基于紅外傳感器的液位測量報警裝置設(shè)計 - 全文

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　　引言

　　隨著社會的發(fā)展，21世紀的人們越來越重視安全問題，特別是醫(yī)療和醫(yī)用安全問題，目前，醫(yī)院給病人輸液一般采用護士專人值守，或者病人家屬專門監(jiān)控。在這種情況下，一旦人工值守監(jiān)護不到位，就可能導致瓶裝輸液在液體輸完后氣體由輸液管路進入人體，既通常所謂氣體栓塞，會對患者造成嚴重的身體傷害，甚至造成死亡。而輸液報警裝置可以解決這個問題，社會上輸液報警器采用各種各異的原理與制作方法，主要的測試方法有利用壓力傳感器測量瓶內(nèi)液體的重力，進而將重力這一物理量轉(zhuǎn)化為瓶內(nèi)液體高度的物理量。這種方法，思路清晰簡單明了，但是操作困難。主要是因為瓶內(nèi)液體一般不是純凈物，密度不好確定;另外瓶內(nèi)液體是否混合均勻也是影響測量的一個重要因素，因此這種方法實際上并不可取。

　　利用光的直線傳播與折射原理，用紅外探頭照射液面并用相應(yīng)的接收裝置接收信號，根據(jù)接收到的模擬信號來檢測液面并報警，裝置簡單，但由于光的折射、散射、透射導致精度不高;而利用紅外傳感器加載在輸液管兩端來記錄滴數(shù)的方法，不僅裝置和原理簡單，精度高，最重要的是成本低，且具有便攜式，方便護士的拆裝和藥物利用同時也不污染藥物，達到非接觸式測量，很好地解決了輸液報警的問題，既減少了醫(yī)護人員的時間和精力，又保證了患者的生命安全。

　　1 設(shè)計原理與方法

　　1.1 設(shè)計原理

　　本設(shè)計原理主要采用測量下落水滴的滴數(shù)來確定液位的高度及報警。其工作原理如下：通過輸液器使水一滴滴落下，在輸液管的滴管兩側(cè)分別放置紅外發(fā)光二極管和光敏二極管，當有水滴落下時，光敏二極管接收到的光將減少，從而導致光敏二極管兩端的電壓增大，將該電壓與電壓比較器設(shè)定的初始電壓進行比較，電壓比較器將會在高低電平間轉(zhuǎn)化，通過記錄轉(zhuǎn)化的次數(shù)就能確定下落水滴的滴數(shù)，從而確定液位及實現(xiàn)報警功能。

　　實驗裝置框圖如圖1所示，電路圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

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　　1.2 實驗基本過程與方法說明

　　在制作過程中，把可樂瓶裝滿水倒置固定在焦利氏稱上，焦利氏稱用來固定儀器，連接上滴管使水滴一滴滴下落。同時使紅外發(fā)光二極管、光敏二極管及水滴在同一直線上，打開水滴控制開關(guān)使液體落下。當水滴下落時，將紅外傳感器接收端的電壓信號進行放大，通過比較器輸出高低電平給單片機編程計數(shù)，并且通過液晶顯示屏顯示。當實驗開始時，利用按鍵設(shè)定報警點。當計數(shù)器所計的滴數(shù)達到報警點時，報警器報警。

　　61板是陵陽大學計劃的16位單片機，其核心芯片為SPCE061A。

　　SPCE061A是繼μ’nSPTM系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32 KB的閃存(FLASH)。較高的處理速度使μ’nSPTM能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。因此，與SPCE500A相比，以μ’nSPTM為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品一種最經(jīng)濟的選擇。性能如下：16位μ’nSPTM微處理器;工作電壓(CPU)VDD為2.4～3.6 V(I/O);CPU時鐘：0.32～49.152 MHz，內(nèi)置2 KB SRAM，32 KBFLASH，可編程音頻處理。

　　顯示屏為4×8的lcd12864。

　　LS1是8 Ω 0.5 W的喇叭。

　　運算放大器是OP07。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，由運算放大器組成的比較電路如圖4所示。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓(對于OP07A最大為25μV)，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低(OP07A為±2 nA)和開環(huán)增益高(對于OP07A為300V/mV)的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。

