基于光電檢測技術的輸液瓶液位檢測設計

孟銀闊 趙建華 溫博蓉 席令 陳昌 孫澤宇

摘 要：在現有的醫療條件和醫療環境下，一個醫護人員往往需要同時照顧和監護多名病人，護理人員的工作量大，且容易出現差錯，有必要利用電子設備實時檢測輸液瓶液位的狀況以減輕醫護人員的工作負擔。本文基于光電檢測技術，利用單片機實現了輸液瓶液位檢測功能，即當輸液瓶的液位達到設定的警戒線時，系統即時報警，通知醫護人員及時處理。整個系統構成了一個智能輸液報警器，具有實時性好、成本低和可靠性高的優點。

關鍵詞：單片機；光電檢測；液位

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0018-04

Using the Photoelectric Detecting Technique to Test Liquid Level of Iinfusion Bottles

MENG Yinkuo，ZHAO Jianhua，WEN Borong，XI Ling，CHEN Chang，SUN Zeyu

（School of Electronic and Information，Shanghai Dianji University，Shanghai 201306，China）

Abstract：Under the existing medical conditions and medical environment，one medical staff should take care of several patients at the same time ，since they should do a lot of works，they might make some mistakes sometime. Therefore，it is necessary that electrical instruments should be used to test the liquid level of infusion bottles，which should decrease the amount of trivial work for medical staffs. In this paper，based on photo-electric detecting technique，we used single-chip computer to test the liquid level of infusion bottles. When the liquid level of infusion bottle declined to the setting warning line，the system should give an alarm，which could be used to notice medical staffs to do something about the patients. The system was designed as a smart infusion warning devices，and was of advantages such as good at real-time，lower cost and high reliability.

Keywords：single chip microcomputer；photoelectric detecting；liquid level

引 言

隨著科學技術的不斷發展，越來越多的電子和控制技術被應用到了醫療設備中，提升了醫療設備的性能，同時也使醫護服務的質量得到了很大程度的提高[1-4]。醫療設備的一個重要的發展趨勢是信息化和智能化，通過運用傳感器技術、信息處理技術和通信技術可以使醫療設備更加智能，有利于醫護人員及時獲得醫療數據，同時也可以節省大量的人力資源，提高對病人的治療效果[4-9]。

輸液是一種常用的治療手段，利用大氣的壓強和液體靜壓原理，通過人體的靜脈將生理鹽水、葡萄糖等藥液輸入病人體內。輸液具有給藥迅速、見效快的特點，及時有效的輸液能夠使病人得到一定程度的治療，搶救了無數患者的寶貴生命。但是在目前，輸液過程大多數還采用的是由人工看護的方式，而人工看護存在各種各樣的隱患，由靜脈輸液引起的醫療事故時有發生。輸液過程中遇到的問題主要是在給病人輸液時，需要護理人員或病人自己隨時觀察輸液瓶液位的變化，當液位降到下限時要及時通知護士前來處理，這樣就增加了看護人員的工作量。有時會出現由于陪護人員看護不到位或者沒有家屬陪同前來輸液，使得病人的藥液已經輸完，但是護士未能及時趕到處理，結果造成血液回流等情況，給患者的治療造成了不同程度的影響。因此，在輸液過程中有必要對輸液瓶的液位進行實時的檢測，利用智能化的手段取代人工的職守，減輕人力的消耗并提高對液位檢測的準確度，當液位達到警戒線時及時通知醫護人員進行后續的處理。

在利用傳感技術感知輸液瓶的液位方面，目前部分醫院雖然也有機械結構和光電配合的液位報警裝置，但其體積和結構過大，且和液體的重量存在直接聯系，在使用中不太靈活[10-18]。為了在可靠地檢測輸液瓶液位的同時，減輕檢測設備的重量和體積，本文開發了一種利用光信號對輸液瓶的液位進行檢測的設備。利用光信號檢測技術結合單片機的處理技術，可以對病人的輸液瓶的液位進行及時的檢測和報警，并可以獲得其他相關的信息。同時，輸液瓶的光信號檢測設備體積較小、易于安裝和固定，且不需要考慮液體的重量。

1 系統設計

1.1 系統框架

輸液瓶的光檢測系統的主要組成部分包括：AT89C51單片機最小化系統模塊、蜂鳴器驅動模塊、按鍵輸入模塊、激光發射和光敏接收模塊等。該系統的整體組成框圖如圖1所示。

該系統工作原理：首先，要對輸液瓶中的液體設置警戒液位，在警戒液位線的瓶子兩側設置光的發射和接收裝置。由于光線水平入射到瓶中的液體時會發生折射，當輸液瓶中的液位高于警戒液位時，入射的光線在瓶中液體的路徑會向上偏。光線的折射路徑見圖2。

在實際的系統中，把光接收器件與光發射器件對準在同一水平線上，該水平線可設置得略高于警戒液位面。當輸液瓶中的液位高于警戒液位面時，由于入射光在液體中發生折射，光接收器件是接收不到光信號的，而一旦液體的液位面低于警戒線，光線不通過液體，無法產生折射，光線會直接透射到光接收器件上，就使得與光發射器件相對的光接收器件端能夠接收到光信號，此時即可判斷輸液已到警戒線，在單片機的控制下發出報警信號，通知護士前來處理。在本設計中，系統中采用51單片機控制發射和接收光信號，開始輸液后即開始對液位進行實時的檢測，單片機控制光發射電路間斷式地發出光信號，通過接收端對信號進行檢測，即判斷接收端是否接收到光信號。

