摘 要： 常见的医疗输液管只能进行人工调度速度,速度调度不精确,不易操控,有时速度过快还会对患者构成 不良反应,而且常因疏忽大意发生血液回流现象,作为医疗进程,医务人员也需求对输液进程进行监控, 为此研讨点滴速度操控器就显得十分必要。现在商场上的点滴速度操控产品首要是输液泵,此种设备 操控精度高,功用强大,适用于高要求场合,但价格较贵,而且运用前后都要进行清洗,不太便利。针对以 上情况本文规划了一种便利有用、低本钱的点滴速度测控体系。 本体系的特色：主动检测输液液位，并能将各床位液位和输液速度信号传送至护办室，在护办室对 多个病房各个床位的输液情况进行巡回检测和显现。当液位低于设定下限值，输液速度过高或过低， 在护办室和相应床位处宣布声光报警，提示护理人员及时处理，选用一种变介电常数型电容式液位 传感器。经过对不同宽度电极下传感器电容与对应液位的剖析，发现液位处于输液瓶上部圆柱段时 电容与液位高度之间有很好的线性联系，而在下部出现非线性;传感器活络度随电极宽度的增加而近 似线性前进。一起发现传感器活络度与液位下降速度相关。然后树立了传感器数学模型，剖析影响 传感器活络度的要素和机理。 本设备硬件部分为电容式传感器，其结构简略，习惯性强，固有频率高，动态呼应时刻短，软件部 分用单片机完结，完结多路信号收集处理、参数设置、反常报警和报警撤销，总线通讯等。 关键词：静脉输液，液位检测，电容式传感器，电极，极化

　　目 录 第 1 章 序言……………………………………………………………… 1 1.1 导言……………………………………………………………… 1 1.2 国内外点滴输液监控体系的研讨现状………………………… 1 1.3 课题意图和含义………………………………………………… 2 1.4 规划摘要 第 2 章 规划要求和详细目标要求 2.1 使命要求 2.2 首要技能目标 第 3 章 规划计划比较与证明 …………………………………………… 3

　　3.1 液体点滴检测计划 ……………………………………………… 4 3.2 速度丈量计划 …………………………………………………… 4 3.3 滴速检测的软件规划办法……………………………………… 5 3.4 戒备液面检测计划·…………………………………………… 5 3.5 键盘计划………………………………………………………… 6 3.6 显现计划的挑选………………………………………………… 6 3.7 液体点滴速度操控计划………………………………………… 6 3.8 电机的挑选……………………………………………………… 7 第 4 章 体系电路规划…………………………………………………… 8 4.1 单片机最小运用体系规划……………………………………… 8 4.2 键盘显现电路…………………………………………………… 9 4.2.1 键盘作业原理………………………………………………… 10 4.2.2 七段 LED 数码显现器………………………………………… 11 4.3 数据收集电路规划……………………………………………… 11 4.3.1 滴速检测电路…………………………………………………… 11 4.3.2 液位检测电路 ………………………………………………… 14 4.4 驱动操控电路……………………………………………………… 15 4.4.1 步进电机的单片机操控………………………………………… 15 4.4.2 步进电机的驱动………………………………………………… 16 4.5 报警部分规划与完结……………………………………………… 17 4.6 电源电路的规划…………………………………………………… 17 4.7 部分元器件阐明…………………………………………………… 18 3.7.1 AT89S51 引脚阐明……………………………………………… 18 4.7.2 集成电压比较器 LM324 20 4.7.3 移位寄存器 74164···· 21 ···· 第 4 章 体系软件规划······ 22 ····· 4.1 主操控模块······· 22 ······· 4.2 滴速检测程序规划· 23 · 4.3 液位检测和报警程序规划··· 24 ·· 4.4 键处理子程序的规划与完结· 25 4.5 显现子程序······· 26 ······· 4.6 步进电机操控点滴速度程序· 27 第 5 章 体系的调试及成果·· 29 · 5.1 体系调试环境····· 29 ····· 5.2 硬件调试·· 30 · 5.2.1 单片机体系电路调试· 30 · 5.2.2 数据收集电路的调试· 30 · 5.2.3 键盘显现电路调试··· 30 ··· 5.3 软件调试·· 31 · 5.4 调试及测验仪器··· 31 ··· 定论······ 32 ····· 称谢······ 33 ····· 参阅文献·· 34 · 附录 1 液体点滴速度监控器整体程序 35

　　第1章 绪 论 第 1.1 节 课题布景 跟着微电子技能和信息技能的开展和运用，医疗设备范畴正在悄悄的发生着一场信息化的革新。尤 其是在医疗监护范畴，传统的病房式监护手法现已越来越不能习惯当今多元化、信息化、个性化的 医疗监护需求。自上世纪 70 时代美国航天局(NASA)运用长途监护技能对空中的宇航员进行生理参 数的监测开端，直到现在美国军方研讨的一种供战时运用的人体情况监护仪(Personal Status Monitor, PSM)，这是一种由战士佩带，在战场上监护战士的呼吸、体温、血压、心率及心电图的监护设备， 经过无线电技能使战地指挥官能估量战场上的受伤者是否还活着，并可承认受伤者的所在方位。目 前，医院内以核算机为根底的患者床边监护与中心会集监护体系，已能经过各种办法与各类信息系 统相衔接，组成一个集数据、波形、语音、图画为一体的有线与无线相结合的信息网络。在这个网 络中可经过各种有线和无线传输办法，将急救现场、急救车、医治船、直升机、家庭医治所、村庄 医院等与急救中心和大型医院相联通，为人类供给在任何地方、任何时候实施长途监护与医疗确诊。 这一现代技能现在正悄悄地进入医院、家庭以及任何载人的运输工具(轿车、火车、船只、飞机、宇 宙飞船等)中，并直接为作业中、行走中和飞翔中的个人保健服务。 在欧美发达国家，医疗监护产品晋级换代的速度适当敏捷，其整体开展趋势是: (1) 运用各种高新技能丰厚产品功用，拓宽运用规模; (2) 选用多体系组合的积木式结构， 即模块化， 可依据临床对多种丈量、 剖析操控和记载的需求，

