光电式输液报警器电路的设计与实现

光电式输液报警器电路的设计与实现

08010卓越计划班陈绪聪

同组成员：刘英杰

2014年3月8日

一、设计背景

静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段, 不少患者一天需输几组药液。因输液时间长，患者卧床产生疲劳，易在输液过程中熟睡。如果液体输完未及时发现, 医护人员不能及时换药或拔掉针头, 会出现空气进入血管形成气栓情况。轻则延误治疗，给病人造成痛苦, 重则会严重危及患者，发生事故。目前，临床输液过程中一般是由患者、陪侍或医护人员随时观察监视药液余量情况，牵扯精力大、效率低。针对这一情况,目前已有相关产品面世，但使用较少。通过查阅相关产品的资料发现，现在市面上存在的输液报警存在部分缺陷：有的产品可靠性差,会漏报或者误报，患者不放心；有的产品装置过于复杂，造成价格偏高；有的产品需要改变目前输液过程，使用不方便；有的产品需要接触液体，容易造成污染。为此，设计制作一种使用安全方便，价格低廉,报警准确的输液报警装置，将具有很大的实用价值。

二、设计目的

1、通过动手实践加深对课本知识的理解掌握并提高自身理论与实际相结合的能力。

2、进一步了解电子设备在医疗工作中的实际应用，为今后学习与工作打下基础。

3、复习电路设计与制作的相关知识，提高电路设计与制作及PCB版制作技能。

4、了解相关传感器的原理与应用，增强跨学科运用能力。

5、提高动手实践能力与解决实际问题能力。

三、设计思路及其方框图、电路图、PCB图

液位检测原理

本装置将探测头安装在茂菲氏滴管上, 采用光电原理非接触式探测液面变化液体(截面为凸透镜) 的透射聚光原理, 判断输液是否结束。由于输液管是一根透明塑料管, 当管内有液体时,

管壁和管内柱形液体相当于一个柱形透镜,如图1所示，光线不仅能透过, 而且还能聚集到一片区域。当管内无药水时管内气体对光线形成散射光线, 光线主要在管壁内, 仅有很小一部分光线溢出；光敏器件能把这种光信号

的变化转变成电信号的变化, 再经控制电路的处理, 使装置便能在无药水的情况下发出报警。

随后又查阅了相关资料，得到光敏电阻的阻值与接受到光照强度大小的关系如图2所示。可以看出，阻值随光照强度的减小而变小，而且在光照强度较小时，电阻阻值的变化更明显。所以使用光敏电阻作报警装置的光敏器件，在管内有液体时阻值小，无液体时阻值大，利用在两种情况下光敏电阻阻值的不同就可以将输液是否完成区分开

电路原理 设计框图见下图 报警

首先对电源进行稳压和变压，输出适用的电压，为电路供电。检测电路主要由LED 与光敏电阻组成，将光敏电阻的阻值变化转化为电压变化，输入到触发

图 1 光电检测截面图

图 2 光敏电阻阻值与光照强度的关系

稳压变压 检测电路 触发电路 警报电路

图 3 原理框图

电路。触发电路依据输入电压信号的不同输出高低电平，输入到警报电路，是警报电路在输液完毕时报警，达到输液报警器的效果。

电路正常工作电压应适中，本实验采用5V 直流电，利用LM7805进行变压。 检测电路应具有较高灵敏度，实验中将光敏电阻接入惠更斯电桥，通过设置相应电阻的阻值大小，使光敏电阻在阻值发生变化时可以有最大变化的电压输出。

触发电路应能对实验中电压的变化产生反应为达到设计目的，一开始我们准备利用555芯片组成施密特触发器来识别有液体和无液体两种状态电路信号的变化，其电路参考图4。

图 4 使用555芯片的判别电路

在实际实验中发现光敏电阻在两种情况下电阻相差10k Ω左右，但是经过具体的计算，我们发现所用光敏电阻在有液体和无液体阻值仅仅相差10k Ω左右的状况下，电压的变化基

本上不可能使555芯片的工作状态发生转换，至少其工作过程中可能会很不稳定，最终我们否定了这套方案。

然后，我们又设计了利用电桥电路+比较器的组合来识别有无液体所致的电路变化，如图5。

在电路图中可以很明显的看到，R2、Ra1、Ra2、Ra3组成电桥，其中R2是光敏电阻，剩余三个电阻都是可变的电位器，方便随时调整参数，使电桥平衡。初始置Ra1与Ra2阻值相等，Ra3处于光敏电阻最大值和最小值之间。

