摘要：為了防止病人在無人看護輸液的狀態(tài)下，因不能及時停止輸液給病人帶來很大的麻煩甚至生命危險，根據(jù)實際運用的需要采用紅外傳感器無損無污染探測的方法，通過大量的實驗獲得了最佳的數(shù)據(jù)和制作方案。成功制作出了一種紅外輸液測量和報警裝置的系統(tǒng)，得到了簡單實用的紅外傳感系統(tǒng)和實驗數(shù)據(jù)以及制作原理，很好地解決了輸液報警的問題。
關鍵詞：紅外傳感器；單片機系統(tǒng)；非接觸式探測；液位測量；報警

0 引言
    隨著社會的發(fā)展，21世紀的人們越來越重視安全問題，特別是醫(yī)療和醫(yī)用安全問題，目前，醫(yī)院給病人輸液一般采用護士專人值守，或者病人家屬專門監(jiān)控。在這種情況下，一旦人工值守監(jiān)護不到位，就可能導致瓶裝輸液在液體輸完后氣體由輸液管路進入人體，既通常所謂氣體栓塞，會對患者造成嚴重的身體傷害，甚至造成死亡。而輸液報警裝置可以解決這個問題，社會上輸液報警器采用各種各異的原理與制作方法，主要的測試方法有利用壓力傳感器測量瓶內液體的重力，進而將重力這一物理量轉化為瓶內液體高度的物理量。這種方法，思路清晰簡單明了，但是操作困難。主要是因為瓶內液體一般不是純凈物，密度不好確定；另外瓶內液體是否混合均勻也是影響測量的一個重要因素，因此這種方法實際上并不可取。
    利用光的直線傳播與折射原理，用紅外探頭照射液面并用相應的接收裝置接收信號，根據(jù)接收到的模擬信號來檢測液面并報警，裝置簡單，但由于光的折射、散射、透射導致精度不高；而利用紅外傳感器加載在輸液管兩端來記錄滴數(shù)的方法，不僅裝置和原理簡單，精度高，最重要的是成本低，且具有便攜式，方便護士的拆裝和藥物利用同時也不污染藥物，達到非接觸式測量，很好地解決了輸液報警的問題，既減少了醫(yī)護人員的時間和精力，又保證了患者的生命安全。

1 設計原理與方法
1．1 設計原理
    本設計原理主要采用測量下落水滴的滴數(shù)來確定液位的高度及報警。其工作原理如下：通過輸液器使水一滴滴落下，在輸液管的滴管兩側分別放置紅外發(fā)光二極管和光敏二極管，當有水滴落下時，光敏二極管接收到的光將減少，從而導致光敏二極管兩端的電壓增大，將該電壓與電壓比較器設定的初始電壓進行比較，電壓比較器將會在高低電平間轉化，通過記錄轉化的次數(shù)就能確定下落水滴的滴數(shù)，從而確定液位及實現(xiàn)報警功能。
    實驗裝置框圖如圖1所示，電路圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

1．2 實驗基本過程與方法說明
    在制作過程中，把可樂瓶裝滿水倒置固定在焦利氏稱上，焦利氏稱用來固定儀器，連接上滴管使水滴一滴滴下落。同時使紅外發(fā)光二極管、光敏二極管及水滴在同一直線上，打開水滴控制開關使液體落下。當水滴下落時，將紅外傳感器接收端的電壓信號進行放大，通過比較器輸出高低電平給單片機編程計數(shù)，并且通過液晶顯示屏顯示。當實驗開始時，利用按鍵設定報警點。當計數(shù)器所計的滴數(shù)達到報警點時，報警器報警。
    61板是陵陽大學計劃的16位單片機，其核心芯片為SPCE061A。
    SPCE061A是繼μ’nSPTM系列產品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結構的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調試等功能，SPCE061A里只內嵌32 KB的閃存(FLASH)。較高的處理速度使μ’nSPTM能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。因此，與SPCE500A相比，以μ’nSPTM為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識別應用領域產品一種最經(jīng)濟的選擇。性能如下：16位μ’nSPTM微處理器；工作電壓(CPU)VDD為2．4～3．6 V(I／O)；CPU時鐘：0．32～49．152 MHz，內置2 KB SRAM，32 KBFLASH，可編程音頻處理。
    顯示屏為4×8的lcd12864。
    LS1是8 Ω 0．5 W的喇叭。
    運算放大器是OP07。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，由運算放大器組成的比較電路如圖4所示。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓(對于OP07A最大為25μV)，所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低(OP07A為±2 nA)和開環(huán)增益高(對于OP07A為300V／mV)的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。