　　组成合适的监护操作体系; (3) 遍及选用 GUI 界面，操作直观，实时信号处理精确牢靠，信息存储量大，具有联网扩展功 能: (4) 软件规划以模块化为根底，以便于硬件设备的晋级换代和新功用的扩展; (5) 监护设备的商场已由医院走向家庭， 因而要在选用最先进技能的一起， 出产操作简易的仪器， 以供非医疗机构用户运用。 (6) 多参数和整体式监护体系已逐步替代单体式患者监护仪，如多参数(ECG, SP02,呼吸率、非 损害血压和体温等)携带式个人监护体系，能使医生在医院取得来自任何地方的患者信息。 (7) 便利随时随地进行回放的网络化设备也是一个重要的开展趋势; (8) 遥控示踪是另一个增加敏捷的范畴，因为这种技能能对非卧床患者进行接连监护。 第 1.2 节 课题研讨含义 近年来，医疗作业的开展，使核算机网络办理成为现代化医院的一个重要标志。尤其是在医疗监护 范畴，提出了多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。现代科技的前进和开展，为医学监护技能 供给了立异条件和新的开展空间，可是医疗监护技能和设备的开展仍不能满意医院、患者、家庭和 人身健康各方面所提出的要求。因而网络化长途医疗监护设备已具有火急的商场需求和宽广的商场 远景。 在主动医疗监护体系中，信号提取是医疗监护体系作业的首要条件。医疗液位信号主动检测和 传输也是信号提取的进程，医疗作业人员常常需求检测和操控液体的储量或液位，如人工肾机的透 析液储液罐中透析液储量、主动洗胃机中冲洗液的液量、中医运用的药浴机中煎药锅中的水位、静 脉输液液位检测等等。假如对仪器中液体储量疏于监测，在液体储量失控情况下或许在或许会给患 者带来损害乃至危机其生命。经过对这些液体储量的监测，医护人员便能够随时了解液体余量，并 能在液体缺少时及时主动和人工弥补或许采纳其他办法，维护医疗设备的安全运转。因而，怎么更 好地对医疗液位进行监测，一直是医学工程人员考虑较多的课题之一。 而在临床医学中，常选用静脉穿刺的办法将药液直接经静脉注入体内，这种输液办法你为静脉输液。 现在因为没有有用、经济的主动检测设备，对已输液量或剩下液量等，医务人员都不能直观的远距 离调查，然后需求专人监护，加剧了患者的思想担负和护理人员均劳作担负，也晦气于病区的归纳 办理，为此咱们研发医用输液液位和输液速度实时检测体系，该体系主动检测输液液位，并能将各 床位液位和输液速度信号传送至护办室，在护尔室对多个病房各个床位的输液情况进行巡回检测和 显现。当液位低于设定下限值、输液速度过高或过低时，在护办室和相应床位处宣布声光报警，提 醒护理人员及时加以处理。 第 1.3 节 新式输液液位检测技能 现在国内外在液位监测方面选用的技能和产品许多，传统的液位传感器按其选用的丈量技能及运用 办法，分类已达十余种。近年来国内外一些研发单位还在研发开发更新的液位传感监测技能。首要 的液位检测技能有以下几种:浮体式液位丈量、 声波液位丈量、电容式液位丈量、 核辐射式液位丈量、 直流电极式液位丈量、光纤液位丈量和感应式数字液位丈量等。不同类型的液位检测技能适用于不 同的被测介质、不同的设备条件和现场特别性要求。 下表 1-1 为不同类型丈量外表的丈量规模、检测精度和造价比较 因为医疗液位信号检测均触及医用，任何与液体触摸的传感检测办法都是不行行的，一切勘探 器、传感器只能固定于容器外部，因而医疗液位信号检测都应选用无触摸式丈量。别的所运用的液 位检测外表不能损坏被测液体的化学性质，然后影响医治效果，乃至影响患者的健康，因而还需求

　　无损检测技能。无损检测技能对医疗监护具有重要含义，对开展新式确诊监护体系来说，无损检测 技能是人们最乐意承受的技能。 静脉输液液位检测便是上述液位传感技能在医疗液位信号检测中的详细运用。在上述液位检测技能 中，即能用于无损检测又能用于无触摸式检测的接连式液位传感技能只要电容式、感应式，光纤式， 超声波式等，近年来开展起来的用于静脉输液液位检测的传感技能不过这几种办法

　　首先是光电式液滴检测办法， 依据临床医学的有关常识， 必定量(以毫升为计量单位)的药液其输液量 与药滴数有关，一般来说从茂菲式滴管滴落的每一滴为 1/15 毫升，或许是每 15 滴液滴总计一毫升。 因而只要能检测液滴滴数，即可检测到药液的输入量。在国内，光电式液滴检测法的运用研讨出现 在 90 时代。开端，为了勘探液滴数从前有人提出用一对针状导电体，从茂菲式滴管的两头扎入，两 导电体彼此分隔一小段间隔，当液滴滴落至导电体中心时，使导电体两头导通，然后有电脉冲输出 而抵达液滴检测的意图。但因为导电体直触摸摸到药液，这有或许对药液构成细菌污染，不契合医 学的“无菌”操作要求，因而不是一种很好的办法。后来研讨人员在研讨液滴光学特性的根底上， 提出了一种光电式液滴传感器，选用红外对管完结，依据接纳到的光强的强弱来判别是否有液滴落 下，经过精确的记载液滴数，来承认瓶内液位的改动量，也可依据单位时刻内记载的液滴的滴数来 承认输液速度。从曾经举办的全国大学生电子规划大赛开端，点滴式输液液位检测又引起了许多科 研人员的注重，科研人员又进一步对其进行了研讨和开发，使光电式液滴检测技能趋于老练。此检 测技能本钱低，电路简略，不受可见光的千扰，安稳性好，且特别适用于点滴式输液速度检侧，所 以此种办法得到了推行和运用. 有人对超声回波检测技能在静脉输液液位信号检测的运用做了尝试性研讨。其办法是运用超声 波在不同物质、不同密度内传播速度不同的原理，经过检测超声波发射后的回波时刻来承认容器内 液体的液位，用 MCU 守时操控超声波的发射，运用中止接纳检测到的回波，然后经 MCU 的数据处 理取得需求的数据。此体系中，可预先测定液位抵达戒备线时的回波时刻，然后将每次丈量成果与 此进行比较，便可得到是否抵达戒备液位。虽然超声波液位勘探技能比较老练，但因为超声波勘探 不行避免的存在一个盲区，盲区的巨细与相应的 MCU 的处理速度有关，在对精度要求较高的场合

