紅外傳感器的液位測量報警裝置

　引言 

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，21世紀的人們越來(lái)越重視安全問(wèn)題，特別是醫療和醫用安全問(wèn)題，目前，醫院給病人輸液一般采用護士專(zhuān)人值守，或者病人家屬專(zhuān)門(mén)監控。在這種情況下，一旦人工值守監護不到位，就可能導致瓶裝輸液在液體輸完后氣體由輸液管路進(jìn)入人體，既通常所謂氣體栓塞，會(huì )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(gè)問(wèn)題，社會(huì )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?jì)纫后w的重力，進(jìn)而將重力這一物理量轉化為瓶?jì)纫后w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。主要是因為瓶?jì)纫后w一般不是純凈物，密度不好確定；另外瓶?jì)纫后w是否混合均勻也是影響測量的一個(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(xiàn)傳播與折射原理，用紅外探頭照射液面并用相應的接收裝置接收信號，根據接收到的模擬信號來(lái)檢測液面并報警，裝置簡(jiǎn)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(lái)記錄滴數的方法，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，方便護士的拆裝和藥物利用同時(shí)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(wèn)題，既減少了醫護人員的時(shí)間和精力，又保證了患者的生命安全。

　　1 設計原理與方法

　　1.1 設計原理

　　本設計原理主要采用測量下落水滴的滴數來(lái)確定液位的高度及報警。其工作原理如下：通過(guò)輸液器使水一滴滴落下，在輸液管的滴管兩側分別放置紅外發(fā)光二極管和光敏二極管，當有水滴落下時(shí)，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 )在高低電平間轉化，通過(guò)記錄轉化的次數就能確定下落水滴的滴數，從而確定液位及實(shí)現報警功能。 

　　實(shí)驗裝置框圖如圖1所示，電路圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。 

　　1.2 實(shí)驗基本過(guò)程與方法說(shuō)明

　　在制作過(guò)程中，把可樂(lè )瓶裝滿(mǎn)水倒置固定在焦利氏稱(chēng)上，焦利氏稱(chēng)用來(lái)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(xiàn)上，打開(kāi)水滴控制開(kāi)關(guān)使液體落下。當水滴下落時(shí)，將紅外傳感器接收端的電壓信號進(jìn)行放大，通過(guò)比較器輸出高低電平給單片機編程計數，并且通過(guò)液晶顯示屏顯示。當實(shí)驗開(kāi)始時(shí)，利用按鍵設定報警點(diǎn)。當計數器所計的滴數達到報警點(diǎn)時(shí)，報警器報警。

　　61板是陵陽(yáng)大學(xué)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(yáng)科技推出的又一款16位結構的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶(hù)的較少資源的需求以及便于程序調試等功能，SPCE061A里只內嵌32 KB的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSPTM能夠非常容易地、快速地處理復雜的數字信號。因此，與SPCE500A相比，以μ’nSPTM為核心的SPCE061A微控制器是適用于數字語(yǔ)音識別應用領(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(shí)鐘：0.32～49.152 MHz，內置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電壓（對于OP07A最大為25μV），所以OP07在很多應用場(chǎng)合不需要額外的調零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2 nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對于OP07A為300V／mV）的特點(diǎn)，這種低失調、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。 

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

1.3 單片機中的軟件流程

　　單片機中的軟件流程圖如圖5所示。 

　　先進(jìn)行初始化，再通過(guò)按鍵key設置初始值a。判斷信號接收端的電壓如果為高電平，則計數器cout=cout+1，如果為低電平則不加。當計數器的cout等于初始值a時(shí)，中斷報警，然后重新初始化。如果不等于初始值則繼續計數。計數過(guò)程實(shí)時(shí)通過(guò)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(yáng)61板SPCE061A。液晶顯示屏lcd12864（見(jiàn)圖6），焦利式稱(chēng)，5 V穩壓源，電阻，滑動(dòng)變阻器，導線(xiàn)，醫用輸液器，2.5 L可樂(lè )瓶。 

　　紅外發(fā)射接收裝置的實(shí)驗中使用的紅外發(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(xiàn)一定能被其接收裝置所接收。但在實(shí)驗過(guò)程中，紅外發(fā)射與接收裝置不再同一側，因此將GKF 104的紅外發(fā)射頭與接收頭人為地分開(kāi)，并分別正對著(zhù)放置在瓶子的兩側。當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)驗中將紅外發(fā)射二極管接于CR2330（3 V）鈕扣電池正負極上，長(cháng)的引腳為正，短的引腳為負。 

　　光敏二極管的性質(zhì)曲線(xiàn)如圖8所示。 

　　2 數據測量與分析

　　2.1 測試數據

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

　　2.2 數據分析

　　通過(guò)一滴水的體積，可以推算出結果：

　　2.5 L水：

　　2 500／0.05=50 000滴

　　2 L水：

　　2 000／0.05=40 000滴

　　當計數器滴數達到設置的初始滴數時(shí)，報警器開(kāi)始報警。

　　由OP07所組成的比較電路設置的基準電壓是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(shí)間上可能有一段時(shí)間的延時(shí)，造成水滴的計數有一定的誤差，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，導致一滴水的體積沒(méi)有達到平均值0.05 mL，從而導致當水滴的數量達到一定量時(shí)，實(shí)際的體積卻小于理論值，但水滴中的氣泡來(lái)自輸液管，量水滴時(shí)影響不是很大，也是可以忽略不計的。

　　3 結語(yǔ)

　　該裝置的主要設計思想是通過(guò)紅外傳感器針對滴管每個(gè)水滴的下落進(jìn)行電信號采集。實(shí)驗測得，通過(guò)此方法測量出的數據比較準確，誤差很小。同時(shí)該方法思想原理簡(jiǎn)單，直觀(guān)易懂，可以直接測量出瓶子中剩余水的準確數量。該方法僅對水滴進(jìn)行數據采集，不僅消除了由于繁瑣的步驟而帶來(lái)的其他環(huán)節的誤差，而且顯示出的數據幾乎可以做到與實(shí)際同步，沒(méi)有延遲。實(shí)驗中顯示出的是剩余水的體積，很好地實(shí)現了控制報警的設置。

紅外傳感器的液位測量報警裝置