采用红外对管ST180实现液体点滴自动报警系统装置的设计

1 引言

输液设备是医院必不可少的。而普遍输液设备的液滴速度都是病人或医生手动控制，控制范围局限且不方便。尤其是无法自动监测输液瓶内的容量，需要有人在旁监护。因此，这里给出一种液体点滴自动报警系统装置。该系统通过主站控制从站的输液速度，且能在液面低于定值时自动报警。该系统装置既方便医生、护士照顾病患。又能让病人安心治疗，不必担心输液瓶液滴流尽，引起血液倒流。

2 总体方案论证

该系统是由主站和从站两部分构成。主站由键盘与显示、从站控制、串行通信接口、报警电路等模块构成。主站通过RS232总线监测或控制从站输液液滴滴速，并在输液液面降到定值时声光报警。而从站由步进电机及其驱动模块、红外对管滴速监测模块、压力测量及电压频率转换模块、声光报警模块、键盘与显示模块等构成。从站根据主站控制调节输液滴速，在主站无控制信号时自主控制输液滴速，当其液面低于定值时声光报警，并可手动解除报警。图1为系统总体设计框图。

3 系统硬件设计

3．1 滴速测量方案

采用红外对管ST180检测是否有液滴落下。将红外对管固定在滴管两侧，发射管和接收管的光轴在一条直线上，当无液滴滴下时，接收管能接收到发射管发出的大部分光强，输出高电平；当液滴从对管间滴落时，红外光被液滴散射，接收管接收到的光强大大减弱，以致输出低电平。液滴连续滴落将产生与液滴频率相同的电脉冲信号。该电脉冲信号通过比较器和施密特触发器整形后得到稳定的、与液滴同频率的方波信号。为了减小误差，在对管处包裹一层黑色胶布，使外界对红外对管传感器的影响最小。

由于液滴并不是严格地均匀滴下，不能直接通过测量两液滴之间的时间差计算液滴速度。于是通过测量多个液滴滴下的时间差以求得液滴速度的平均值，理论上测量的液滴数越多，平均速度越准确，但考虑到测量时间不能过长，综合考虑后，先以4滴的间隔初测滴速，根据该滴速分段设置测量间隔。若初测滴速大于100滴／分，以15滴为间隔；若初测滴速小于100滴／分、大于60滴／分，以10滴为间隔；若初测滴速小于60滴／分，以5滴／分为间隔。图2为红外对管电路。

3．2 剩余液体容量测量

将输液瓶悬挂在压力传感器下，传感器将输液瓶与瓶内液体对其压力转化为直流电压输出。当瓶内的液体少于定值时。传感器输出的直流电压相应小于定值。单片机通过测量压力传感器输出的电压判定瓶内的液量。

该压力传感器内部是一个桥式电路Ra和Rd为压敏电阻，输液瓶的压力导致Ra变化，桥式电路的输出微伏级电压，采用仪表放大器INA118将传感器输出的电压放大1 000倍。其电路如图3所示。

由于压力传感器输出的电压较小，变化范围也很小，若用A／D转换器直接读取该电压值判断液面的升降可能存在较大误差。应先采用仪表放大器INA118将电信号放大1 000倍。再采用一款电压频率转换器KA331，将电压转换为频率在700 Hz附近的方波信号，通过对方波频率的测量间接判断瓶内液体容量。其V／F转换电路如图4所示。

3．3 电机选择

该系统设计采用步进电机。这是因为步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它将驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度（及步进角）。通过控制脉冲个数控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

4 系统软件设计

该系统软件设计也分为主站和从站两大模块。其中，主站通过按键控制，具有定点和巡回检测从站液滴速度，设定某一从站液滴速度以及检测液面高度，在液面低于定值时自动报警并可手动解除报警。而从站接收主站的控制信号，向主站发送液滴速度，或根据主站设定的液滴速度进行调节，还能实时监测液面高度并声光报警。从站模块设计的核心是点滴速度控制。输液瓶最初置在最低处。首先，根据设定的液滴速度，估测输液瓶高度，使步进电机转动一定的罔数后，液滴速度达到设定值。之后根据每次测得实际液滴速度与设定值的差值，细调输液瓶高度，直到实际值和设定值间的误差在允许范嗣内嘲。图5为系统软件设计流程。

5 系统测试结论

系统能在20~150滴／分范围内控制并测量点滴速度，最长调节时间为1分钟13秒，速度最大误差不超过5％。它具有输液瓶液面过低报警功能，从站可手动解除报警。该系统主站具有多达16个从站的控制能力，定点和巡回两种检测方式。定点检测可检测任意一个从站点滴速度值和设置点滴速度：巡回检测方式最多可同时显示16个从站数据。从站可接收主站的点滴速度设定信息。并可自由选择是否按照该信息调整点滴速度。系统性能指标很高，且人机界面友好，具有良好的商业前景。

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