基于光电检测技术的输液瓶液位检测设计

孟银阔 赵建华 温博蓉 席令 陈昌 孙泽宇

摘 要：在现有的医疗条件和医疗环境下，一个医护人员往往需要同时照顾和监护多名病人，护理人员的工作量大，且容易出现差错，有必要利用电子设备实时检测输液瓶液位的状况以减轻医护人员的工作负担。本文基于光电检测技术，利用单片机实现了输液瓶液位检测功能，即当输液瓶的液位达到设定的警戒线时，系统即时报警，通知医护人员及时处理。整个系统构成了一个智能输液报警器，具有实时性好、成本低和可靠性高的优点。

关键词：单片机；光电检测；液位

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：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

随着科学技术的不断发展，越来越多的电子和控制技术被应用到了医疗设备中，提升了医疗设备的性能，同时也使医护服务的质量得到了很大程度的提高[1-4]。医疗设备的一个重要的发展趋势是信息化和智能化，通过运用传感器技术、信息处理技术和通信技术可以使医疗设备更加智能，有利于医护人员及时获得医疗数据，同时也可以节省大量的人力资源，提高对病人的治疗效果[4-9]。

输液是一种常用的治疗手段，利用大气的压强和液体静压原理，通过人体的静脉将生理盐水、葡萄糖等药液输入病人体内。输液具有给药迅速、见效快的特点，及时有效的输液能够使病人得到一定程度的治疗，抢救了无数患者的宝贵生命。但是在目前，输液过程大多数还采用的是由人工看护的方式，而人工看护存在各种各样的隐患，由静脉输液引起的医疗事故时有发生。输液过程中遇到的问题主要是在给病人输液时，需要护理人员或病人自己随时观察输液瓶液位的变化，当液位降到下限时要及时通知护士前来处理，这样就增加了看护人员的工作量。有时会出现由于陪护人员看护不到位或者没有家属陪同前来输液，使得病人的药液已经输完，但是护士未能及时赶到处理，结果造成血液回流等情况，给患者的治疗造成了不同程度的影响。因此，在输液过程中有必要对输液瓶的液位进行实时的检测，利用智能化的手段取代人工的职守，减轻人力的消耗并提高对液位检测的准确度，当液位达到警戒线时及時通知医护人员进行后续的处理。

在利用传感技术感知输液瓶的液位方面，目前部分医院虽然也有机械结构和光电配合的液位报警装置，但其体积和结构过大，且和液体的重量存在直接联系，在使用中不太灵活[10-18]。为了在可靠地检测输液瓶液位的同时，减轻检测设备的重量和体积，本文开发了一种利用光信号对输液瓶的液位进行检测的设备。利用光信号检测技术结合单片机的处理技术，可以对病人的输液瓶的液位进行及时的检测和报警，并可以获得其他相关的信息。同时，输液瓶的光信号检测设备体积较小、易于安装和固定，且不需要考虑液体的重量。

1 系统设计

1.1 系统框架

输液瓶的光检测系统的主要组成部分包括：AT89C51单片机最小化系统模块、蜂鸣器驱动模块、按键输入模块、激光发射和光敏接收模块等。该系统的整体组成框图如图1所示。

该系统工作原理：首先，要对输液瓶中的液体设置警戒液位，在警戒液位线的瓶子两侧设置光的发射和接收装置。由于光线水平入射到瓶中的液体时会发生折射，当输液瓶中的液位高于警戒液位时，入射的光线在瓶中液体的路径会向上偏。光线的折射路径见图2。

在实际的系统中，把光接收器件与光发射器件对准在同一水平线上，该水平线可设置得略高于警戒液位面。当输液瓶中的液位高于警戒液位面时，由于入射光在液体中发生折射，光接收器件是接收不到光信号的，而一旦液体的液位面低于警戒线，光线不通过液体，无法产生折射，光线会直接透射到光接收器件上，就使得与光发射器件相对的光接收器件端能够接收到光信号，此时即可判断输液已到警戒线，在单片机的控制下发出报警信号，通知护士前来处理。在本设计中，系统中采用51单片机控制发射和接收光信号，开始输液后即开始对液位进行实时的检测，单片机控制光发射电路间断式地发出光信号，通过接收端对信号进行检测，即判断接收端是否接收到光信号。

如果光检测电路接收到信号，说明光束没有发生折射，液位已经在预设的警戒线以下，表明输液结束，此时单片机发出报警信号报警，同时LED灯闪烁；为方便解除警报，在所设计的系统中设置了停止按键，可以通过此按键来关闭报警或者关闭系统。

