高度，从而调节点滴速度。此方案思路简单，但步进电机驱动电路复杂，点滴速度受高度限制，操作困难且危险，加之系统对点滴速度精度要求不高，因此不宜采用此方法。方案二：对滴速夹松紧的控制对滴速夹松紧的控制就是通过对滴速夹松紧的调节，改变塑料点滴管的形状以控制液体的流速。当液面降到警戒值时，控制直流电机正转或反转，然后带动偏心轮压紧输液软管，将输液软管卡住，降低水滴的流速。综合比较上面两种方案，通过控制滴速夹松紧来控制点滴速度的方法较通过控制点滴瓶高度来控制点滴速度的方法更简单、实用。2.2.2.2
23、 点滴速度控制电路详细设计方案由于直流伺服电机，所需电流、电压比较大，因此采用全桥驱动电路，全桥驱动电路驱动电压为24V。当Q5的基极电压为高电平，Q8的基极电压为低电平时，Q1、Q3管导通，Q2、Q4管截止，电机正转；当Q6的基极电压为高电平，Q7的基极电压为低电平时，Q4、Q2管导通，Q1、Q3管截止，电机反转。如图2-2所示： 图2-2 电机驱动电路由于其他模块电路电压为5V，而电机驱动电压为24V，因此将电机驱动电路与其他电路隔离开。 2.2.3 主站、从站通信电路设计按照设计要求，主站应能够显示发出报警的从站号，并可手动解除报警状态。因此本系统数据传输量不大，通信线路应尽量简单。直接
24、采用有线连接。2.2.3.1 主站、从站通信电路设计方案介绍有线连接可以有以下两种方式：方案一：辐射型网络为了使分散在各处的从机的信息能够简单、及时、可靠地传送到主机处，最简单的办法是每一个从机都向主机链接一条传输线，这样可以使各个从机同主机之间的通讯使用不同的数据线而互不干扰。可靠性、实用性较好。方案二：总线型网络使用同一根数据总线，各个从机“挂”在总线上。需要向主机传递信息的从机处于发送或接受状态，不需要信息传递的从机则保持侦听状态，等待主机的消息。这种总线型的网络拓扑结构最大的优点是连接线少，整个网络构成只需要很少的几根总线。而它最大的缺点则是如果多个从机一起发送请求时会造成数据丢失。综
25、合比较上面两种方案，辐射型网络是较理想的选择。2.2.3.2 主站、从站通信电路详细设计方案主站、从站通信电路是液体点滴液位控制电路的核心部分，根据液面检测部分送入的信号显示需要换液和拔针的病床号，做出的报警，并驱动电机正转或反转来夹紧滴速夹，以卡住水滴的流速，是液体点滴液位控制电路的最主要目的。主站、从站通信电路部分可以由编码部分和显示部分组成：按照题目要求，需要对16个病床进行监控。主站（护士台）收到从站（病床）发来的报警信号后，能声光报警，并显示相应的从站（病床）号。因此，需要先对16个病床编码，将2位十进制数编码成为4位二进制数；之后再通过数码显示管显示相应正确的选中的病床号。2.2.