当管内有液体时，光敏电阻接收到的光强较大，光敏电阻阻值较小。此时Ra3大于光敏电阻阻值，放大器负端输入高电平，输出电平为零；当管内无液体

时，光敏电阻接收到的光强较小，光敏电阻阻值较大。此时Ra3小于光敏电阻阻值，放大器正端输入高电平，输出电平为高电平VCC 。通过在比较器输出端接入二极管或蜂鸣器就可以实现报警功能。

为使输入电压有足够大的差距，在比较器负端增加一放大器，对电压进行放大，以满足比较要求。

为了让报警效果更加明显，可在比较器输出端增加了一个555振荡电路，目的是让发光二极管可以闪烁。

实验是用的电路原理图如下：

U4U5图 5

图 6 输液报警器电路原理图

图中R2表示光敏电阻，J2A和J3A可以控制是否将放大器与报警装置接入电路，方便调试。

考虑到实验室提供的电压较大，使用7809与7805两次降压使电路更加安全可靠。

实际使用的pcb见图7：

图7

另外，要特别说明的是，虽然为了有更好的实验效果，可以使用光照亮度适当小的LED来提高光敏电阻的灵敏度，但此时更易受到外来光线的干扰，因此需要合理选择LED的亮度。

四、制作过程描述

1、设计过程

（1）电源设计

由于实验室提供的是12V直流稳压电源，而实验所用元器件需要5V的电压，同时为了减少功耗我们选用7809和7805稳压器通过二级降压来获取5V电源。

（2）信号发生与采集电路的设计

本实验是基于光穿透输液管时，有液体和无液体的输液管对光的聚集和发散作用导致透过光的强度差别而设计的，因此的产生与提取信号是首先要完成的电路。在最初设计阶段，出于成本以及实验的方便性考虑，我们选用LED发光二极管产生信号，但是考虑到有光与无光时信号差别可能不是很大，通过上网查阅相关资料发现，光敏电阻对波长540nm的光最敏感，大致对应绿光，因此选用绿光可以使光敏电阻的灵敏度最大。同过实际检测，用普通的光敏电阻接受透射光，

测得在有液体与无液体时的电阻相差10k 左右，因此确定可以用普通光敏电阻作为光电转换器件。经过查阅资料得知LED需要3mA的驱动电流，对于我们已得到的5V的电压需要串联一个电阻以保证LED的安全。

（3）信号处理电路

由于本实验的特点，放大以及提高灵敏度始终是设计需要考虑的核心问题，结合所学的知识我们选用单臂电桥电路来提高灵敏度与准确性，同时为了在需要报警时给后极电路提供足够的驱动电压，将电桥的两路输出接至电压比较器，在最初选用UA741作为电压比较器，但考虑到UA742稳定性不理想，故采用更为稳定的LM324集成放大芯片，这样在没有信号时输出低电平，后级报警电路不工作，而有信号时比较级直接输出高电平，以驱动报警电路工作。在设计电桥的过程中我们考虑到光敏电阻阻值变化范围，需要将与光敏电阻串联的滑动变阻器调至暗电阻和亮电阻的平均值。当光敏电阻处于暗电阻时，光敏电阻的分压大，串联电阻的分压低，即液体输完时，需要输出高电平，因此电压比较器的负输入端接光敏电阻所在的桥臂，而正输入端接参考电压，这样就能保证当输液管中有液体时，即亮电阻时，比较器的负端输入电压高于正端，输出低电平，后级报警电路不工作，当输液管中无液体时，即暗电阻时，比较器的正端输入电压高于负端，输出高电平，后级报警电路工作，完成了信号的处理。

（4）输出显示电路

同样用红色LED发光二极管串联一个电阻输出报警信号，为了改善报警效果，我们用555电路构成振荡电路以使LED闪烁发光，提高报警信号的识别度。

2、焊接过程

PCB板以及元器件由科室准备到位后，小组成员用锡焊进行了焊接。焊接过程中，首先焊接了电阻电容底座等元器件，然后后焊接滑动变阻器。由于焊接滑动变阻器之前未对其阻值进行测量，导致焊接后阻值受影响无法测量造成重复焊接。在焊接过程中需要与制作的模型做符合测试，以保证电桥的零点稳定。此过程包括模型的制作，在制作模型过程中，需要考虑尽可能的保证卧槽与输液管道的契合，以减少背景噪声。元件焊接完毕后，安装模型，准备测试。

3、测试过程

最初测试时，发现电路并没有按预期的模式去工作，而是LED 灯一直处于工作状态。即报警电路一直在工作，经过小组成员分析可能是滑动变阻器阻值不合适。经过重新调试，发现依旧不能工作，直到我们重新检查分析了电路板发现，电路的连线和原先设计的有出入，管脚接点不正确，导致电路的功能受影响，我们重新用锡焊调整测试了PCB 板，发现需要改动的地方过多，改动很复杂，于是我们使用了备用的面包板重新搭线，并安装模型，在接通电源后，成功实现预期效果，但此时的电路并不十分稳定，我们又对滑动变阻器等参数进行了调节，最终达到了理想的效果，而且电路很灵敏，在验收拍照时，相机的闪光会使LED 灯熄灭。 4、验收过程