　　还需参加温度补偿模块及相应的软件算法以改进超声勘探随环境温度的改动所发生的改动。别的超 声波探头价格昂贵及设备操作杂乱，也阻止了超声回波技能在静脉输液液位检测中的运用。 光纤液滴传感技能。光纤传感器具有活络度高、电绝缘性好，体积小，耐高温和低损耗等长处， 成为液位传感技能研讨的一个热门， 用于静脉输液液位检测的光纤液位传感技能首要为液滴检测法。 光纤液滴传感器的作业原理是由光源宣布的光，经过输入光纤导入液滴，光线再经液滴反射吸收等 效果，部分进入输出光纤作为信号传出。这部分传出光的光强度改动，包含了液滴的物理、化学等 归纳特性信息。光纤液滴传感器和光电式液滴传感器的首要区别是，光纤信号里边还包含了液体的 更多信息，经过特征提取、数据建模、信息辨认和液滴指纹图来进行液体的纤细辨别，进一步标定 还能够丈量液体的物理特性参数，如外表张力、密度等。但因为光纤液位传感技能正处于开展阶段， 用于静脉输液液位检测的运用没有老练，且不同类型的产品其本钱、功用存在较大的差异，因而还 不能遍及运用。 电容液滴传感器技能。红外液滴传感技能和光纤液滴传感器技能都是从光学视点动身，根究液滴特 性和计量液滴数的。而电容液滴传感技能是从电学视点动身，运用特别规划的电容传感器，将液滴 构成进程中的形状改动信息转变为电容传感器的电容量改动，然后计量液滴数、乃至抵达检测液滴 成长进程和丈量液滴体积的意图。但实践上因为液滴的特别形状，只要极板的中心部分挨近液滴， 整个液滴只能引起大约 1. 5%的电容量改动，而且因为茂菲式滴管的体积很小，在其上设备的传感器 也相应较小，由此构成传感器开端电容很小，易受外界搅扰，完结难度较大，因而现在还没看到电 容液滴法在输液液位信号检测傍边的实践运用。 第 1.4 节 本文的首要作业 (1) 依据所阅览的资料， 介绍了输液液位检测技能在国内外的开展现状， 对各种输液液位检测机理和 运用进行介绍和阐明，对各种检测技能的检测功用做了比照。 (2) 输液液位主动检测体系的整体规划，在硬件方面，把电容信号转化为振动信号，别离选用脉冲宽 度检测和频率(或周期)检测两种电容检测法， 并由此发生出体系完结的两种计划。 经过硬件和软件设 计，使体系能将各病房各个床位的液液位信号传送至护办室，并在液位下限、输液速度过高或过快 时都能宣布声光报警。 每个病房的收集模块都有键盘设置和显现功用， 并选用 CAN 总线完结与护办 室的实时通讯。 (3) 剖析了电容式液位传感器的原理、优缺陷和影响电容式液位传感器精度和活络度的许多要素。 (4) 完结硬件调试作业。 第 1.5 节 本章小结 介绍了本课题的布景，以及课题的研讨含义，在此根底之上让我们了解一些国内外新式输液液位检 测技能，澄清本文的首要作业。

　　第 2 章 体系整体规划 第 2.1 节 体系的结构和功用 为习惯医疗监护产品智能化、人性化的一个开展趋势，本体系选用现场总线通讯技能，既能完本钱 地人机信息交流、声光报警的功用，又能完结液位的长途检测显现、声光报警和长途监控的功用。 2.1.1 体系结构 智能化、人性化是现代仪器设备的一个开展趋势，本体系的运用是面向各大中型医院，经过此设备， 护理能够削减与患者的直触摸摸，而只需经过监护室的主机来实时监控各输液室的输液情况。本系 统依据 MICROCHIP 公司的中档系列单片机，运用单片机的 CCP1 捕捉功用模块，经过捕捉信号的 上升沿和下降沿，完结电容液位检测的。在任一病房和总监控室都能够设定液位下限和输液速度上 下限报警设置和动态显现。扩展的有线监控功用使得主站能够经过自定协议操控各个从站.，并检测 接纳从站的情况参量。主从站之间运用 CAN 总线进行通讯，本地参数的设定能够在主机上进行，也 可直接在终端完结。 按功用剖析，输液液位主动检测体系首要由液位传感器，信号转化电路、单片机及外围电路、 多路信号收集电路、显现报警和网络通讯模块和主站等部分组成。但体系又可归为本地信号传送模 块、从站和主站三个大的功用模块: (1) 本地信号传送模块。包含电容式液位传感器和电容一脉冲宽度(频率)信号转化电路。选用脉冲宽 度检测电路时，本模块还液位下限报警电路，然后能够独立于单片机独自运转，但只具有信号转化 和液位下限报警功用。 (2) 从站模块。本模块能够一起收集同一病房中 8 个床位的液位信号，并进行相应的处理，循环 分时显现各个床位的液位信号，在液位下限处和输液速度过高或过低时进行声光报警，本模块经过 CAN 总线完结和监护室主机的实时通讯功用。在从站和主站上都能够完结对各病房各个床位的液位 检测参数和报警参数的设置。 (3) 主站模块。显现器屏幕模仿情况显现，声光报警，键盘操控操作与从站的通讯，经过网络通 信完结对从站的设置操作。 纵上剖析，主、从站的体系框图如下示: 本地报警设备 1 从站 MCU 声光报警 本地报警设备 2 . . 本地报警设备 N . 图 2-1 从站体系框图 PIC16F877 其他反常报警 UART 通讯到主机 键盘显现

