陳盛闖，陳嘉俊，鄭澤華

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

基于CC2530的茂菲氏滴管液滴檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陳盛闖，陳嘉俊，鄭澤華

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

為了獲取靜脈輸液的輸液速度、液量、輸液時間等精準(zhǔn)參數(shù)和實(shí)時監(jiān)測，在茂菲氏滴管上進(jìn)行液滴檢測模塊硬件電路設(shè)計(jì)、檢測模塊外形設(shè)計(jì)、液滴數(shù)據(jù)采集和處理；方案采用了CC2530片上系統(tǒng)作為采集結(jié)點(diǎn)，能完成液滴的檢測功能，采用成熟工藝的紅外對管作為檢測裝置，采集的數(shù)據(jù)通過片上系統(tǒng)收集和處理，處理可得的數(shù)據(jù)便可知輸液速度、估算液量、輸液時間估算等，后期可通過CC2530的通訊功能把數(shù)據(jù)送往上位機(jī).經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，這是一個成熟可靠的檢測方案.

CC2530；紅外檢測；液滴數(shù)據(jù)檢測；智能輸液；下位機(jī)

針對醫(yī)療輸液設(shè)備液滴速度精確性、輸液檢測的靈敏度、檢測設(shè)備復(fù)雜性等問題，研究了對靜脈輸液的輸液速度，液量，輸液時間等參數(shù)的獲取和進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的改良性的液滴檢測方法，采用CC2530作為采集結(jié)點(diǎn)，既能完成液滴的檢測功能，又能完成和上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，將設(shè)備安裝在輸液瓶的茂菲氏滴管上，打開設(shè)備電源即開始監(jiān)測輸液狀態(tài)，多個設(shè)備可在一定范圍內(nèi)組網(wǎng)，后期可做將輸液實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到主機(jī).根據(jù)實(shí)際情況，對輸液設(shè)備要求，必須對輸液速度進(jìn)行精確檢測，所以必須實(shí)時檢測到每一滴滴下的藥液，記錄藥液滴下時間間隔，計(jì)算其實(shí)際輸液速度.業(yè)界紅外對管工藝成熟，性能佳，外形、規(guī)格多樣，本方案選擇適合的紅外對管對茂菲氏滴管液滴檢測.以下分四個部分對液滴檢測裝置實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹.

1 液滴檢測模塊電路設(shè)計(jì)

為了捕捉到液滴滴下信號，設(shè)計(jì)了圖1液滴檢測模塊.其中D1是很紅外發(fā)射管，R3是紅外接收管，接收管實(shí)際是紅外光敏電阻，D1和R3以成熟工藝設(shè)計(jì)成紅外對管.R3接收發(fā)射管D1所發(fā)出的紅外光，入射光越強(qiáng)，電阻越小，阻值與光強(qiáng)成線性變化，由此輸出電壓Vout隨光敏電阻分壓而變化，入射光越強(qiáng)，分壓越小，Vout越小，而入射光越弱，Vout越大.液滴檢測模塊原理圖如圖1所示.

圖1

R1為紅外發(fā)射管限流電阻，偏置電阻R2與光敏電阻組成分壓電路.期望液滴通過紅外對管時對Vout造成的影響盡可能大，使得容易檢測且抗干擾能力強(qiáng).通過大量實(shí)驗(yàn)計(jì)算R3在無光照射情況下阻值達(dá)到兆Ω，直接接受照射阻值約7KΩ.本模塊實(shí)現(xiàn)的原理是液滴通過光速時液滴對紅外光有散射作用，使得接收管受到的紅外光強(qiáng)減弱，光敏電阻阻值增大，分壓增大，Vout增大.根據(jù)公式（1）計(jì)算輸出電壓

選取10K阻值的電阻作為偏置電阻R2較為合適，使得液滴通過紅外能產(chǎn)生明顯的電壓信號.在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測得一滴液滴大約可以造成0.6V的電壓變化.

2 液滴檢測模塊外形設(shè)計(jì)

液滴的縱截面要比紅外光速橫截面大，為了保證液滴通過紅外光速能完全遮擋，紅外對管的發(fā)射光口要求比液滴小，且紅外對管需要改造外形合適于安置在茂菲氏滴管上，保證液滴滴下能精確通過紅外光速.液滴幾何分析圖如圖2所示.