1.2 電路设计

系统主要划分为主控电路（单片机AT89C51）、蜂鸣器及其驱动电路、激光发射模块、LED电路、按键输入电路、光敏接收模块，系统仿真电路图。

（1）在本系统中为了实现系统复位，采取电源复位的方式，即在系统通上电源之后通过电容充电直接使单片机工作，单片机的复位通过上电控制；

（2）反相放大器构成了AT89C51单片机的内部振荡器。当单片机外接石英晶体时，电容选20pF左右；20pF左右电容，一般被用在当外接陶瓷振荡器时。在实际制作电路板时，为了最大可能地减少寄生电容，单片机应与晶振和电容在空间位置上距离相近，由此保证振荡器稳定可靠地工作。在本系统中，选择了12MHz石英晶振，电容C2、C3都为20pF。

（3）图3是由51单片机构成的输液瓶液位光电检测系统电路图。

1.3 程序设计

系统软件采用了模块化设计，主要包括按键扫描和处理子函数、蜂鸣器报警子函数、激光的打开发射和接收及处理、毫秒延时子函数和主函数。

系统主程序控制单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框架。系统上电后，对系统进行初始化。初始化程序主要完成对单片机内专用寄存器、定时器工作方式及各端口的工作状态的设定。系统初始化之后，进行定时器中断、外部中断、显示等工作，不同的外部硬件控制不同的子程序。系统的流程如图4所示。

主程序如下：

void main（）

{

time_init（）；//定时器初始化程序

while（1）

{

key（）； //独立按键程序

P0 = smg_du[set_time]； //显示时间

if（hw == 0） //有检测液滴

{

delay_1ms（1）； //消除干扰

if（hw == 0） //有检测液滴

{

miao = 0；

flag_v = 0；

beep = 1； //关闭报警

}

}

if（flag_alarm == 1） //报警

{

if（miao - set_time <= 10） //报警10秒

{

beep = ～beep； //报警

delay_1ms（300）；

}

else

{

beep = 1； //关闭报警

}

}

}

}

2 系统调试及分析

在完成了系统的软硬件设计后，为了提高程序的调试效率，在Keil C51中编制程序并进行调试，在程序中加设一个结束报警按钮，这样的设计使护士能够在接收到液位报警后及时关掉报警器。

为保证该设计的硬件电路能可靠工作，在Proteus中根据实际设计的电路进行了仿真测试，生成一个.HEX文件，并将其加载到仿真的单片机中。

当按下开始点滴按钮之后，激光灯会亮起表示开始输液了。按下液位触发模拟按钮之后，电脑会发出蜂鸣声，仿真成功并把.HEX文件烧录到单片机中。

在对硬件电路进行调试的过程中，发现在自然光和强光下对液位的检测和报警有不一样的效果。在自然光下，当液面低于安全线之后，蜂鸣器马上就会发出报警声。但是在强光下，由于光敏三极管的敏感度太高，会受到外部光线的干扰，且发射的激光存在散射情况，使正常的光线检测无法工作。解决的措施是在光敏三极管周围裹上黑色胶布，对外部的光线进行遮挡，使外部的光干扰大为降低，进而使光的检测能够正常进行。

在实际的实验中，由于透明的塑料瓶和输液瓶的透光性非常相近，因此可用塑料瓶代替输液瓶。液位的安全线是位于瓶盖上的一条线。电路板上亮两盏LED灯，说明光敏三极管未接收到激光发出的光线。此时激光的光线被瓶中的液体折射到上边了，由于没有接收到光信号，蜂鸣器此时不会发出响声。

当输液瓶中的液位面低于安全线时，板上只亮一盏LED灯，光线照射到了光敏三极管上，说明液位已经低于预设的警戒线，蜂鸣器报警。多次实验证明，当液位低于警戒线时，所设计的系统均能可靠地报警，验证了系统能够对输液瓶的液位实施可靠的检测及报警。

3 结 论

本文设计并实现了一种利用光电检测技术对输液瓶的液位进行检测和报警的系统，基于AT89C51单片机，并结合光电检测技术，实现了对输液瓶中液体液位的实时检测，并实现了当输液瓶的液面低于安全线时即时进行报警的功能。利用光电检测技术能够可靠地检测输液瓶的液位，可以有效地降低看护人员的劳动强度，提高医护人员的工作效率，同时也提升了医疗病房信息化和智能化的水平。

该系统的实现验证了光电检测输液瓶液位的可行性，不难想象，该系统必定能够在医疗应用中起到良好的辅助作用。

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