　　图 2-3 主从站网络拓扑 2.1.2 体系功用 (1) 液位的勘探。可用红外、超声、液位传感等，经过检测相应的感应变量来判别液位。 (2) 显现、报警提示功用。在各病房和监护室能够动态显现各个病房各个床位的液位信息，当液位低 于下限值和当输液速度过高或过低都可宣布声光报警，并可手动 免除报警等。 (3) 具有输液速度上下限和输液液位下限值设定功用。 (4) 网络通讯功用。 主站能够实时检测多个从站的作业情况并可对从站进行相应的设置， 故触及到多 机通讯及相关的通讯协议(protocol)。 第 2.2 节 液位改换和电容检测电路 2.2.1 液位检测 因为医疗液位信号检测均触及医用，任何与液体触摸的传感检测办法都是不行行的，一切勘探器、 传感器只能固定于容器外部，因而医疗液位信号检测都应选用无触摸式丈量。别的所运用的液位检 测外表不能损坏被测液体的化学性质，然后影响医治效果，因而也需求无损检测技能。无损检测技 术对监护具有重要含义，对开展新式确诊监护体系来说，无损检测技能是人们最乐意承受的技能。 计划一 选用压力传感器来完结。在输液瓶下加一压力传感器，经过感知其压力巨细来判别输液 液位和输液速度。 计划二 选用电容液位传感器来检测。将一液位传感器置于输液瓶外侧，经过液位改动引起相关 量的改动来承认液位和输液速度。 计划三 选用红外对管完结，依据接纳到的光强的强弱来判别是否有液滴落下，经过精确的记载 液滴数，来承认瓶内液位的改动量，也可依据单位时刻内记载的液滴的滴数来承认输液速度。 计划四:选用光纤液位传感器。 计划五:运用超声回波检测技能，运用超声波在不同物质、不同密度内传播速度不同的原理，通 过检测超声波发射后的回波时刻来检测超声波穿过物质的结构，运用 MCU 守时操控超声波的发射， 运用中止接纳检测到的回波，然后经 MCU 的数据处理取得需求的数据。此体系中，可预先测定液

　　位抵达戒备线时的回波时刻，然后将每次丈量成果与此进行比较，便可得到是否抵达戒备液位。 调查上述各种计划，计划四选用光纤传感器，丈量精度较高，但因为这类检测外表正处于开展阶段 没有老练，且不同类型的产品的本钱、功用存在较大的差异，因而还不能遍及运用。计划三的本钱 低，电路简略，且不受可见光的搅扰，安稳性好，但此计划一般多用于点滴式输液速度检测，计划 五理论老练，但因为超声波勘探不行避免的存在一个盲区，盲区的巨细与相应的 MCU 处理速度有 关，在对精度要求较高的场合还需参加温度补偿模块及相应的软件算法以改进超声勘探随环境温度 的改动所发生的改动。考虑软、硬件的杂乱程度及要求的丈量精度，选用计划二作为液位的检测方 案 2.2.2 电容传感器的输出电路及相关核算 计划一脉冲宽度检测法 将电容信号转化为振动信号，经过单片机检测传送信号的脉冲宽度，完结传感器电容值的丈量， 这样能够确保信号在一房间内恣意间隔的传输，而不忧虑信号的衰减，而且振动信号有抗搅扰才干 强、检测电路简略等长处。 如图 2-4 所示为电容改换电路。芯片 7556 由两片 555 振动器组成，在本电路傍边，右侧的 555 构成 多谐振动器，左边 555 构成单稳态触发器，多谐振动器发生的振动信号经过积分电路，发生相同频 率的触发信号，然后触发单稳态触发电路，在多谐振动器的一个周期内，传感器电容完结一次充放 电进程。因而两者的频率相同，振动频率为:

　　本地检测模块发生的脉冲信号， 经屏蔽双绞线传送至从站 PIC 单片机， 经过 PIC 单片机的捕捉功用， 承认被采样信号的脉冲宽度，然后来承认传感器电容，经过传感器电容和瓶内液位的对应联系，得 出输液瓶内液位。在单稳态触发电路傍边，当传感器电容充电时，输出为高电平，所以脉冲宽度由 充电时刻决议，因而当充电电阻

　　R1 能够使检测电路的活络度前进，可是因为集成电路模块 7556 自 R1 不能无限增大，不然会使振动波形失线ΜΩ 时，比较合适，这样即可确保电路必定的 R1 大于 10ΜΩ 时，CCP1 模块的读数波

　　动规模增大，下降检测数据的牢靠性和精确性。 此计划的本地报警电路如图 2-5 所示，单稳态输出振动信号，经 MAX4040 二次滤波线性扩大后，可 取得一安稳的直流电压信号。因为振动信号的频率由多谐振动电路决议，在频率必定的情况下，由 电容改动引起的脉冲宽度改动，经二次滤波后，会引起输

　　出电压的改动，且输出电压和单稳态输出振动信号的脉冲宽度成正比。电容越小，对应的脉冲宽度 窄，滤波后的电压越低。反之亦然。滤波信号再经过 MAX965 比较器与参阅电压(液位下限对应的电 压值)比较，当电压低于参阅电压(对应于液位低于液位下限值)MAX965 输出高电平，然后使报警信

　　图 2-5 报警电路 计划二频率检测法 此办法只选用一片 555 振动器，如图 2-4 所示，把电容

　　种办法的长处是经过对多个脉冲的检测来前进电容检测的分辨率。如当一次电容的细小改动引起的 脉冲宽度改动△t 小于单片机的一个指令周期时，在第一种检测电路下，则前后两次 CCP 1 模块的读 数相同，所以脉宽法检测精度受单片机时钟周期的约束而频率检测规则能够战胜此缺陷。 选用频率检测法时，为了完本钱地信号变送模块能独自运用和本地液位下限报警，在上述电路 中，应增加一个 F / V 的转化模块，但因为电容液位传感器的电容值往往比较小，因而振动器输出频 率较高， 而高频率到电压的转化芯片很难挑选， 故不宜用 F / V 模块假如用单片机来替代 F / V 模块， 即可使变送模块变为一个智能型传感器，但这样会增加每个液位传感器的造价，本钱太高，故不行 取。 脉宽法检测所能抵达的丈量精度 PIC16F877 单片机最高晶振可达 20HZ，单片机 CCP 1 模块的最小分辨时刻

