紅外傳感器測(cè)量液位報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

摘要：為了防止病人在無人看護(hù)輸液的狀態(tài)下，因不能及時(shí)停止輸液給病人帶來很大的麻煩甚至生命危險(xiǎn)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)用的需要采用紅外傳感器無損無污染探測(cè)的方法，通過大量的實(shí)驗(yàn)獲得了最佳的數(shù)據(jù)和制作方案。成功制作出了一種紅外輸液測(cè)量和報(bào)警裝置的系統(tǒng)，得到了簡(jiǎn)單實(shí)用的紅外傳感系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及制作原理，很好地解決了輸液報(bào)警的問題。
關(guān)鍵詞：紅外傳感器；單片機(jī)系統(tǒng)；非接觸式探測(cè)；液位測(cè)量；報(bào)警

0 引言
    隨著社會(huì)的發(fā)展，21世紀(jì)的人們?cè)絹碓街匾暟踩珕栴}，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(hù)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(hù)不到位，就可能導(dǎo)致瓶裝輸液在液體輸完后氣體由輸液管路進(jìn)入人體，既通常所謂氣體栓塞，會(huì)對(duì)患者造成嚴(yán)重的身體傷害，甚至造成死亡。而輸液報(bào)警裝置可以解決這個(gè)問題，社會(huì)上輸液報(bào)警器采用各種各異的原理與制作方法，主要的測(cè)試方法有利用壓力傳感器測(cè)量瓶?jī)?nèi)液體的重力，進(jìn)而將重力這一物理量轉(zhuǎn)化為瓶?jī)?nèi)液體高度的物理量。這種方法，思路清晰簡(jiǎn)單明了，但是操作困難。主要是因?yàn)槠績(jī)?nèi)液體一般不是純凈物，密度不好確定；另外瓶?jī)?nèi)液體是否混合均勻也是影響測(cè)量的一個(gè)重要因素，因此這種方法實(shí)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(hào)，根據(jù)接收到的模擬信號(hào)來檢測(cè)液面并報(bào)警，裝置簡(jiǎn)單，但由于光的折射、散射、透射導(dǎo)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(jiǎn)單，精度高，最重要的是成本低，且具有便攜式，方便護(hù)士的拆裝和藥物利用同時(shí)也不污染藥物，達(dá)到非接觸式測(cè)量，很好地解決了輸液報(bào)警的問題，既減少了醫(yī)護(hù)人員的時(shí)間和精力，又保證了患者的生命安全。

1 設(shè)計(jì)原理與方法
1．1 設(shè)計(jì)原理
    本設(shè)計(jì)原理主要采用測(cè)量下落水滴的滴數(shù)來確定液位的高度及報(bào)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(dāng)有水滴落下時(shí)，光敏二極管接收到的光將減少，從而導(dǎo)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(jìn)行比較，電壓比較器將會(huì)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(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
    實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖1所示，電路圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。

1．2 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dāng)水滴下落時(shí)，將紅外傳感器接收端的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，通過比較器輸出高低電平給單片機(jī)編程計(jì)數(shù)，并且通過液晶顯示屏顯示。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，利用按鍵設(shè)定報(bào)警點(diǎn)。當(dāng)計(jì)數(shù)器所計(jì)的滴數(shù)達(dá)到報(bào)警點(diǎn)時(shí)，報(bào)警器報(bào)警。
    61板是陵陽大學(xué)計(jì)劃的16位單片機(jī)，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(chǔ)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(hào)。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(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品一種最經(jīng)濟(jì)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(shí)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(yùn)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(yùn)算放大器集成電路，由運(yùn)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(duì)于OP07A最大為25μV)，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低(OP07A為±2 nA)和開環(huán)增益高(對(duì)于OP07A為300V／mV)的特點(diǎn)，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(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。

    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(shí)間：2μV／month最大；高電源電壓范圍：  -3～-22 V，+3～+22 V。
1．3 單片機(jī)中的軟件流程
    單片機(jī)中的軟件流程圖如圖5所示。

    先進(jìn)行初始化，再通過按鍵key設(shè)置初始值a。判斷信號(hào)接收端的電壓如果為高電平，則計(jì)數(shù)器cout=cout+1，如果為低電平則不加。當(dāng)計(jì)數(shù)器的cout等于初始值a時(shí)，中斷報(bào)警，然后重新初始化。如果不等于初始值則繼續(xù)計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)過程實(shí)時(shí)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(dòng)變阻器，導(dǎo)線，醫(yī)用輸液器，2．5 L可樂瓶。

    紅外發(fā)射接收裝置的實(shí)驗(yàn)中使用的紅外發(fā)射與接收裝置是GKF104元件，實(shí)物圖如圖7所示。該元件是一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(duì)著放置在瓶子的兩側(cè)。當(dāng)紅外接收裝置兩端的光減少時(shí)，它兩端的電壓會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)中將紅外發(fā)射二極管接于CR2330(3 V)鈕扣電池正負(fù)極上，長(zhǎng)的引腳為正，短的引腳為負(fù)。
    光敏二極管的性質(zhì)曲線如圖8所示。

2 數(shù)據(jù)測(cè)量與分析
2．1 測(cè)試數(shù)據(jù)
    測(cè)量一滴水的體積見表1(先測(cè)量400滴水的體積，單位：mL，然后取平均值)。

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(dāng)計(jì)數(shù)器滴數(shù)達(dá)到設(shè)置的初始滴數(shù)時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警。
    由OP07所組成的比較電路設(shè)置的基準(zhǔn)電壓是4．0 V。理論上大于4 V時(shí)輸出為5 V高電平，小于4 V時(shí)輸出為0 V。由于運(yùn)放漏電流的影響，導(dǎo)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(shí)間上可能有一段時(shí)間的延時(shí)，造成水滴的計(jì)數(shù)有一定的誤差，但延時(shí)是很巨大的，所以可以忽略。
    下落的水滴中可能有氣泡，導(dǎo)致一滴水的體積沒有達(dá)到平均值0．05 mL，從而導(dǎo)致當(dāng)水滴的數(shù)量達(dá)到一定量時(shí)，實(shí)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(shí)影響不是很大，也是可以忽略不計(jì)的。

3 結(jié)語
    該裝置的主要設(shè)計(jì)思想是通過紅外傳感器針對(duì)滴管每個(gè)水滴的下落進(jìn)行電信號(hào)采集。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，通過此方法測(cè)量出的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，誤差很小。同時(shí)該方法思想原理簡(jiǎn)單，直觀易懂，可以直接測(cè)量出瓶子中剩余水的準(zhǔn)確數(shù)量。該方法僅對(duì)水滴進(jìn)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(shí)際同步，沒有延遲。實(shí)驗(yàn)中顯示出的是剩余水的體積，很好地實(shí)現(xiàn)了控制報(bào)警的設(shè)置。