基于差分放大电路的液体点滴监控电路设计

何楠， 胡岳， 童仁丽， 陈晓峰， 殳国华

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240； 2.上海市电力公司 奉贤供电公司，上海 201400)

基于差分放大电路的液体点滴监控电路设计

何楠1， 胡岳1， 童仁丽1， 陈晓峰2， 殳国华1

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240； 2.上海市电力公司 奉贤供电公司，上海 201400)

设计了一种差分电路，实现了对输液点滴的实时监控。电路采用环境光源(自然光和灯光)为信号源，基于上下布置的光敏传感器及差分电路减少干扰，采用四阶有源带通滤波电路有效提取与液滴低落所引发光强变化的脉冲信号，以有效值电压作为比较电压实现检测信号对环境光强的自适应调整，并输出TTL脉冲表征液滴滴落过程。实验证明电路可以准确地监测到液滴滴落现象，便于实现输液状态监测等功能。

液体点滴监控；差分电路；四阶有源带通滤波器；有效值检测；TTL电平信号

0 引 言

静脉输液以稳定持续的药物浓度、快速有效地补充体内所需液体的优点以及操作直接、见效快的特点，已经逐渐成为临床医学中最为常用的治疗手段。然而，在我国由于医护人员不足，工作强度过大，一旦无法及时更换液体，容易引发护理安全隐患，导致医患纠纷[1-2]。目前国内外用于输液监控的方法中，运用最为广泛的是脉冲计数法，利用光电传感技术对液滴进行计数，这种方法不仅可以计算输液速度，也可以用来计算已输液量[3-4]。该方法需使用红外对管作为光电传感器的发射与接收端，系统功耗较大，终端电池需要经常更换。本文设计了一种电路，以环境光源(自然光和灯光)作为光源，采用双传感器探测，基于差分放大技术将液滴滴落产生的光强度变化转变为可计数的电脉冲，可实现低功耗输液监控。

1 系统方案

由于该系统应用于医疗输液系统，需要注意系统不能存在卫生与安全隐患，设计方案中不能与液体有接触[5]，不能影响正常查看点滴滴落状况等。该系统硬件部分设计可以分为信号传感电路，信号处理电路，电压比较电路几大模块。

1.1 信号传感方案

方案一：采用光敏二极管方案。利用光敏二极管反向饱和漏电流随着入射光强的变化将光强信号转变为电信号。此方案采集光强变化信号灵敏度高，但是由于光敏二极管是圆柱形状且具有全方位受光的特点，并不适合在输液器滴斗处使用。

方案二：采用光敏电阻方案。利用光敏电阻阻值随着入射光强的变化将光强信号转变为电信号。此方案电路设计简单，且扁平薄片形状以及单面受光的特点，容易贴合输液器滴斗传感信号。

通过比较，采用方案二，使用光敏电阻分压电路将点滴经过滴斗引起的光强变化转变为电压信号变化。

1.2 信号处理方案

采用差分放大电路方案。系统接收光源为自然光和灯光，两者的干扰光源频率成分复杂，灯光下还有100 Hz的强干扰，差分放大电路可以有效地抑制共模干扰，从而大大减弱干扰信号的影响，再经滤波处理，即可得到有效信号。

1.3 电压比较方案

方案一：采用峰值保持电路方案。此方案电路简单，较为容易确定比较电压，但峰值保持电路实时性较弱，难以处理高速脉冲信号，发生错误的几率也相对较高。

方案二：采用真有效值转换电路(RMS/DC)方案。此方案精度高，实时性好，对点滴速度变化的适应能力强，易于提取比较电压。

通过比较，采用方案二，即采用真有效值转换电路确定比较电压。

综上所述，系统硬件部分总体设计框图如图1所示。

图1 系统框图

2 电路设计

硬件电路整体设计主要分为差分电路的设计、带通滤波器的设计、电压比较电路的设计三大块，使用3.6 V纽扣电池作为电源，经低压差线性稳压器稳压至3.3 V对整个电路进行供电。

2.1 差分电路设计

为了保证并排差分效果更好，设计中将两个光敏电阻上下紧贴放置在输液器滴斗一侧，考虑到试验电路中电压的范围以及单电源供电的形式，采用LM358D运放芯片，设计的传感电路及差分电路如图2所示。

图2 传感及差分电路构成

电路中，取R3=R4=10 kΩ，R7=R8=51 kΩ，经该差分放大电路后，输出电压与输入电压的关系为：

2.2 带通滤波设计

按图2所示的分压传感电路，分别在自然光和灯光下做分压试验，两种情况的信号经FFT处理后归一化(分别除以FFT后最大电压绝对值Vmax)，得到频谱如图3所示。可以看出，目标频率范围在10 Hz～35 Hz。