　　本地液位信号变送模块的供电计划 脉冲电路转化模块所选用的芯片都具有低功耗，宽电压供电等特色，所以本地模块选用 3V 电压 供电，当本地模块独自运用时，用其自带的 3V 扣子型锂电池供电，当与从站模块结合运用时，由 从站模块对本地模块供电。本地模块和从站之间的衔接，选用四芯屏蔽双绞线，经过屏蔽双绞线传 送检测信号和对本地模块供电，两者选用公共地。电源和信号接口电路选用立体声耳机插孔的办法， 当本地模块与从站接通时，3V 电池能确保主动与本地模块断开，中止对其供电，转由从站模块对其 供电。图为电源、信号开关接口电路示意图，其作业原理是，2, 3 接扣子电池的正负端，6, 7 接从站 3V 电源的正负端，当插头(6,7, 8)未刺进插孔时，插孔端的 1 与 2, 4 与 5 相连，3 为本地模块的地， 这时由扣子电池经过 1 和 3 对本地模块供电;当插头刺进时，1 与 2, 4 与 5 主动断开，而 1 与 6, 5 与 8,3 与 7 随之接通，这时本地模块经 6 和 1 由从站供电，而本地模块的信号经 5 与 8 传送给从站，3 与 7 接通，成为信号和电源的公共地。

　　第 2.3 节 从站规划计划 2.3.1 信号检测 各病房中，从站能够接纳来自同一病房 8 个床位的液位信号。选用屏蔽双绞线对信号进行传送，可 以确保信号传送的质量，增强抗搅扰才干。从站单片机的 CCP 模块的捕捉功用能够便利的检测出振 荡信号的脉冲宽度和振动频率，而且软硬件完结简略。其测验原理如图所示

　　在 1 时刻曾经把 PIC 的 CCP1 设置成捕捉脉冲的上升沿:当信号上升沿到来时，发生 CCP 中止，在中 断服务程序中捕捉记下此刻 TMR1 寄存器中 16bit 的值 TMR 11， CCP 1 设置成捕捉脉冲的下降沿; 把 当该信号下降沿到来时，又发生 CCP 中止，又在中止服务程序中记下此刻 TMR1 寄存器中 16bit 的 值 TMR 12， 则脉冲的宽度为 下，

　　可把以上进程多进行几回，再把各次测验的平均值作为终究的丈量值。在这种办法下，2 次中止的 时刻间隔有必要大于 1 次中止服务的履行时刻，不然假如在中止服务程序履行时又发生 CCP 中止，就 不能正常作业。在本检测电路中，因为传感器电容在零液位处的电容值在 1pF 左右，对应的脉冲宽 度为挨近 10 奇妙，所以当单片机在 20MHZ 晶振下，能够确保零液位对应的脉冲时刻宽度规模内单 片机能够从一次中止服务程序中回来。 2.3.2 信号收集与网络通讯 传统的选用模仿信号传输的传感器难以运用在现代化大体系中运用的要求，首要表现在以下几 个方面;(1)传感器的引线多。传感器器即便选用二线制的信号传输办法，每只传感器也要 2 根引线。 在大型的体系中，往往有几百只到几千只传感器，需求的引线 倍，如此多的引 线将给建造时的布线和日后维护带来困难。(2)传感器的方位往往与操控器较远。模仿信号的长线)传感器输出的信号经过远间隔传输易引进差错，下降精度。(4)传感器选用模仿信 号办法不能与数字体系直接配接。在本体系中虽然每个病房的从站模块能够采样 8 个床位的输液信 息，与本地液位传送模块之间选用的是传统的“点对点”式衔接，但一个从站模块能够完结对整个 房间 8 个床位输液信息向监护室大传送。从站模块和监护室的主站模块若依然选用点对点的衔接， 则会有引线过多、布线和日后维护困难等问题。因而从站和主站之间的衔接选用现场总线办法衔接。 数字化、网络化代表着现代检测技能的开展方向。在网络化的体系中，每个传感器都是网络中

　　的一个节点。操控器与传感器、履行器之间的信息交流运用公共的网络介质。在许多通讯办法中， 面向工业操控的现场总线技能是现在处理工业操控现场数据通讯问题的最佳计划之一。现场总线 时代开展起来的一种现场工业操控技能。它集数字通讯、智能外表、微机技能、网 络技能于一身，从根本上突破了传统的“点对点”式的模仿信号或数字一模仿操控的局限性，为真 正的“涣散式操控，会集式办理”供给了技能确保。 现在，现场总线品种繁复，如 I C , HART. SPI, Fieldbu, Lon Works 及 CAN 等，每种总线规范都有自 己规则的协议格局，彼此之间互不兼容，给体系的扩展、维护等带来了晦气的影响(1)对传感器/履行 器的出产厂家来说，假如期望自己的产品占较大的商场份额，产品本身有必要契合各种规范的规则， 因而，需求花费很大的精力来了解和了解这些规范，一起硬件的接口有必要契合每一种规范的要求， 这无疑增加了制造商的本钱;(2)关于体系集成开发商来说， 有必要充沛了解各种总线规范的优缺陷和能 够供给契合相应规范规范的产品，挑选适宜的出产厂家供给的传感器和履行器，使之与体系匹配:(3) 对用户来说，假如需求扩展体系的功用(依据需求，这种情况常常发生)。增加新的智能传感器或履行 器，则要求挑选的传感器/履行器有必要能够合适本来体系所挑选的网络接口规范。这在许多情况下很 难满意。 因为一般智能传感器/履行器的厂家无法供给满意各种网络协议要求的产品， 假如更新体系， 将给用户的出资利益带来很大丢失。在许多的现场总线通讯中，CAN 总线技能在工业主动化、多种 操控设备、交通工具，医疗仪器、修建及环境操控中得到广泛运用。鉴于此，在本体系中，从站模 块和主站之间运用 CAN 总线完结两点之间的通讯。 2.3.3 抗搅扰办法 (1) 硬件抗搅扰 从现场信号开关输出的开关信号，或从传感器输出的弱小模仿信号，最简略的办法是塑料绝缘 的双平行软线。但平行线间分布电容较大，抗搅扰才干差，不只静电感应简略经过分布电容藕合， 而且磁场搅扰也会在信号线上感应出搅扰电流。因而在搅扰严峻的场所，一般不简略运用这种双平 行导线来传送信号，而是将信号线加以屏蔽曾经进抗搅扰才干。在本体系中选用屏蔽双绞线将电容 传感器输出的电信号传送至本地模块。 微机测控体系和其他工业电子设备的搅扰与体系的接地办法有很大联系。接地技能往往是按捺 噪声的重要手法。杰出的接地能够在很大程度上按捺体系内部噪声耦合，避免外部搅扰的侵入，提 高体系的抗搅扰才干。反之若接地处理的欠好，反而会导致噪声耦合，构成严峻搅扰。在本体系中 也对接地抗搅扰问题进行了仔细的考虑。 为了按捺改动电场的搅扰，体系选用屏蔽维护，而为了充沛按捺静电感应和电磁感应的搅扰， 屏壁用的导体又进行了杰出接地。 (2) 软件抗搅扰 体系选用中值滤波对采样信号进行软件滤波。中值滤波是对某一参数接连采样 n 次(n 取奇数)， 然后把 n 次的采样值顺序摆放(正序或逆序)， 再取中心值作为本次采样值。 其长处是能够去掉因为偶 然要素引起的动摇或采样器不安稳所引起的脉动搅扰。 2.3.4 检测数据的线性化处理 在工程实践中把非电量转化为电信号的传感器，大多带有必定的非线性特性，本体系中所规划 的传感器输出电容和对应的液位之间也存在非线性，为了确保这些参数能按线性输出，有必要进行补 偿，曾经进改换精度。在微机检测操控体系中，用程序完结非线性补偿比模仿的硬件补偿更便利更 有用。一般的，用程序完结非线性补偿的办法有核算法、查表法和折线法。本文依据所规划的检测 体系的特色(PIC 单片机核算才干差，对多个床位的多路采样，数据处理核算量大、消耗时刻等)，采 用查表法进行采样数据的线 从站模块的人机接口规划 (1) 键盘规划