圖2

如果藥滴開始自由下落的茂菲氏管口到紅外對管的距離D越小，允許茂菲氏滴管傾斜的角度就會越大.因?yàn)槿绻跍y量的范圍不變、傾斜度不變的條件下，D越是小，藥物下落時偏離中心線就會越小.所以，在做結(jié)構(gòu)的時候，應(yīng)盡量縮小D的值.以增加可傾斜度，系統(tǒng)檢測更穩(wěn)定，魯棒性更佳.所以設(shè)計(jì)將紅外對管規(guī)劃在終端設(shè)備的上部分，盡量靠近滴管口.設(shè)計(jì)效果如圖3所示.

圖3 紅外對管安裝效果圖

3 液滴數(shù)據(jù)檢測收集和處理

首先，液滴通過紅外對管，影響紅外對管輸出的電壓是模擬量，而CC2530集成片內(nèi)ADC，省去設(shè)計(jì)ADC電路的步驟.CC2530芯片的內(nèi)置ADC支持最多14bit的AD轉(zhuǎn)換，包含12個有效位的ENOB.包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，總共具有8個分別可配置的通道；以及一個參考電壓發(fā)生器，還具有若干運(yùn)行模式.

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AVDD5作為參考電壓，即CC2530的供電電壓3.3V，檢測模塊紅外對管的VCC也應(yīng)是3.3V.一般ADC采集Vout的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過簡單公式計(jì)算其實(shí)際電壓，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒必要計(jì)算出電壓值，只需要根據(jù)數(shù)字量的變化情況，就可以判斷液滴是否滴下.

原理是，當(dāng)液滴沒有滴下時，紅外對管穩(wěn)定對射，Vout電壓穩(wěn)定，此時連續(xù)采集到的電壓的A/D值應(yīng)該相差不大；若液滴下落過程對紅外對管光束遮擋，則A/D值產(chǎn)生跳變，比沒有液滴時A/D值大得多.

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)分析液滴下落經(jīng)過紅外光束大約是18ms，設(shè)置A/D采集周期為5ms，連續(xù)采集5個為一組，采集一組A/D值的時間大于液滴經(jīng)過光束的時間，所以如果液滴滴下時采集到的一組A/D值里，必然同時存在無液滴遮擋時的A/D值和有液滴遮擋的A/D值，兩種狀態(tài)的A/D值相差比較大.

因此可以采用此法采集A/D值，每當(dāng)收集夠一組，計(jì)算方差，方差超過設(shè)定閾值，說明有液滴通過.因?yàn)榉讲顢?shù)字非常大，而兩種狀態(tài)的A/D值的平方因子已經(jīng)差異很大，可以采取平方因子作為判斷依據(jù).平均值計(jì)算公式（2）

由平方因子公式（3）

方差處理A/D數(shù)據(jù)后，立即預(yù)設(shè)定的閾值進(jìn)行判斷，當(dāng)ADVar超過閾值，液滴總數(shù)變量自增1，記錄保存時間，再將時間變量清0，重新開始計(jì)時.應(yīng)用CC2530定時器，設(shè)置定時50ms，每當(dāng)定時器溢出中斷，時間變量自增1.所以當(dāng)液滴下落被檢測到時，記錄保存的時間變量以50ms為單位時間.設(shè)時間變量為Count，液滴落下周期公式:Time=50ms*Count.

4 數(shù)據(jù)處理代碼如下：

根據(jù)TI公司設(shè)計(jì)函數(shù)框架，啟動操作系統(tǒng)函數(shù).

5 結(jié)論

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究分析，CC2530片上系統(tǒng)的運(yùn)行速度、體積、工藝、功耗等各方面都能滿足本方案需求，紅外檢測也是可行方法，工業(yè)級紅外對管與偏置電阻組成電路，實(shí)現(xiàn)液滴對紅外對管輸出電壓產(chǎn)生明顯變化，而紅外檢測速度快，滿足液滴在滴下過程也能快速感應(yīng)，經(jīng)過后能快速恢復(fù)，都非常適用.能較好的達(dá)到靜脈輸液的輸液速度、液量、輸液時間等參數(shù)的獲取和實(shí)時監(jiān)測效果.

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2016-11-06

.輸液瓶（袋）液位檢測和遠(yuǎn)程提示報警系統(tǒng)設(shè)計(jì)（201512623030）