红外传感器测量液位报警装置的设计

2011年7月1日第34卷第13期

M odern Electro nics T echnique

现代电子技术

Jul. 2011Vo l. 34No. 13

红外传感器测量液位报警装置的设计

袁境男

(北京林业大学理学院, 北京 100083)

摘 要:为了防止病人在无人看护输液的状态下, 因不能及时停止输液给病人带来很大的麻烦甚至生命危险, 根据实际运用的需要采用红外传感器无损无污染探测的方法, 通过大量的实验获得了最佳的数据和制作方案。成功制作出了一种红外输液测量和报警装置的系统, 得到了简单实用的红外传感系统和实验数据以及制作原理, 很好地解决了输液报警的问题。

关键词:红外传感器; 单片机系统; 非接触式探测; 液位测量; 报警

中图分类号:T N911. 7-34 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2011) 13-0130-03

Liquid Level Measurement and Infusion Alarm Device Based on Infrared Sensor Device

Y U A N Jing -nan

(Beiji ng Fo rest ry University, Beijing 100083, China)

Abstract :In order t o solve the air embolism problem in the absence o f car ing fo r the infusion of pat ient s, a liquid lev el measurement and infusion alar m dev ice sy st em based o n infrar ed sensor is desig ned. T he sy stem used no n -dest ruct ive and non -po llut ion detecting metho d o f infrar ed senso r accor ding to the actual requirement, g ained the best data and scheme thr ough a lar ge number o f experiments, and obtained a sim ple and pr actical infr ared sensor system and ex per imenta l number.

Keywords :infrar ed senso r; SCM sy st em; non -co nt act detection; level measurement; a larm

0 引 言

随着社会的发展, 21世纪的人们越来越重视安全问题, 特别是医疗和医用安全问题, 目前, 医院给病人输液一般采用护士专人值守, 或者病人家属专门监控。在这种情况下, 一旦人工值守监护不到位, 就可能导致瓶

装输液在液体输完后气体由输液管路进入人体, 既通常所谓气体栓塞, 会对患者造成严重的身体伤害, 甚至造成死亡。而输液报警装置可以解决这个问题, 社会上输液报警器采用各种各异的原理与制作方法, 主要的测试方法有利用压力传感器测量瓶内液体的重力, 进而将重力这一物理量转化为瓶内液体高度的物理量。这种方法, 思路清晰简单明了, 但是操作困难。主要是因为瓶内液体一般不是纯净物, 密度不好确定; 另外瓶内液体是否混合均匀也是影响测量的一个重要因素, 因此这种方法实际上并不可取。

利用光的直线传播与折射原理, 用红外探头照射液面并用相应的接收装置接收信号, 根据接收到的模拟信号来检测液面并报警, 装置简单, 但由于光的折射、散射、透射导致精度不高; 而利用红外传感器加载在输液管两端来记录滴数的方法, 不仅装置和原理简单, 精度

高, 最重要的是成本低, 且具有便携式, 方便护士的拆装和药物利用同时也不污染药物, 达到非接触式测量, 很好地解决了输液报警的问题, 既减少了医护人员的时间和精力, 又保证了患者的生命安全。1 设计原理与方法1. 1 设计原理

本设计原理主要采用测量下落水滴的滴数来确定液位的高度及报警。其工作原理如下:通过输液器使水一滴滴落下, 在输液管的滴管两侧分别放置红外发光二极管和光敏二极管, 当有水滴落下时, 光敏二极管接收到的光将减少, 从而导致光敏二极管两端的电压增大, 将该电压与电压比较器设定的初始电压进行比较, 电压比较器将会在高低电平间转化, 通过记录转化的次数就能确定下落水滴的滴数, 从而确定液位及实现报警功能。

实验装置框图如图1所示, 电路图如图2所示, 实物图如图3所示。

1. 2 实验基本过程与方法说明

在制作过程中, 把可乐瓶装满水倒置固定在焦利氏称上, 焦利氏称用来固定仪器, 连接上滴管使水滴一滴滴下落。同时使红外发光二极管、光敏二极管及水滴在

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袁境男:红外传感器测量液位报警装置的设计

LS1是8 0. 5W 的喇叭。

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落时, 将红外传感器接收端的电压信号进行放大, 通过比较器输出高低电平给单片机编程计数, 并且通过液晶显示屏显示。当实验开始时, 利用按键设定报警点。当计数器所计的滴数达到报警点时,

报警器报警。

运算放大器是OP07。OP07芯片是一种低噪声, 非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路, 由运算放大器组成的比较电路如图4所示。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A 最大为25 V) , 所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A 为 2nA) 和开环增益高(对于OP07A 为300V/mV) 的特点, 这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

超低偏移:150 V 最大; 低输入偏置电流:1. 8nA; 低失调电压漂移0. 5 V/ ; 超稳定, 时间:2 V /month 最大; 高电源电压范围:-3~-22V, +3~+22V 。

图1

实验装置框图

图2

实验电路图

图4 比较电路电路图

1. 3 单片机中的软件流程

单片机中的软件流程图如图5所示。

图3 装置实物图

61板是陵阳大学计划的16位单片机, 其核心芯片为SPCE061A 。

SPCE061A 是继 nSP 系列产品SPCE500A 等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A 不同的是, 在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能, SPCE061A 里只内嵌32KB 的闪存(FLA SH ) 。较高的处理速度使 nSP TM 能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此, 与SPCE500A 相比, 以 nSP TM 为核心的SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品一种最经济的选择。性能如下:16位 nSP 微处理器; 工作电压(CPU) V DD 为2. 4~3. 6V (I/O) ; CPU 时钟:0. 32~49. 152M H z, 内置2KB SRAM, 32KB FLASH , 可编程音频处理。