　　选用 PIC 单片机 RB 口变位中止的功用，完结键盘功用。 功用设置功用设置键盘包含上电复位键、ENTER(承认)键、CONCEL(撤销)键、上下键五个键。 ENTER 和 CONCEL 键具有复合功用。 阐明: ① ENTER 键:承认本次操作;在正常情况下，按下 ENTER 键进入各参数设置操作。 ② 上下键:当按下一次 ENTER 键后，出现默许病房号，此刻能够对病房号进行设置:按 ENTER 键承认本次操作，并进入床位号设置操作，设置完床位号后，按 ENTER 键承认，出现功用 设置序号，按上下键挑选，再次按下 ENTER 键，承认某功用操作挑选，相应出现某默许参数值， 这时按上下键，则为参数值加 1 或减 1，按 ENTER 键为承认此次参数设置操作;按 CONCEL 键为取 消本次操作，回到上一级功用操作设置。 ③ CONCEL 键:除具有撤销本次操作功用外，还具有撤销报警的功用。 (2) 液晶显现 用巡回显现的办法， 分时显现各床位的输液信息， 一屏显现一个床位的信息(包含床位号、 液位， 输液速度)对检测数据选用 4 位显现，液位的单位为 mm，小数点后边只要一位由检测电路的检测精 度来定，本体系中为 0. 2mm )。当进行功用设置时，相应显现床位号、功用序号、输液下限报警值、 输液速度上下限报警值等。经过功用设置能够定点显现某个床位的输液信息。 (3) 软件完结 检测体系的软件所要完结的首要使命有多路信号收集处理、参数设置、反常报警和报警撤销，总线 通讯等。为了完结以上使命编写了主程序和各功用子程序，主程序和各子程序都硬件调试经过，软 件亦选用了模块化规划，便于过错查看和软件功用晋级。以下各图为主程序和功用子程序流程图。

　　FLAG5=0 判别键类型 存入床位号调标号 并显现 调 病 房号 显 示 床位号加一 床位号减一

　　判别键类型 存入相应参数 清相应标志 调标号显现 中 清相应标志 调标号显现 相应参数加一 相应参数减一

　　(count)=0 是 中值滤波子程序 是 低于液位下限 否 输液速度过慢 或过快？ 液位下限报警 否

　　第 2.4 节 主站功用规划 在主站 PC 机上，开宣布一个输液液位主动化办理体系，完结对医院内部一切床位输液信息的 主动化办理，并具有各床位输液情况历史记载功用，其他功用还有: (1) 设定 设置需求查询的从站数量、从站号和各从站的输液速度。 (2) 报警和报警免除 收到从站报警信号后，进行声光报警并显现相应的从站号和床位号，并能够手动免除监护室报 警和该病房中从站的报警。 (3) 和从站的通讯 经过输液液位主动办理体系对各个病房、各个床位进行主动化办理和设置。附录 2 为输液液位 主动化办理体系某一病房办理窗口界面。窗口主界面显现如下信息:体系称号、病房号、输液开端时 间、输液情况，输液开端时刻、液位下限值、动态模仿液位高度等。 第 2.5 节 本章小结 体系的介绍了体系结构和功用，让我们理解液位改换和电容检测的原理，体系分为从站和主站的设 计，并介绍了主站的功用。

　　第 3. 1 节 电容式传感器 在液位改换技能中，关于液面方位的改动，能够转化成电容量的改动，构成一个扩编大电容器 即电容式传感器。电容式传感器结构简略，动态呼应快，合适于非触摸丈量。缺陷是易受寄生电容 的影响和外界搅扰 3.1.1 电容式传感器的根本原理 关于液面方位物理量的改动，能够转化成电容量的改动，构成一个可变电容器，即电容式传感器， 由物理学常识可知，两平行电极组成的电容器假如不考虑非均匀电场引起的边际效应，其电容量为:

　　因为被丈量的改动引起电容式传感器有关参数 ε , s, d 的改动，使电容也随之改动。据此，常见 电容式传感器的类型有:变空隙式(改动 d)，变面积式(改动 S)，变介电常数式(改动 ε )三品种型。 电容式液位传感器便是一种变介电常数式。 变介电常数电容传感器中的极板间若存在导电物质， 极板外表应涂绝缘层，避免极板间短路，如涂厚度 0. lmm 的聚四氟乙烯薄膜。 3.1.2 电容式传感器的特色 虽然电容式传感器有结构简略，习惯性强:固有频率高，动态呼应时刻短:可选低温度系数资料，本身 发热又小，温度安稳性好，可完结非触摸丈量，又有均化效应等一系列长处，但电容式传感器也有 显着缺乏之出，其本源是电容式传感器的开端电容很小，一般为 20-300pF，乃至小于 20pF。这样小 的电容量，尤其是在低频规模，输出阻抗达几十乃至上百兆欧( ΜΩ )，因而，传感器负载才干差， 易受外界搅扰，有必要采纳屏蔽和绝缘办法。与比较小的开端电容量比较，衔接传感器的引线“电缆 电容” ，极板与周围导体构成的电容以及电子线路间的杂散电容却比较大。如 1-2m 的电缆电容可达 800pF。这些所谓的“寄生电容”不只下降了传感器的活络度，又因其随机改动又影响传感器的作业 安稳性。