26、3.3 编码部分编码显示部分选择采用两片8线3线优先编码器芯片74LS148级联而成。8线3线优先编码器芯片74LS148所有管脚均为低电平有效。该芯片由输入端D07选通07线，输出端A0A2输出对应的3位二进制数。使能端包括EI、EO、GS端：EI为选通输入端，只有当EI=0时，芯片才能正常工作；EO为选通输出端，当EO=0且EI=0时，电路能工作，但是无编码输入；GS为扩展端，当GS=0时，电路正常工作，且有编码输入。在EI=0电路正常工作状态下，允许D0D7当中同时有几个输入端为低电平，即有编码输入信号，但D7的优先权最高，D0的优先权最低。某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入
27、端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。两片级联： 由于每片74HC148只有8个编码输入，所以需要将16个输入信号分别接到两片上。按照优先顺序的要求，只有高八位均无信号输入时，才允许对第八位的输入信号编码。因此，可以将高八位芯片的EO作为低八位芯片的选通输入信号。两片8线3线优先编码器芯片74LS148级联之后，可以将015的2位十进制数编码为00001111的4位二进制数。但是这样不符合将116的2位十进制数编码为二进制数的要求。因此需要在芯片输出端接一个加法器芯片74283N，将输出的数加1，这样才能得到116的十进制数对应的正确的二进制数。2.2.3.4 显示部分选用LED
28、数码管显示，常见的LED数码管有共阴极和共阳极两种，这里选用共阴极LED数码管显示，LED数码管驱动芯片选择7段译码锁存驱动芯片4511BP。7段译码锁存驱动芯片有4个输入端，7个输出端。4个输入端为低电平有效，7个输出端高电平有效，与LED数码显示管的a、b、c、d、e、f、g相对应。当输出端为高电平时，点亮LED数码显示管上对应的发光二极管，显示出对应的符号。使能端包括BI、LT、LE端；BI为消隐输入端，当BI=0时，数码管熄灭；LT为测试输入端，不管4个输入端A、B、C、D状态如何，七段二极管均发亮；LE为锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出，当LE=1时，译码器处于锁定保持状态，译
29、码器输出被保持在LE=0时的数值。在7段译码锁存驱动芯片4511BP和LED数码显示管之间，需要接保护电阻，以确保7段译码锁存驱动芯片4511BP输出的电流不会过大，烧坏LED数码显示管。当只有一片8线3线优先编码器芯片74LS148作为输入时，经过加法器芯片74283N加1，可在数码显示管上显示出18的数。当两片8线3线优先编码器芯片74LS148级联作为输入时，经过加法器芯片74283N加1后，超过9的数不能在LED数码管上正确显示出来。这是因为8线3线优先编码器芯片74LS148此时编码后输出的4位二进制数的低三位不是对应2位十进制数的个位的编码。要使LED数码显示管显示正确的数，需要在
30、编码器芯片和加法器芯片之间加入适当的门电路。此时将2位十进制数的十位，也就是编码后4位二进制数的最高位接一片LED数码显示管，编码器芯片被选通为2位十进制数后，此LED数码显示管显示为1.将编码后的4位二进制数另外输出，其中最高位经非门后接入加法器芯片的A4端，次高位和第二位经异或非门后接入加法器芯片的A3端，第二位经非门后接入加法器芯片的A2端，最低位直接接入加法器芯片的A1端。将输入的A1A4与B1B4的数0001相加，将相加后输出的C4与低电平相与后输出给7段译码锁存驱动芯片的DD端，其余的C1C3对应7段译码锁存驱动芯片的DADC端。选通级联的8线3线优先编码器芯片74LS148，使其
31、输入为2位十进制的数，能正确显示。若选通输入的数为1位十进制数，如果按照上述选通端经门电路处理，则不能显示出正确的数。因此，将需要显示的个位数单独接一片数码显示管，需要显示2位十进制数的接另外两片LED数码显示管；当选通输入的数为1位十进制数时，此LED数码管显示，且控制另外两片LED数码显示管不工作；当选通输入的数为2位十进制数时，则反之。2.2.3.5 CMOS电路和TTL电路的区别数字电路通常分为双极型（TTL管）和场效应管型（MOS管）两类。TTL：Transistor-Transistor Logic,即逻辑门电路，CMOS: Complementary Metal Oxide Se
32、miconductor 指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路。都可以用于数字集成电路。TTL电路是电流控制器件，而CMOS电路是电压控制器件，TTL电路的速度快，功耗大。COMS电路的速度慢功耗低。COMS的逻辑电平范围比较大（515V），而TTL只能在5V下工作。 在电路中常遇到TTL电路和CMOS电路混合使用的情况，由于这些电路相互之间的电源电压和输入、输出电平及负载能力等参数不同，因此他们之间的连接必须通过电平转换或电流转换电路，使前级器件的输出的逻辑电平满足后级器件对输入电平的要求，并不得对器件造成损坏。逻辑器件的接口电路主要应注意电平匹配和输出能力
