红外传感器测量液位报警装置的设计

 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同一直线上，打开水滴控制开关使液体落下。当水滴下落时，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。
    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μ’nSPTM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32 KB的闪存(FLASH)。较高的处理速度使μ’nSPTM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μ’nSPTM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μ’nSPTM微处理器；工作电压(CPU)VDD为2．4～3．6 V(I／O)；CPU时钟：0．32～49．152 MHz，内置2 KB SRAM，32 KBFLASH，可编程音频处理。
    显示屏为4×8的lcd12864。
    LS1是8 Ω 0．5 W的喇叭。
    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25μV)，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±2 nA)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：150μV最大；低输入偏置电流：1．8nA；低失调电压漂移0．5μV／℃；超稳定，时间：2μV／month最大；高电源电压范围：  -3～-22 V，+3～+22 V。

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。

    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，5 V稳压源，电阻，滑动变阻器，导线，医用输液器，2．5 L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GKF 104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(3 V)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 数据测量与分析
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)。

2．2 数据分析
    通过一滴水的体积，可以推算出结果：
    2．5 L水：
    2 500／0．05=50 000滴
    2 L水：
    2 000／0．05=40 000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4．0 V。理论上大于4 V时输出为5 V高电平，小于4 V时输出为0 V。由于运放漏电流的影响，导致低电平为1．1 V，高电平为4．3 V。
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。
    下落的水滴中可能有气泡，导致一滴水的体积没有达到平均值0．05 mL，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。