　　图 3-1 带等位环平板电容传感器原理 电容器极板边际存在不均匀电场，构成边际效应，使电容传感器活络度下降而且发生非线性误 差，应尽量消除和减小。在结构答应情况下，常选用等位环消除边际效应。图 3-1 是带有等位环的 电容式传感器原理图。等位环 3 安在内极板(圆形)2 之外，且与 2 电绝缘但等电位。这样，极板 1 与 2 间为均匀电场构成电容传感器。发散的不均匀电场在等位环 3 外侧不参加作业 (2) 消除寄生电容的影响 寄生电容与传感器的开端电容并联影响传感器的活络度;寄生电容的改动引起虚伪信号，因而必 须消除和减小寄生电容的影响。能够选用两种办法来削减寄生电容的影响: ① 选用双层屏蔽等位传输技能

　　图 3-2 “驱动电缆”技能原理 双层屏蔽等位传输技能又称作“驱动电缆”技能。传感器与电子线路前置级间的引线为双层屏 蔽电缆。其内屏蔽层与信号传输线 扩大器等位，然后消除了芯线和内屏蔽层之间 的寄生电容。因为屏蔽电缆线上有随传感器输出信号改动而改动的电源，因而称作“驱动电缆” 。内 外屏蔽层之间的电容是 1: 1 扩大器的负载。扩大器为具有容性负载的同相扩大器。扩大器要求高输 入阻抗， “驱动电缆”技能的线路杂乱要求高;对扩大器式电缆选用“驱动电缆”技能，可消除电缆 电容的影响并避免外电场的千扰。传感器的一个极板由电缆芯线接到运算扩大器的虚地址，内屏蔽 层接线路地线，这时与传感器电容并联的等效电容(寄生电容仅为电缆电容的 1/(A1)，然后大大减 少了电缆电容的影响。外屏蔽层接大地，避免外电场搅扰。 ② 屏蔽与接地 屏蔽和接地是相关的抗搅扰办法。屏蔽是为了避免寄生电容的影响和外电场的搅扰，但还有必要

　　正确地选取接地址，才干抵达牢靠接地，不然接地址不同发生接地电势差也是一种搅扰信号。为减 少电缆电容影响，引线应尽量短而粗。有必要平行摆放的引线应选用同轴屏蔽线。集成化可使传感器 与电子线路在一起屏蔽，省去传感器至前置引线，可削减寄生电容，又易固定不变 3.1.4 电容式传感器的等效电路

　　图 3-3 电容式传感器的等效电路 图 3-3 所示为电容式传感器的等效电路。传感器的电容(包含寄生电容)只要在环境温度不高，电源频 率适中条件下，才干看作是纯电容。假如电源频率较低或在高温高湿条件下作业，极间等效损耗电 阻

　　应使导体电阻增加。此刻有必要考虑引线(传输电缆)的电感和电阻。图中 L 为引线电感和电容器电感 之和， 电阻 R 包含引线电阻， 极板电阻和金属支架电阻。 供电电源频率一般为谐振频率的 3 传感器才干确保正常作业。当不考虑

　　式中，C e 为传感器的有用电容， w = ( 2πf ) 为电源角频率。因为传感器本身电容量(包含寄生电容)

　　从式(3-5)与式(3-6)均能够得出如下定论:电容传感器的有用活络系数与 w LC 项有关，随 w 和 L 变 化，K。也改动。电容传感器作业与标定的条件应相同;电源频率不变，引线长度不能改动。上面各 式的树立条件是电源频率为兆赫左右，此刻有用活络系数高于电容器本身的活络系数。 在后边规划的电容检测电路傍边，选用的是 555 集成电路外接电容，构成振动电路，运用电容充放 电的办法，经过丈量电容充放电的时刻常数，来承认电容值的，因为这种电路的振动频率很高，这 时以为

　　第 3.2 节 输液液位检测办法内容简介 本文所研讨的医疗输液液位检测体系便是运用电容式液位检测技能，在输液瓶外侧放置两个电 极，构成一平行板电容器，当输液瓶内液位改动时，适当于引起传感器两电极间介质复合介电常数 的改动，然后引起电容器电容的改动。因为传感器电容和瓶内液位有一一对应的联系，经过检测电 容即可承认瓶内液位。电容式传感器结构简略，动态呼应快，本身发热小，合适于非触摸丈量。 本文在理论剖析的根底上，针对输液瓶形状的不规则性和医疗液位信号检测的现场运用的特别性， 规划了输液液位传感器结构，成功的处理了传感器电极和输液瓶外壁紧贴性问题，而且使传感器的 设备和运用变得十分简略便利

　　第 3.3 节 电容式输液液位传感器理论规划 电容液位丈量法便是经过必定的设备将容器中液位高度转化为相应的电容量，然后由信号调度 电路将其改换为易丈量的电压、相移、频率、脉宽等电量，终究抵达液位丈量意图的办法。它具有 安全牢靠、非触摸、非损害、可操作性强、活络度等特色，因而在微机主动操控和液位主动检测系 统中多选用电容传感器丈量容器的液位. 被测液位容器的品种不同，构成的电容器品种不同，且不同也很大，不论哪一种电容形式，电 容器的总电容受液位凹凸，介质，容器尺度，电极半径及相对方位等要素的直接影响，在其它要素 不变的情况下，一般可把电容量看成是液位 h 的单调函数。经过传感器输出电容即可承认瓶内液位。 关于医疗液位信号检测，有必要运用无损检测和无触摸式液位检测技能，所以液位传感元件都有必要放 在输液瓶外。而输液瓶又是一种形状不规则的容器，这些都为传感器理论规划、制造带来困难。

