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，