33、两个问题，并与器件的电源电压结合起来考虑。TTL到CMOS的连接。用TTL电路去驱动CMOS电路时，由于CMOS电路是电压驱动器件，所需电流小，因此电流驱动能力不会有问题，主要是电压驱动能力问题，TT L电路输出高电平的最小值为24V，而CMOS电路的输入高电平一般高于35V，这就使二者的逻辑电平不能兼容。为此可采用在TTL的输出端与电源之间接一个电阻R（上拉电阻）可将TTL的电平提高到35V以上。CMOS到TTL的连接。CMOS电路输出逻辑电平与TTL电路的输入电平可以兼容，但CMOS电路的驱动电流较小，不能够直接驱动TTL电路。为此可采用CMOSTTL专用接口电路，如CMOS缓冲器CC40
34、49等，经缓冲器之后的高电平输出电流能满足TTL电路的要求，低电平输出电流可达4mA。实现CMOS电路与TTL电路的连接。在此部分电路设计过程中，一开始遇到过编码，译码，显示电路的逻辑没有错误，但是却不能正确显示输入的数字，这是因为某些选用CMOS的元件电平过低，不足以驱动后续的TTL元件（例如4V的74HC283不能驱动5V的CD4511BP）。如果是在TTL和CMOS元件之间加入上拉电阻或缓冲器，则会让电路变得更加复杂，不利于电路的实际实现。介于以上所述各种原因，在液体点滴液位控制电路设计中，均采用TTL电路。2.3 本章小结本章给出了液体点滴液位控制电路的系统框图；还介绍了可用于液体点滴
35、液位控制电路设计的方法以及详细的设计电路。最后确定下来用于构成液体点滴液位控制电路的方案是：采用红外发射接收对管实现储液液面检测；采用辐射型网络进行从站与主站之间的有线通信；采用直流电机带动偏心轮压紧输液软管的方法控制滴速。用于构成液体点滴液位控制电路的电路是：储液液面检测电路由红外发射接收对管和有整形作用的施密特触发器40106组成；直流电机驱动采用H型全桥驱动电路；有线连接的辐射型主站与从站由编码部分和显示部分组成，其中编码部分选用级联的两片8线3线优先编码器芯片74LS148和加法器芯片74283N组成，显示部分选用7段译码锁存驱动芯片4511BP和数码显示管组成。 第3章 液体点滴液位
36、控制电路仿真与分析3.1 Multisim仿真环境计算机辅助电路分析与设计（Computer Aided Circuit Analysis and Design, CAA和CAD）以及电子设计自动化（Electronic Design Automation, EDA）是近年来在计算机技术、模拟理论和应用数学等基础上迅速发展起来的一门新技术，它不但是计算机应用的重要发展，而且也给电路分析与设计带来了新的生命力，使得电路分析与设计走向了一个更高的层次。目前对复杂电路的分析和设计，尤其是大规模和超大规模集成电路的分析与设计，几乎都离不开计算机辅助设计技术。传统的电路设计方法一般仅仅适合于中小规模的电
37、路分析设计。传统的电路设计过程是：首先根据实际需要提出电路的技术指标，然后根据理论计算（同时借助经验）初步完成设计方案的比较和最终方案的确定，同时确定相关元件的参数，最后将电路模型简化，并对电路进行检验。检验的方法一般可以分为物理模拟法和解析法两种。物理模拟法是用实际的元件组成一个实验电路，通过实验的方法对原定的技术指标进行检验，如果实验得出的性能参数与原定的技术指标不符（或偏差超过允许范围），则必须重新设计（改变元件参数或电路结构）直到满足要求为止。由此可以看出，该设计方法在实际中设计周期长而且效率很低。解析法是利用数学的方法进行数学模拟（电路性能参数的精确计算），事实上由于计算过程的复杂性
38、和实际电路元件分布参数等原因的影响，这种方法也仅仅适合于中小规模的电路分析设计，最后也必须通过实验检验。在现代电子设计领域，随着电子技术的飞速发展，无论是电路设计、系统设计还是芯片的设计，由于电子设备（系统）的复杂程度不断增加，电路的规模越来越大，仅仅依靠传统的手工设计方法已经无法满足设计要求，这样就必须采用电路的CAD（或EDA）技术。CAA和CAD技术的应用从根本上改变了电路的设计方式，它利用现代计算机技术设计产品，设计周期短，设计质量高，在加速电子产品的更新换代方面起了非常重要的作用。其中CAA是整个电路的重要环节，即CAA是CAD的基础和前提。CAA是在给定电路结构和元件参数的条件下，
39、通过相关软件计算电路的性能指标。而CAD是在给定电路结构功能和性能指标参数的条件下，通过相关软件计算电路中各个元件的最佳参数值。用CAA对电路性能进行分析的一般步骤是：1、用等效电路代替实际电路，建立电路模型，并用数学表达式来精确描述。2、根据具体电路，编制程序建立方程与求解，要选择程序结构清晰、计算简便的算法。3、选择合适的方式输入和输出结果。在现代电子设计领域，计算机辅助设计技术不但应用广泛，而且发展迅猛，设计技术正从CAD向电子设计自动化（EDA）发展。EDA是一门将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子学科，是在CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAT（计算机
40、辅助测试）和CAE（计算机辅助工程）技术基础上发展来的。现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统仿真和综合能力，主要应用领域是数字系统的自动化设计。随着计算机技术的迅速发展，计算机辅助设计技术(CAD)已渗透到电子线路设计的各个领域，包括电路图生成、逻辑模拟、电路分析、优化设计、最坏情况分析、印刷板设计等。目前国际上比较流行的是Multisim。Multisim软件是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具， M
