基于STM32的智能超声输液瓶液位监测系统

曾研 艾信友 刘露 胡凯旋 范兵兵 申屠蛟龙

摘 要：文章设计了基于STM32的超声输液瓶液位监测系统，STM32接收各传感器采集的数据并处理分析，通过NRF24L01无线射频发射数据到另一个控制终端，实时显示液位并进行报警提示，误差控制在2mm以内，从而实现输液瓶液位的实时监测与智能报警。

关键词：STM32F407；超声液位测量；NRF无线射频

中图分类号：R445.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）11-0021-03

Abstract： In this paper， a liquid level monitoring system for ultrasonic infusion bottle based on STM32 is designed， which receives and processes the data collected by various sensors， transmits data to another control terminal through NRF24L01 wireless radio frequency， displays the liquid level in real time and gives alarm warning. The error is controlled within 2 mm， thus realizing the real-time monitoring and intelligent alarm of the liquid level of the infusion bottle.

Keywords： STM32F407； ultrasonic liquid level measurement； NRF radio frequency

智能医疗是当今的热点，当今门诊每天输液的人流量越来越大，护士很难顾及到每一位患者，造成更换药物信息沟通的延迟，经常出现一些医疗纠纷和矛盾。很难适应当今智能医疗发展的趋势和满足更加人性化的要求。为此，设计出新颖的超声液位测量系统，满足智能医疗的普及和推广。

1 系统概述

该系统以STM32F407为核心，对超声和各传感器采集的数据进行处理分析，通过NRF24L01无线射频发射数据到另一个控制终端，总体设计如图1所示。

2 测量原理

2.1 回波法的使用

超声对固体的穿透性是很强的，同时当超声波在药体、气体之间穿透传播时，会在二者界面处产生反射现象，这时候，咱们可以按照超声波穿越固液、气液两个界面的时间差及其在被测药体中的传布速度，计算出精确的液面位置。

如图2所示，将换能器a置于药瓶底部，发射一束超声波到被测药瓶内，声波传播过程中将在瓶底内与液体的分界面处产生第一回波，传播到被测液体表面时，在液体与上方气体的界面处产生第二回波，回波向下反射由换能器a接收，同时测定声波在两个界面处产生回波的时间差值，已知超声波在液体中的传播速度u，则被测液体的液位为：

2.2 速度校正

温度是影响精度的重要因素，因为在空气中，温度测量误差大约1℃左右，对声速的影响是0.6m/S，20℃，1个标准大气压下声速约为340m/S（表1）。因此可以算出，对测量误差的影响是0.17%，如果温度测量误差3℃，物位测量误差就超过了0.5%的标称范围。而绝大多数生产厂商给出的0.5%的精度范围，一般指的是常温常压下的。环境温度过高和过低，都有可能导致测量精度超过0.5%的情况。所以要对药体的温度进行检测，并对声速进行校正，减少其引起的测量误差，提高测量精度。计算公式为：

V=331.5+0.607T

因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。

3 硬件设计

硬件设计主要分为超声波发射、接收、TFT显示、NRF24L01射频发射电路等。（1）发射电路中，由STM32产生脉冲驱动信号，经发射电路放大产生足够驱动换能器的高压激励脉冲使其发射超声波，同时开启捕获中断回波信号进行判决。（2）接收电路主要对超声反馈回来的信号进行放大处理，借助硬件去除噪声干扰，并且将信号整形后送往STM32进一步处理分析。（3）显示电路主要是通过STM32F407的FSMC接口，实现对TFT-LCD的显示及存储。（4）温度测量电路中采取DS18B20对温度进行实时监测，从而达到速率校正的目标。（5）射频电路对实时数据进行自动发送，采用NRF24L01无线射频模块，通过SPI协议与STM32完成通信。（6）电源电路的作用给整个系统单元供电。

4 软件设计

软件算法主要包括NRF的超声发射；实时的温度修正；无线传输和彩屏显示等。

4.1 超声发射、温度修正部分

4.2 射频发射部分（图4）

4.3 TFT-LCD显示部分（图5）

5 数据处理和误差分析

（1）信号通过接收电路的放大和滤波后，再由STM32的端口开启输入捕获进行上升沿和下降沿不断切换，并通过温度修正公式计算出准确的液位值并打包好通过射频发出，等待下一次的捕获值。（2）超声波的的入射角、反射角、液位表面三者几何位置对测距的影响。本系统由于超声探头摆放的位置问题，当超声探头安装在底部，药体表面不一定是与之平行的，所以其距离行不是药业平面和探头的垂直距离，而是与换能器的距离，所以我们要借助三角形等数学公式对距离算法进行调整和修正，并保证三者存在的位置角度满足公式算法，减少误差。（3）盲区：盲区是指发射完超声波信号结束时，信号存在着衰减震荡，因为超声波在发射的时候，是一个高压脉冲，并且脉冲结束后，换能器会有一个比较长时间的余震，这些信号根据不同的换能器时间会有不同，从几百个uS到几个mS都有可能，因此在这个时间段内，声波的回波信号是没有办法跟发射信号区分的。因此，被测物体在这个范围内，回波和发射波区分不开，也就没有办法测距，上述内容就构成了大家所谓的測量盲区。

经过多次测试，当被测药体温度在常温时，对量程为1000ml以内的药瓶，可以完成精度为2mm之内的误差范围。

6 结束语

医疗电子市场最为关注的五大技术热点是：便携式、信息化、低功耗、低成本、以及安全性。该项目以密闭式容器超声液位测距原理为基础，完全满足技术要求。该项目可以继续完善，比如可以继续提高测量精度和进行滴液速度的监测，并且该项目的经济效益很有潜力，市场推广做好，可以有后续的改进和完善，相信可以得到广大医患朋友的支持和使用。

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