图3 信号频谱图

设计中采用有源滤波电路，以隔离输入与输出，减少负载对电路的影响，同时可以进行一定放大，能够更好的维持信号传输的稳定性。设计的有源滤波电路如图4所示。

滤波电路的截止频率f0：

可以算出，图4所示二阶滤波电路分别为放大2倍信号的f0=34 Hz的二阶低通滤波电路和f0=10 Hz的二阶高通滤波电路。

考虑到灯光下存在100 Hz的强干扰，拟采用串联形式得到四阶有源带通滤波电路进行滤波。另外，由于采用单电源供电，为了减少波形失真，并且保持一定的直流偏置，因此选择输入信号先进行四阶低通滤波，再进行四阶高通滤波。

2.3 电压比较电路设计

为了提高系统的自适应能力，选用LTC1966真有效值转换器[6]将波形转换为有效值输出，再利用同相比例电路将信号放大1.5倍，作为比较电压。

采用电压比较器LM393，使用单电源供电，将滤波后的信号整形为TTL电平输出，滤波后，信号波形呈现良好的半正弦波形，为了便于送入其他设备的I/O接口，常用电压比较电路，将滤波后的波形整形为TTL电平输出。设计的电压比较电路如图5所示。

图4 有源滤波电路

图5 电压比较电路

经设计和测试，液体点滴监控系统整体电路原理图如图6所示。

3 实验结果

按照图6所示原理图，制作出PCB电路板，将电路板固定在输液器滴斗上，采用4通道示波器显示输出波形。实验分别在自然光和灯光下进行，实验结果显示系统能准确捕捉每一次液滴滴落，并输出一个TTL电平。

图7为灯光下实验输出波形，其中通道2为滤波后的电压信号，通道1为电压真有效值的1.5倍，而通道3为电压比较后的输出脉冲信号。

实验中，对系统硬件电路的性能进行测试，得到以下功能指标：

系统能稳定检测液滴滴落的间隔时间最小为50 ms/滴，即可以测得最大输液速度为1 200 滴/分钟，满足输液最大滴速120 滴/分钟的要求。

图6 系统电路原理图

图7 灯光下实验波形

系统正常工作电流为2.21 mA，使用的3.6 V纽扣电池容量为40 mAh，可连续工作20 h，实现了检测系统的低功耗。

系统输出波形为TTL波形，便于接入单片机处理就算得到输液滴速、输液量等信息。

4 结束语

为了实现对液体点滴的监控，重新研究了输液监控系统硬件电路方案，通过仿真与实际测试，设计了相关硬件电路，并制作了满足要求的电路板。

该硬件电路基于差分放大电路，以环境中的自然光和灯光为光源，并选用真有效值作为比较电压等创新性设计，可以准确的捕捉到液体滴落的现象，输出TTL脉冲。系统具有较强的抗干扰能力，和较低的电路功耗。

[1] 王致杰,孙霞.医用输液监控装置设计[J].教育教学论坛,2012,4(40):175-176.

[2] 刁惠民,詹宪凤,季兵.静脉输液监控系统的研制[J].解放军护理杂志,2009,26(3):73-74.

[3] 陈宇,王玺.基于光电技术智能输液监控系统设计[J].核电子学与探测技术,2009,29(5):1149-1154.

[4] 付蓉,方安安,卢宗武,等.一种基于输液速度与温度实时监控的输液监护仪设计[J].科学技术与工程,2015,15(15):183-188.

[5] 夏淑丽.智能液体点滴监控系统的设计[J].电子技术应用,2011,37(9):57-59.

[6] 王彦朋,任文霞,刘勇.真有效值转换器LTC1966的原理与应用[J].电子设计应用,2003,2(5):91-93.

Hardware Design of IV Drip Monitoring Circuit Based on Differential Amplifier Circuit

He Nan1， Hu Yue1， Tong Renli1， Chen Xiaofeng2， Shu Guohua1

(1.Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China; 2.Fengxian Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201400, China)

A differential circuit is designed to realize real-time monitoring of IV drips. This circuit takes ambient light (natural light and lamplight) as the signal source and uses photosensor and differential amplifier circuit in vertical arrangement to reduce common-mode noise, and then adopts forth-order active band filter circuit to extract effectively the pulse signal that is changing along with the light intensity caused by the droplets. It takes RMS voltage as the comparative voltage to achieve adaptive adjustment of the detected signal against the light intensity and output TTL signals to indicate the droplet process. The experiments prove that this circuit can detect the drip pulse timely and accurately which will facilitate the monitoring of infusion condition.

IV drip monitoring; differential amplifier; forth-order active band filter; RMS detection; TTL signal

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.029

TP272/278;TN702

A

1000-3886(2016)05-0094-03

何楠(1989-)，男，河南郑州人，硕士生，主要研究方向为局部放电检测方面的研究。 胡岳(1978-)，男，湖南湘阴人，高级工程师，博士，从事电力设备状态检测，局部放电全站检测研究。

定稿日期: 2016-01-09