41、ultisim 是一个完整的集成化设计环境，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。人们可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB
42、设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim极大地提高了人们的学习热情和积极性,真正的做到了变被动学习为主动学习这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器技术对教员的教学也是一个很好的提高和促进。 3.1.1 Multisim的特点直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。丰富的元器件
43、库：Multisim大大扩充了EWB的元器件库， 包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件，且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型，还可通过公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。丰富的测试仪器： 除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外，Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是：所有仪器均可多台同时调用。完备的分析手段：除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析
44、、温度扫描分析、极点零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外，Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等，基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。强大的仿真能力：Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真，也可进行数模混合仿真，尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因，仿真结果可随时储存和打印。3.1.2 Multisim仿真实验在实验教学中的优势高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源：电子仿真实验软件内的虚拟仪器不仅品种齐全，而且技术指标高，随时可以拖放到工作区使用，并
45、能实时显示有关数据和波形。弥补了实验经费不足的缺憾：传统的电子技术实验需要有仪器设备和元器件的支持，有些实验仪器耗资大，仪器操作技术要求较高，在教育经费不足的情况下，有些学校所能开出的实验项目和数量受到限制。特别是近年来一些学校扩大招生规模，而实验基础设施跟不上，仿真电子实验弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。另外，仿真实验不涉及仪器折旧和更新换代，通过软件升级就能保持实验的先进性。一些需要价格昂贵的仪器而无法开展的实验，通过仿真就能够容易实现。扩展了学生的实践空间和实验内容：仿真实验可作为学生实验前的预习和课后分析总结，也可作为学生创造性思维的检验平台。只要有Multisim软件和一台计算
46、机就能进行电子技术仿真实验，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，并根据自己的兴趣爱好，选择一些传统实验较少涉及的实验内容，如用运算放大器实现回转器、负阻抗变换器等，这部分内容的实现原理在近代教科书中早有论述，用传统方法进行实验比较繁琐，采用Multisim电子工作平台则容易分析它们的性能。因此，电子仿真实验满足了不同层次学生的需要，从而大大扩展了实践空间和实验范围。有利于学生开展探索性研究性实验：传统的电子技术实验教学，任课老师在课前把仪器设备及元器件准备好，学生照讲义的实验步骤按部就班的进行，这就不可避免地把学生置
47、于被动地位，他们很少有机会按自己的思维开展设计性实验。近年来，新的教育理念强调教学要以学生为主体，要注重培养学生的创新思维。许多院校大幅度压缩验证性实验的比例，增加设计性实验的内容，但在实际运作过程中，往往因仪器和元器件不足而存在着很大的局限性。仿真电子实验使学生进行研究性和探索性实验成为可能。3.2 液体点滴液位控制电路仿真由红外发射接收对管和施密特触发器40106组成，红外发射接收对管起到形成波形的作用，而施密特触发器40106则是对波形进行整形。为方便模仿实际情况，在红外发射接收对管的上方放置一个开关。如图2-1所示。当储液瓶液面低于警戒值，红外对管不导通，电路中没有电流通过，整形电路输出低电平信号，当储液瓶液面高于警戒值，红外对管导通，电路中有电流通过，整形电路输出高电平信号；假设开关闭合时表示储液瓶液面高于警戒值，开关打开时表示储液瓶液面低于警戒值，用键盘上的按键A控制此开关。将施密特触发器输出端接一个示波器，按下仿真按钮。一开始让开关闭合，表示储液瓶液面高于警戒值，可以看到示波器输出为高电平信号，按一下键盘上的A键，发现示波器输出立即跳变为低电平信号。具体输出波形如图3-1所示。