    超低偏移：150μV最大；低輸入偏置電流：1．8nA；低失調電壓漂移0．5μV／℃；超穩(wěn)定，時間：2μV／month最大；高電源電壓范圍：  -3～-22 V，+3～+22 V。
1．3 單片機中的軟件流程
    單片機中的軟件流程圖如圖5所示。

    先進行初始化，再通過按鍵key設置初始值a。判斷信號接收端的電壓如果為高電平，則計數(shù)器cout=cout+1，如果為低電平則不加。當計數(shù)器的cout等于初始值a時，中斷報警，然后重新初始化。如果不等于初始值則繼續(xù)計數(shù)。計數(shù)過程實時通過液晶板顯示。
1．4 制作所用元器件清單
    制作所用元器件如下：
    光敏二極管GKF104，紅外發(fā)射管GKF104，凌陽61板SPCE061A。液晶顯示屏lcd12864(見圖6)，焦利式稱，5 V穩(wěn)壓源，電阻，滑動變阻器，導線，醫(yī)用輸液器，2．5 L可樂瓶。

    紅外發(fā)射接收裝置的實驗中使用的紅外發(fā)射與接收裝置是GKF104元件，實物圖如圖7所示。該元件是一個集紅外發(fā)射與接收于一體的元件，這樣就保證了紅外發(fā)射裝置發(fā)出的紅外線一定能被其接收裝置所接收。但在實驗過程中，紅外發(fā)射與接收裝置不再同一側，因此將GKF 104的紅外發(fā)射頭與接收頭人為地分開，并分別正對著放置在瓶子的兩側。當紅外接收裝置兩端的光減少時，它兩端的電壓會增大。實驗中將紅外發(fā)射二極管接于CR2330(3 V)鈕扣電池正負極上，長的引腳為正，短的引腳為負。
    光敏二極管的性質曲線如圖8所示。

2 數(shù)據(jù)測量與分析
2．1 測試數(shù)據(jù)
    測量一滴水的體積見表1(先測量400滴水的體積，單位：mL，然后取平均值)。

2．2 數(shù)據(jù)分析
    通過一滴水的體積，可以推算出結果：
    2．5 L水：
    2 500／0．05=50 000滴
    2 L水：
    2 000／0．05=40 000滴
    當計數(shù)器滴數(shù)達到設置的初始滴數(shù)時，報警器開始報警。
    由OP07所組成的比較電路設置的基準電壓是4．0 V。理論上大于4 V時輸出為5 V高電平，小于4 V時輸出為0 V。由于運放漏電流的影響，導致低電平為1．1 V，高電平為4．3 V。
2．3 誤差分析
    電路在時間上可能有一段時間的延時，造成水滴的計數(shù)有一定的誤差，但延時是很巨大的，所以可以忽略。
    下落的水滴中可能有氣泡，導致一滴水的體積沒有達到平均值0．05 mL，從而導致當水滴的數(shù)量達到一定量時，實際的體積卻小于理論值，但水滴中的氣泡來自輸液管，量水滴時影響不是很大，也是可以忽略不計的。

3 結語
    該裝置的主要設計思想是通過紅外傳感器針對滴管每個水滴的下落進行電信號采集。實驗測得，通過此方法測量出的數(shù)據(jù)比較準確，誤差很小。同時該方法思想原理簡單，直觀易懂，可以直接測量出瓶子中剩余水的準確數(shù)量。該方法僅對水滴進行數(shù)據(jù)采集，不僅消除了由于繁瑣的步驟而帶來的其他環(huán)節(jié)的誤差，而且顯示出的數(shù)據(jù)幾乎可以做到與實際同步，沒有延遲。實驗中顯示出的是剩余水的體積，很好地實現(xiàn)了控制報警的設置。