紅外傳感器測量液位報警裝置的設(shè)計

　　引言
　　
　　隨著社會的發(fā)展，21世紀(jì)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(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*進(jìn)入人體，既通常所謂氣體栓塞，會對患者造成嚴(yán)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*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(jìn)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(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，不僅裝置和原理簡單，精度高，zui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也不污染藥物，達(dá)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(hù)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*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，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。
　　
　　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(dāng)水滴下落時，將紅外傳感器接收端的電壓信號進(jìn)行放大，通過比較器輸出高低電平給單片機(jī)編程計數(shù)，并且通過液晶顯示屏顯示。當(dāng)實驗開始時，利用按鍵設(shè)定報警點。當(dāng)計數(shù)器所計的滴數(shù)達(dá)到報警點時，報警器報警。
　　
　　61板是陵陽大學(xué)計劃的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32KB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2．4～3．6V(I／O)；CPU時鐘：0．32～49．152MHz，內(nèi)置2KBSRAM，32KBFLASH，可編程音頻處理。
　　
　　顯示屏為4×8的lcd12864。
　　
　　LS1是8Ω0．5W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(對于OP07Azui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±2nA)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。　　
　　超低偏移：150μVzui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／monthzui大；高電源電壓范圍：-3～-22V，+3～+22V。
　　
　　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。　　
　　*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(dāng)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，5V穩(wěn)壓源，電阻，滑動變阻器，導(dǎo)線，醫(yī)用*，2．5L可樂瓶。　　
　　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GKF104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(dāng)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(3V)鈕扣電池正負(fù)極上，長的引腳為正，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)。　　
　　2．2數(shù)據(jù)分析
　　
　　通過一滴水的體積，可以推算出結(jié)果：
　　
　　2．5L水：
　　
　　2500／0．05=50000滴
　　
　　2L水：
　　
　　2000／0．05=40000滴
　　
　　當(dāng)計數(shù)器滴數(shù)達(dá)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(zhǔn)電壓是4．0V。理論上大于4V時輸出為5V高電平，小于4V時輸出為0V。由于運(yùn)放漏電流的影響，導(dǎo)致低電平為1．1V，高電平為4．3V。
　　
　　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(dǎo)致一滴水的體積沒有達(dá)到平均值0．05mL，從而導(dǎo)致當(dāng)水滴的數(shù)量達(dá)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)確數(shù)量。該方法僅對水滴進(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。