完成了测试后，由组员完成了试验装置的拍照记录与验收。

五、设计与制作中发现的问题及解决方案 1、初始设计思路及电路图

参照实验原理，利用光透射原理检测输液管内是否有液体。

VCC OUT

U1

555_TIMER_RATED

DIS RST THR VCC

OUT

U2

555_TIMER_RATED

DIS RST THR TRI

C11uF

VCC 5V LED11

J1A Key = A

VCC R21kΩ

R4

1kΩKey=A 50%R51kΩ

R71kΩ

R8

1617

Q12N2222A

11

3

9

18

19

我们最初设计使用的电路图参见图8：液面检测电路由555定时器U1、光敏电阻 (R2)、滑动变阻器R4、电阻R3及电容C1构成。U1构成施密特触发器，

经实验发现，当管内有液体时，光敏电阻阻值为30k Ω；当管内无液体时，光敏电阻阻值为40 k Ω。设计方案的要求为：无液体时555输入为低电平，有液体时为高电平。即：

(R2+R3)* VCC /(RL1+R2+R3)

(R2+R3) * VCC /(RL2+R2+R3)>2*VCC/3 有液体时 RL1<0.5*(R2+R3)

RL2>2*(R2+R3)

无液体时光敏电阻的阻值应为有液体时的4倍以上。本实验无法达到要求，设计方案不可行。

2、查阅资料、仔细思考后将电路做了改进。原理图及PCB 图见图（6）和图（7）。

按照设计的电路图在电路板上焊接好相应的元器件，将滑动变阻器调到合适阻值。接通电源后LED 长亮不灭。实验中发现，电桥后面的放大电路部分不能起到正常的放大作用，实际上放大电路将高低电平均进行放大，使得比较器接受到的电压始终在较高的水平，导致LED 处于长亮状态，此放大电路设计有误，故将放大电路舍弃。但还是没有得到预期结果。 反复检查电路板均为发现错误，焊接也无问题。最后检查PCB 电路，发现电路板制作时有一个滑动变阻器的管脚接错。如图（9）所示。接错后的滑动变阻器等效为两个电阻并联（如图（10）所示），所以在调试时无法将滑动变阻器调到期望的阻值。

3、更改电路图，舍弃放大电路。在面包板上连接电路

R4

500kΩKey=A

50%

R1

500kΩKey=A

50%VCC

5V

图9

图 10

按图（11）连接实验电路，依据之前测得的光敏电阻阻值数据，为使电压变

化可以最大，将Ra1与Ra2调到39kΩ，Ra3调到35kΩ。接通8V电源，在有液

体和无液体时，LED能够按照实验预期目的点亮和熄灭。测得无液体时比较器正

端3.2V，负端为4V。比较器输出为6.65V。有液体时比较器正端为4V，负端为

4.1V，输出为0。

图11 最终选用的电路原理图

六、设计与制作结论及分析

1、实验最终成品实际测验可以准确判断液体是否输尽，具有较高的灵敏度。

同时，在外界光强不太大的情况下亦可正常工作，具有一定的抗干扰能力，在实

际使用中不需要严格的遮光措施，同时如果要求不高还可以直接将LED接入比较

器输出，有利于节约成本，扩大适用范围。

2、在实验中遇到了多个问题，

七、设计与制作收获

（1）在本电路的设计中，虽然我花去了很多的时间和精力，下了很大的功夫，因为实际的元件参数和外界环境的影响，和实际的理论值不太匹配，有些差异，使我明白了实践的重要性，。

（2）该电路综合用到了各种元器件，去图书馆查阅了相关的资料和书籍，并且上网也查询了相关的资料，获得了许多相关的信息，是我受益匪浅。同时元器件的选择对本电路的成功与否也起着非常重要的作用。

（3）通过本次的设计与制作，首先使我了解了设计电路的步骤与设计的理念，使我更加熟练的掌握了Protel 99 SE使用，更加熟悉了各种元器件的参数及功能作用，对各种电路有了初步的了解；其次，通过这次设计对我们以前所学

的一些知识（如模电、数电等）起到了加深和巩固的作用，也使我获得了搭建和调试实验电路的能力；最后，通过这次设计也锻炼了我的主动学习能力、与他人合作的能力，还可以从各种渠道获得一定的资料共同加以研究学习，提高了我们的实际动手能力，对我们以后的学习和工作都将有很大的帮助。同组成员刘英杰同学在本次实验中负责资料整理，电路检查等繁重工作，投入大量心血，对他表示感谢。