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　　超低偏移：150μV最大;低輸入偏置電流：1.8nA;低失調(diào)電壓漂移0.5μV/℃;超穩(wěn)定，時間：2μV/month最大;高電源電壓范圍： -3～-22 V，+3～+22 V。

　　1.3 單片機中的軟件流程

　　單片機中的軟件流程圖如圖5所示。

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　　先進行初始化，再通過按鍵key設(shè)置初始值a。判斷信號接收端的電壓如果為高電平，則計數(shù)器cout=cout+1，如果為低電平則不加。當計數(shù)器的cout等于初始值a時，中斷報警，然后重新初始化。如果不等于初始值則繼續(xù)計數(shù)。計數(shù)過程實時通過液晶板顯示。

　　1.4 制作所用元器件清單

　　制作所用元器件如下：

　　光敏二極管GKF104，紅外發(fā)射管GKF104，凌陽61板SPCE061A。液晶顯示屏lcd12864(見圖6)，焦利式稱，5 V穩(wěn)壓源，電阻，滑動變阻器，導線，醫(yī)用輸液器，2.5 L可樂瓶。

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　　紅外發(fā)射接收裝置的實驗中使用的紅外發(fā)射與接收裝置是GKF104元件，實物圖如圖7所示。該元件是一個集紅外發(fā)射與接收于一體的元件，這樣就保證了紅外發(fā)射裝置發(fā)出的紅外線一定能被其接收裝置所接收。但在實驗過程中，紅外發(fā)射與接收裝置不再同一側(cè)，因此將GKF 104的紅外發(fā)射頭與接收頭人為地分開，并分別正對著放置在瓶子的兩側(cè)。當紅外接收裝置兩端的光減少時，它兩端的電壓會增大。實驗中將紅外發(fā)射二極管接于CR2330(3 V)鈕扣電池正負極上，長的引腳為正，短的引腳為負。

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　　光敏二極管的性質(zhì)曲線如圖8所示。

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　　2 數(shù)據(jù)測量與分析

　　2.1 測試數(shù)據(jù)

　　測量一滴水的體積見表1(先測量400滴水的體積，單位：mL，然后取平均值)。

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　　2.2 數(shù)據(jù)分析

　　通過一滴水的體積，可以推算出結(jié)果：

　　2.5 L水：

　　2 500/0.05=50 000滴

　　2 L水：

　　2 000/0.05=40 000滴

　　當計數(shù)器滴數(shù)達到設(shè)置的初始滴數(shù)時，報警器開始報警。

　　由OP07所組成的比較電路設(shè)置的基準電壓是4.0 V。理論上大于4 V時輸出為5 V高電平，小于4 V時輸出為0 V。由于運放漏電流的影響，導致低電平為1.1 V，高電平為4.3 V。

　　2.3 誤差分析

　　電路在時間上可能有一段時間的延時，造成水滴的計數(shù)有一定的誤差，但延時是很巨大的，所以可以忽略。

　　下落的水滴中可能有氣泡，導致一滴水的體積沒有達到平均值0.05 mL，從而導致當水滴的數(shù)量達到一定量時，實際的體積卻小于理論值，但水滴中的氣泡來自輸液管，量水滴時影響不是很大，也是可以忽略不計的。

　　3 結(jié)語

　　該裝置的主要設(shè)計思想是通過紅外傳感器針對滴管每個水滴的下落進行電信號采集。實驗測得，通過此方法測量出的數(shù)據(jù)比較準確，誤差很小。同時該方法思想原理簡單，直觀易懂，可以直接測量出瓶子中剩余水的準確數(shù)量。該方法僅對水滴進行數(shù)據(jù)采集，不僅消除了由于繁瑣的步驟而帶來的其他環(huán)節(jié)的誤差，而且顯示出的數(shù)據(jù)幾乎可以做到與實際同步，沒有延遲。實驗中顯示出的是剩余水的體積，很好地實現(xiàn)了控制報警的設(shè)置。