基于CC2530的茂菲氏滴管液滴检测系统设计研究

陈盛闯，陈嘉俊，郑泽华

（华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900）

基于CC2530的茂菲氏滴管液滴检测系统设计研究

陈盛闯，陈嘉俊，郑泽华

（华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900）

为了获取静脉输液的输液速度、液量、输液时间等精准参数和实时监测，在茂菲氏滴管上进行液滴检测模块硬件电路设计、检测模块外形设计、液滴数据采集和处理；方案采用了CC2530片上系统作为采集结点，能完成液滴的检测功能，采用成熟工艺的红外对管作为检测装置，采集的数据通过片上系统收集和处理，处理可得的数据便可知输液速度、估算液量、输液时间估算等，后期可通过CC2530的通讯功能把数据送往上位机.经过大量的实验证明，这是一个成熟可靠的检测方案.

CC2530；红外检测；液滴数据检测；智能输液；下位机

针对医疗输液设备液滴速度精确性、输液检测的灵敏度、检测设备复杂性等问题，研究了对静脉输液的输液速度，液量，输液时间等参数的获取和进行实时监测的改良性的液滴检测方法，采用CC2530作为采集结点，既能完成液滴的检测功能，又能完成和上位机的数据传输，将设备安装在输液瓶的茂菲氏滴管上，打开设备电源即开始监测输液状态，多个设备可在一定范围内组网，后期可做将输液实时数据传送到主机.根据实际情况，对输液设备要求，必须对输液速度进行精确检测，所以必须实时检测到每一滴滴下的药液，记录药液滴下时间间隔，计算其实际输液速度.业界红外对管工艺成熟，性能佳，外形、规格多样，本方案选择适合的红外对管对茂菲氏滴管液滴检测.以下分四个部分对液滴检测装置实现方法进行介绍.

1 液滴检测模块电路设计

为了捕捉到液滴滴下信号，设计了图1液滴检测模块.其中D1是很红外发射管，R3是红外接收管，接收管实际是红外光敏电阻，D1和R3以成熟工艺设计成红外对管.R3接收发射管D1所发出的红外光，入射光越强，电阻越小，阻值与光强成线性变化，由此输出电压Vout随光敏电阻分压而变化，入射光越强，分压越小，Vout越小，而入射光越弱，Vout越大.液滴检测模块原理图如图1所示.

图1

R1为红外发射管限流电阻，偏置电阻R2与光敏电阻组成分压电路.期望液滴通过红外对管时对Vout造成的影响尽可能大，使得容易检测且抗干扰能力强.通过大量实验计算R3在无光照射情况下阻值达到兆Ω，直接接受照射阻值约7KΩ.本模块实现的原理是液滴通过光速时液滴对红外光有散射作用，使得接收管受到的红外光强减弱，光敏电阻阻值增大，分压增大，Vout增大.根据公式（1）计算输出电压

选取10K阻值的电阻作为偏置电阻R2较为合适，使得液滴通过红外能产生明显的电压信号.在本设计系统实验测得一滴液滴大约可以造成0.6V的电压变化.

2 液滴检测模块外形设计

液滴的纵截面要比红外光速横截面大，为了保证液滴通过红外光速能完全遮挡，红外对管的发射光口要求比液滴小，且红外对管需要改造外形合适于安置在茂菲氏滴管上，保证液滴滴下能精确通过红外光速.液滴几何分析图如图2所示.

图2

如果药滴开始自由下落的茂菲氏管口到红外对管的距离D越小，允许茂菲氏滴管倾斜的角度就会越大.因为如果在测量的范围不变、倾斜度不变的条件下，D越是小，药物下落时偏离中心线就会越小.所以，在做结构的时候，应尽量缩小D的值.以增加可倾斜度，系统检测更稳定，鲁棒性更佳.所以设计将红外对管规划在终端设备的上部分，尽量靠近滴管口.设计效果如图3所示.

图3 红外对管安装效果图

3 液滴数据检测收集和处理

首先，液滴通过红外对管，影响红外对管输出的电压是模拟量，而CC2530集成片内ADC，省去设计ADC电路的步骤.CC2530芯片的内置ADC支持最多14bit的AD转换，包含12个有效位的ENOB.包括一个模拟多路转换器，总共具有8个分别可配置的通道；以及一个参考电压发生器，还具有若干运行模式.

本系统设计采用AVDD5作为参考电压，即CC2530的供电电压3.3V，检测模块红外对管的VCC也应是3.3V.一般ADC采集Vout的电压模拟量转换成数字量，通过简单公式计算其实际电压，而本系统设计没必要计算出电压值，只需要根据数字量的变化情况，就可以判断液滴是否滴下.

原理是，当液滴没有滴下时，红外对管稳定对射，Vout电压稳定，此时连续采集到的电压的A/D值应该相差不大；若液滴下落过程对红外对管光束遮挡，则A/D值产生跳变，比没有液滴时A/D值大得多.

经过大量实验分析液滴下落经过红外光束大约是18ms，设置A/D采集周期为5ms，连续采集5个为一组，采集一组A/D值的时间大于液滴经过光束的时间，所以如果液滴滴下时采集到的一组A/D值里，必然同时存在无液滴遮挡时的A/D值和有液滴遮挡的A/D值，两种状态的A/D值相差比较大.

因此可以采用此法采集A/D值，每当收集够一组，计算方差，方差超过设定阈值，说明有液滴通过.因为方差数字非常大，而两种状态的A/D值的平方因子已经差异很大，可以采取平方因子作为判断依据.平均值计算公式（2）

由平方因子公式（3）

方差处理A/D数据后，立即预设定的阈值进行判断，当ADVar超过阈值，液滴总数变量自增1，记录保存时间，再将时间变量清0，重新开始计时.应用CC2530定时器，设置定时50ms，每当定时器溢出中断，时间变量自增1.所以当液滴下落被检测到时，记录保存的时间变量以50ms为单位时间.设时间变量为Count，液滴落下周期公式:Time=50ms*Count.

4 数据处理代码如下：

根据TI公司设计函数框架，启动操作系统函数.

5 结论

经过大量实验研究分析，CC2530片上系统的运行速度、体积、工艺、功耗等各方面都能满足本方案需求，红外检测也是可行方法，工业级红外对管与偏置电阻组成电路，实现液滴对红外对管输出电压产生明显变化，而红外检测速度快，满足液滴在滴下过程也能快速感应，经过后能快速恢复，都非常适用.能较好的达到静脉输液的输液速度、液量、输液时间等参数的获取和实时监测效果.

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1673-260X（2017）02-0025-03

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.输液瓶（袋）液位检测和远程提示报警系统设计（201512623030）