液體點(diǎn)滴速度檢測(cè)裝置

 1 引言
    輸液設(shè)備是醫(yī)院必不可少的。而普遍輸液設(shè)備的液滴速度都是病人或醫(yī)生手動(dòng)控制，控制范圍局限且不方便。尤其是無(wú)法自動(dòng)監(jiān)測(cè)輸液瓶?jī)?nèi)的容量，需要有人在旁監(jiān)護(hù)。因此，這里給出一種液體點(diǎn)滴自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)裝置。該系統(tǒng)通過(guò)主站控制從站的輸液速度，且能在液面低于定值時(shí)自動(dòng)報(bào)警。該系統(tǒng)裝置既方便醫(yī)生、護(hù)士照顧病患。又能讓病人安心治療，不必?fù)?dān)心輸液瓶液滴流盡，引起血液倒流。

2 總體方案論證
    該系統(tǒng)是由主站和從站兩部分構(gòu)成。主站由鍵盤與顯示、從站控制、串行通信接口、報(bào)警電路等模塊構(gòu)成。主站通過(guò)RS232總線監(jiān)測(cè)或控制從站輸液液滴滴速，并在輸液液面降到定值時(shí)聲光報(bào)警。而從站由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、紅外對(duì)管滴速監(jiān)測(cè)模塊、壓力測(cè)量及電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊、聲光報(bào)警模塊、鍵盤與顯示模塊等構(gòu)成。從站根據(jù)主站控制調(diào)節(jié)輸液滴速，在主站無(wú)控制信號(hào)時(shí)自主控制輸液滴速，當(dāng)其液面低于定值時(shí)聲光報(bào)警，并可手動(dòng)解除報(bào)警。圖1為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 滴速測(cè)量方案
    采用紅外對(duì)管ST180檢測(cè)是否有液滴落下。將紅外對(duì)管固定在滴管兩側(cè)，發(fā)射管和接收管的光軸在一條直線上，當(dāng)無(wú)液滴滴下時(shí)，接收管能接收到發(fā)射管發(fā)出的大部分光強(qiáng)，輸出高電平；當(dāng)液滴從對(duì)管間滴落時(shí)，紅外光被液滴散射，接收管接收到的光強(qiáng)大大減弱，以致輸出低電平。液滴連續(xù)滴落將產(chǎn)生與液滴頻率相同的電脈沖信號(hào)。該電脈沖信號(hào)通過(guò)比較器和施密特觸發(fā)器整形后得到穩(wěn)定的、與液滴同頻率的方波信號(hào)。為了減小誤差，在對(duì)管處包裹一層黑色膠布，使外界對(duì)紅外對(duì)管傳感器的影響最小。
    由于液滴并不是嚴(yán)格地均勻滴下，不能直接通過(guò)測(cè)量?jī)梢旱沃g的時(shí)間差計(jì)算液滴速度。于是通過(guò)測(cè)量多個(gè)液滴滴下的時(shí)間差以求得液滴速度的平均值，理論上測(cè)量的液滴數(shù)越多，平均速度越準(zhǔn)確，但考慮到測(cè)量時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，綜合考慮后，先以4滴的間隔初測(cè)滴速，根據(jù)該滴速分段設(shè)置測(cè)量間隔。若初測(cè)滴速大于100滴／分，以15滴為間隔；若初測(cè)滴速小于100滴／分、大于60滴／分，以10滴為間隔；若初測(cè)滴速小于60滴／分，以5滴／分為間隔。圖2為紅外對(duì)管電路。

3．2 剩余液體容量測(cè)量
    將輸液瓶懸掛在壓力傳感器下，傳感器將輸液瓶與瓶?jī)?nèi)液體對(duì)其壓力轉(zhuǎn)化為直流電壓輸出。當(dāng)瓶?jī)?nèi)的液體少于定值時(shí)。傳感器輸出的直流電壓相應(yīng)小于定值。單片機(jī)通過(guò)測(cè)量壓力傳感器輸出的電壓判定瓶?jī)?nèi)的液量。
    該壓力傳感器內(nèi)部是一個(gè)橋式電路Ra和Rd為壓敏電阻，輸液瓶的壓力導(dǎo)致Ra變化，橋式電路的輸出微伏級(jí)電壓，采用儀表放大器INA118將傳感器輸出的電壓放大1 000倍。其電路如圖3所示。

    由于壓力傳感器輸出的電壓較小，變化范圍也很小，若用A／D轉(zhuǎn)換器直接讀取該電壓值判斷液面的升降可能存在較大誤差。應(yīng)先采用儀表放大器INA118將電信號(hào)放大1 000倍。再采用一款電壓頻率轉(zhuǎn)換器KA331，將電壓轉(zhuǎn)換為頻率在700 Hz附近的方波信號(hào)，通過(guò)對(duì)方波頻率的測(cè)量間接判斷瓶?jī)?nèi)液體容量。其V／F轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3．3 電機(jī)選擇
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)。這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它將驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度(及步進(jìn)角)。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)也可通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)也分為主站和從站兩大模塊。其中，主站通過(guò)按鍵控制，具有定點(diǎn)和巡回檢測(cè)從站液滴速度，設(shè)定某一從站液滴速度以及檢測(cè)液面高度，在液面低于定值時(shí)自動(dòng)報(bào)警并可手動(dòng)解除報(bào)警。而從站接收主站的控制信號(hào)，向主站發(fā)送液滴速度，或根據(jù)主站設(shè)定的液滴速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液面高度并聲光報(bào)警。從站模塊設(shè)計(jì)的核心是點(diǎn)滴速度控制。輸液瓶最初置在最低處。首先，根據(jù)設(shè)定的液滴速度，估測(cè)輸液瓶高度，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的罔數(shù)后，液滴速度達(dá)到設(shè)定值。之后根據(jù)每次測(cè)得實(shí)際液滴速度與設(shè)定值的差值，細(xì)調(diào)輸液瓶高度，直到實(shí)際值和設(shè)定值間的誤差在允許范嗣內(nèi)嘲。圖5為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)論
    系統(tǒng)能在20~150滴／分范圍內(nèi)控制并測(cè)量點(diǎn)滴速度，最長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間為1分鐘13秒，速度最大誤差不超過(guò)5％。它具有輸液瓶液面過(guò)低報(bào)警功能，從站可手動(dòng)解除報(bào)警。該系統(tǒng)主站具有多達(dá)16個(gè)從站的控制能力，定點(diǎn)和巡回兩種檢測(cè)方式。定點(diǎn)檢測(cè)可檢測(cè)任意一個(gè)從站點(diǎn)滴速度值和設(shè)置點(diǎn)滴速度：巡回檢測(cè)方式最多可同時(shí)顯示16個(gè)從站數(shù)據(jù)。從站可接收主站的點(diǎn)滴速度設(shè)定信息。并可自由選擇是否按照該信息調(diào)整點(diǎn)滴速度。系統(tǒng)性能指標(biāo)很高，且人機(jī)界面友好，具有良好的商業(yè)前景。