4的TM

TM

图5 软件流程图

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2 数据测量与分析

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先进行初始化, 再通过按键key 设置初始值a 。判断信号接收端的电压如果为高电平, 则计数器cout=cout+1, 如果为低电平则不加。当计数器的cout 等于初始值a 时, 中断报警, 然后重新初始化。如果不等于初始值则继续计数。计数过程实时通过液晶板显示。1. 4 制作所用元器件清单

制作所用元器件如下:

光敏二极管GKF104, 红外发射管GKF104, 凌阳61板SPCE061A 。液晶显示屏lcd12864(见图6) , 焦利式称, 5V 稳压源, 电阻, 滑动变阻器, 导线, 医用输液器, 2. 5L 可乐瓶。

红外发射接收装置的实验中使用的红外发射与接收装置是GKF104元件, 实物图如图7所示。该元件是一个集红外发射与接收于一体的元件, 这样就保证了红外发射装置发出的红外线一定能被其接收装置所接收。但在实验过程中, 红外发射与接收装置不再同一侧, 因此将GKF104的红外发射头与接收头人为地分开, 并分别正对着放置在瓶子的两侧。当红外接收装置两端的光减少时, 它两端的电压会增大。实验中将红外发射二极管接于CR2330(3V) 钮扣电池正负极上, 长的引脚为正, 短的引脚为负。

光敏二极管的性质曲线如图8

所示。

2. 1 测试数据

测量一滴水的体积见表1(先测量400滴水的体积, 单位:mL, 然后取平均值) 。

表1 水体积测量

组数体积/mL

119. 87

220. 04

319. 95

419. 90

520. 00

400滴水体积的平均值=

19. 87+20. 04+19. 95+19. 90+20. 00

19. 95m L

5

一滴水的体积= 0. 05mL

400

2. 2 数据分析

通过一滴水的体积, 可以推算出结果:2. 5L 水:

2500/0. 05=50000滴2L 水:

2000/0. 05=40000滴

当计数器滴数达到设置的初始滴数时, 报警器开始报警。

由OP07所组成的比较电路设置的基准电压是4. 0V 。理论上大于4V 时输出为5V 高电平, 小于4V 时输出为0V 。由于运放漏电流的影响, 导致低电平为1. 1V, 高电平为4. 3V 。2. 3 误差分析

电路在时间上可能有一段时间的延时, 造成水滴的计数有一定的误差, 但延时是很巨大的, 所以可以忽略。

图6 传感器和比较电路

下落的水滴中可能有气泡, 导致一滴水的体积没有

图7 显

示屏显示记录过程

达到平均值0. 05mL, 从而导致当水滴的数量达到一定量时, 实际的体积却小于理论值, 但水滴中的气泡来自输液管, 量水滴时影响不是很大, 也是可以忽略不计的。3 结 语

该装置的主要设计思想是通过红外传感器针对滴管每个水滴的下落进行电信号采集。实验测得, 通过此方法测量出的数据比较准确, 误差很小。同时该方法思想原理简单, 直观易懂, 可以直接测量出瓶子中剩余水的准确数量。该方法仅对水滴进行数据采集, 不仅消除了由于繁琐的步骤而带来的其他环节的误差, 而且显示出的数据几乎可以做到与实际同步, 没有延迟。实验中显示出的是剩余水的体积, 很好地实现了控制报警的设置。

(下转第135页)

第13期

王以忠等:用于物流运输过程监测的振动测量系统135

在对振动传感器的三个轴的电压信息进行采集时, 把A/D 转换器的工作方式设置成了自由转换方式, 采用轮询方式分别对X , Y 和Z 轴的电压信息进行采集, 然后进入休眠状态。通过定时计数器设定一个时间, 定时时间到从休眠状态唤醒, 继续采集X , Y, Z 三轴的电压信息。

3 系统实现及实验

本文实现的振动测量系统如图5所示, MM A7260振动传感器实现振动信息采集, 单片机对数据进行A/D 转换和处理。需要指出的是, 在实现的样例系统中加入了RS 232串口, 以将测量数据输到PC 机, 方便系统

调试。

输过程进行监测。介绍了系统的构成、硬件设计和软件流程, 并给出了实现的系统, 以此进行了振动测量实验. 结果表明, 系统运行良好, 能够准确地记录振动参数, 可以广泛地应用在物流运输监测系统中, 作为车辆运输过

程振动监测的一种有效手段。

图6 振动实验数据参 考 文 献

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为了验证本文设计的系统, 在实验室环境下进行了运输振动模拟测试。实验时, 把振动传感器MM A7260固定在玩具小车上面, 晃动小车以产生振动, 同时采集振动传感器输出的数据。部分实验数据如图6所示, 可

以看出, 当小车受到振动时, 传感器能明显地检测到振动的信息。4 结 语

本文研究并设计了一种用于物流运输过程监测的振动测量系统, 以对怕磕碰、易碎物品或危险品等的运

作者简介:王以忠 男, 1963年出生, 天津人, 教授, 博士。主要从事测控技术方面的研究。

(上接第132页)

参 考 文 献

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