　　第 3.4 节 传感器数学模型的树立 在输液瓶外侧放置两个电极，构成一平行板电容器，当输液瓶内液位改动时，适当于引起极板 间介质的复合介电常数的改动，然后引起电容器电容的改动。因为液位传感器受杂散电容、边际效 应和输液瓶本身形状几许尺度的非线性影响，精确树立数学模型将是十分杂乱的。为了简化起见， 将电容液位传感器作如下假定: (1) 疏忽边际效应 (2) 与输液瓶瓶壁紧贴的两个电极在输液瓶上段以为是平面板， 输液瓶下段瓶口端近似以为是 锥形。 (3) 两极板之间以为只要输液瓶瓶壁、 液体和空气三种介质。 电容式输液液位传感器的两个电 极一般有两种放置办法: 办法一:是在输液瓶瓶壁外侧对称放置，容器，如图 3-4 所示。 办法二:是在输液瓶瓶壁外侧平行放置，电极也可看作平板电容器。如图 3- 5 所示。输液瓶圆柱 部分两个电极可近似看作平板电经过必定的数学改换，输液瓶圆柱部分两个

　　下面别离对两种放置办法进行评论: (1) 传感器两个电极以办法一放置时，传感器数学模型的树立 输液时，输液瓶内下方为药液，上方为空气，故可将传感器电容 C 等效为介质为药液部分的电 容

　　Cwx 和介质为空气部分的电容 Cax 相并联。实践上因为输液瓶瓶壁的效果，适当于在 Cwx 和 Cax 上

　　别的，因为输液瓶形状不规则，电极上半部分近似是一个平行板电容器，下半部分看作一个锥形电 容器。两者电容核算公式不同。在锥形段，跟着液位下降，电极之间的间隔也在改动，图 3-7 为锥 形段电容的积分法核算示意图。

　　图 3-7 锥形段电容核算示意图 由电场常识可知，高度区间段[[h, h 十 dh]所对应的小段电极的电容为:

　　当电极宽度 a = 8mm 时，在输液瓶圆柱段，当液位改动 ∆h = 1mm 时，电容改动量 ∆C 近似可表示 为:

　　所以能够以为液位在输液瓶圆柱段，其活络度可近似以为为 0. 156pF/mm。 (2) 传感器两个电极按办法二放置时，传感器数学模型的树立 为剖析和树立传感器数学模型，树立如图 3-8 所示 W 平面坐标系。 设宽度为 a 的两条铜箔导体薄带，平行地放在同一平面内，它们附近的两头之间的间隔为 2d， 两导体间的电势为 2U。先评论上半平面，并设上半平面介质的介电常熟为 ε 。树立图 3-8 所示的 Z 平面坐标系， 设在许瓦兹改换下， 平面上的四角形 平面上的导电薄带

　　为电极在输液瓶锥型段和输液瓶圆柱段，两电极之间的间隔 b 不变，所以电容核算公式以为是相同 的。 两种计划放置时，因为输液瓶本身几许尺度的非线性，都会使传感器引进非线形差错，但按方 式二放置时的非线形差错大于办法一放置时的差错。 经过剖析阐明，在相同的电极宽度下，明显电极按办法二进行放置，活络度不行，不易选用此计划。

　　第 3.5 节 本章小结 本章介绍了电容传感器和输液液位传感器的规划，剖析了电容式传感器的根本原理、特色、以及提 出的抗搅扰办法，进一步画了电容式传感器的等效电路，传感器数学模型的树立，有两种计划，通 过剖析比较，我挑选了计划 1，它的计划差错小。

　　定论与展望 本文为完结输液液位的主动、精确和非触摸丈量，规划一种变介电常数型电容式液位传感器。 经过对不同宽度电极下传感器电容与对应液位的试验数据剖析，发现液位处于输液瓶上部圆柱形部 分时电容与液位之间有很好的线性联系，而在下部出现非线性;传感器活络度随电极宽度的增加而近 似线性前进。一起发现传感器活络度与液位下降速度相关。然后树立了传感器数学模型，剖析影响 传感器活络度的要素和机理。研讨成果表明，以范德华力附着在瓶壁内侧的吸附水在电场效果下极 易极化，会引起其介电常数超凡增大;瓶壁内侧的吸附水对传感器的活络度有直接影响。然后为传感 器的正确规划与丈量数据的批改供给了理论依据。 本文在传感器规划顶用具有必定抗拉性、柔软性和导电性很好的铜网作为传感器的两个电极， 选用了共同的多层结构形式:传感器电极粘贴在橡胶薄膜上，将其密闭在橡胶薄膜和 PVC 板中心， 并在其间增加绝缘弹性物质。这样既增强了电极的电绝缘性，又可消除传感器电极和容器壁之间的 空气隙所构成的不承认性;这种结构使得传感器一起又可作为输液瓶悬挂设备，然后增强了传感器的 有用性，对同类型的电容式传感器结构规划也有必定的参阅价值。 作者对三种液体(蒸馏水、自来水和浓度为 0.9%的生理盐水)做了试验研讨，发现液体为蒸馏水 和自来水时，两者的活络度根本相同(自来水对应的活络度略大)。当液体为生理盐水时，传感器活络 度反而有所下降，阐明极性大的液体对应的传感器活络度不必定高，然后阐明液体为生理盐水时， 吸附水对活络度的影响现已大于介电常数对活络度的影响。现在，在电容式传感器规划运用中，吸 附水对传感器电容影响及其原因还未见文献报导，本文提出吸附水在电场中简略极化，会引起介电 常数超凡增大，吸附水极化程度又因液体溶质的不同而不同;这两种物理现象很杂乱，作者未对其进 行定量剖析，但对其进行进一步研讨，对电容式液位传感器的规划和运用具有重要含义。别的吸附 水的吸附程度或许还与输液瓶内壁的洁净程度、液体的寄存时刻等要素有关，这些物理进程(包含吸 附程 度和极化)彼此影响，彼此之间的联系不存在必定的遍及性规则，因而，传感器活络度与瓶内液体有 很强的针对性。 经过传感器理论规划、制造、详细电路规划和硬件调试，阐明本体系能完结输液液位的精确检测， 满意液位检测的实践需求，但体系在输液速度检测方面却有实时性差的缺陷，这能够经过前进传感 器活络度和小电容检测电路的精度来加以改进。

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