如果光檢測電路接收到信號，說明光束沒有發生折射，液位已經在預設的警戒線以下，表明輸液結束，此時單片機發出報警信號報警，同時LED燈閃爍；為方便解除警報，在所設計的系統中設置了停止按鍵，可以通過此按鍵來關閉報警或者關閉系統。

1.2 電路設計

系統主要劃分為主控電路（單片機AT89C51）、蜂鳴器及其驅動電路、激光發射模塊、LED電路、按鍵輸入電路、光敏接收模塊，系統仿真電路圖。

（1）在本系統中為了實現系統復位，采取電源復位的方式，即在系統通上電源之后通過電容充電直接使單片機工作，單片機的復位通過上電控制；

（2）反相放大器構成了AT89C51單片機的內部振蕩器。當單片機外接石英晶體時，電容選20pF左右；20pF左右電容，一般被用在當外接陶瓷振蕩器時。在實際制作電路板時，為了最大可能地減少寄生電容，單片機應與晶振和電容在空間位置上距離相近，由此保證振蕩器穩定可靠地工作。在本系統中，選擇了12MHz石英晶振，電容C2、C3都為20pF。

（3）圖3是由51單片機構成的輸液瓶液位光電檢測系統電路圖。

1.3 程序設計

系統軟件采用了模塊化設計，主要包括按鍵掃描和處理子函數、蜂鳴器報警子函數、激光的打開發射和接收及處理、毫秒延時子函數和主函數。

系統主程序控制單片機系統按預定的操作方式運行，它是單片機系統程序的框架。系統上電后，對系統進行初始化。初始化程序主要完成對單片機內專用寄存器、定時器工作方式及各端口的工作狀態的設定。系統初始化之后，進行定時器中斷、外部中斷、顯示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。系統的流程如圖4所示。

主程序如下：

void main（）

{

time_init（）；//定時器初始化程序

while（1）

{

key（）； //獨立按鍵程序

P0 = smg_du[set_time]； //顯示時間

if（hw == 0） //有檢測液滴

{

delay_1ms（1）； //消除干擾

if（hw == 0） //有檢測液滴

{

miao = 0；

flag_v = 0；

beep = 1； //關閉報警

}

}

if（flag_alarm == 1） //報警

{

if（miao - set_time <= 10） //報警10秒

{

beep = ～beep； //報警

delay_1ms（300）；

}

else

{

beep = 1； //關閉報警

}

}

}

}

2 系統調試及分析

在完成了系統的軟硬件設計后，為了提高程序的調試效率，在Keil C51中編制程序并進行調試，在程序中加設一個結束報警按鈕，這樣的設計使護士能夠在接收到液位報警后及時關掉報警器。

為保證該設計的硬件電路能可靠工作，在Proteus中根據實際設計的電路進行了仿真測試，生成一個.HEX文件，并將其加載到仿真的單片機中。

當按下開始點滴按鈕之后，激光燈會亮起表示開始輸液了。按下液位觸發模擬按鈕之后，電腦會發出蜂鳴聲，仿真成功并把.HEX文件燒錄到單片機中。

在對硬件電路進行調試的過程中，發現在自然光和強光下對液位的檢測和報警有不一樣的效果。在自然光下，當液面低于安全線之后，蜂鳴器馬上就會發出報警聲。但是在強光下，由于光敏三極管的敏感度太高，會受到外部光線的干擾，且發射的激光存在散射情況，使正常的光線檢測無法工作。解決的措施是在光敏三極管周圍裹上黑色膠布，對外部的光線進行遮擋，使外部的光干擾大為降低，進而使光的檢測能夠正常進行。

在實際的實驗中，由于透明的塑料瓶和輸液瓶的透光性非常相近，因此可用塑料瓶代替輸液瓶。液位的安全線是位于瓶蓋上的一條線。電路板上亮兩盞LED燈，說明光敏三極管未接收到激光發出的光線。此時激光的光線被瓶中的液體折射到上邊了，由于沒有接收到光信號，蜂鳴器此時不會發出響聲。

當輸液瓶中的液位面低于安全線時，板上只亮一盞LED燈，光線照射到了光敏三極管上，說明液位已經低于預設的警戒線，蜂鳴器報警。多次實驗證明，當液位低于警戒線時，所設計的系統均能可靠地報警，驗證了系統能夠對輸液瓶的液位實施可靠的檢測及報警。

3 結 論

本文設計并實現了一種利用光電檢測技術對輸液瓶的液位進行檢測和報警的系統，基于AT89C51單片機，并結合光電檢測技術，實現了對輸液瓶中液體液位的實時檢測，并實現了當輸液瓶的液面低于安全線時即時進行報警的功能。利用光電檢測技術能夠可靠地檢測輸液瓶的液位，可以有效地降低看護人員的勞動強度，提高醫護人員的工作效率，同時也提升了醫療病房信息化和智能化的水平。

該系統的實現驗證了光電檢測輸液瓶液位的可行性，不難想象，該系統必定能夠在醫療應用中起到良好的輔助作用。

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