CN110187392A - 计算频率方式的电容感应型液体检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算频率方式的电容感应型液体检测的方法及装置，属于医疗器械的输液控制类设备技术领域，通过感应被测输液管或滴壶内液体的电容值来判断被检测位置是否有液体，本发明的有益效果在于，1、抗干扰性能更强，不受各种光线干扰；2、不依靠光线检测，因此不受输液管管体颜色的限制，对于不同的输液管兼容性强3、气泡对感应电容影响很小，可以有效过虑输液管内的气泡影响；4、电路简单高效，硬件成本低，故障率低；5、拥有极低的消耗功率，适合于使用电池供电的设备。6、使得输液控制器更小型化，具有更好的抗外界干扰能力，更强的管材兼容性能，便携和长续航能力。

Description

计算频率方式的电容感应型液体检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种计算频率方式的电容感应型液体检测的方法及装置，属于医疗器械的输液控制类设备技术领域。

背景技术

输液控制类设备都是通过检测输液管内液体从有到无来判断输液完成，从而执行关断和报警操作，现有技术的液体检测传感器主要有红外式和电容式触控IC芯片两种类型，如红外式：CN106345001A，一种输液管液体检测系统及其检测方法；如触控IC芯片式：CN107569739A，用于输液管液体检测的电容式感应器的检测方法及装置，通过一颗触控芯片来检测电容值；它们在管材兼容性、抗干扰性、体积、成本和功耗上都存在缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，为了使得输液控制器做到更小型化、更好的抗外界干扰能力，以及更强的管材兼容性能、便携和长续航能力，从而提供一种计算频率方式的电容感应型液体检测的方法及装置。

本发明的技术原理在于，通过感应被测输液管或滴壶内液体的电容值来判断被检测位置是否有液体，单片机内部的定时器设定一个定时时间，通过在定时时间段内监测得到的充放电周期总数，计算出当前的充放电频率，由于输液管中有液体和无液体时感应到的电容值不同，所以得到的充放电频率值也不同，因此准确地识别出有或无液体的两种状态，并输出状态信号。

本发明包括以下步骤，步骤一、数据采集，单片机内部定时器设定一个定时时间T作为一个检测周期，n个检测周期构成一个扫描周期；

首先定义一个常量N作为噪声系数，在一个扫描周期内依次将每个检测周期所得的检测值X与第一个检测周期所得的检测值X₁做比对，如果一直到比对完最后一个检测值X_n，比对结果的正负差值都小于N则视为数据合格，并作为一组有效数据依次存入缓存器，如果比对结果的正负差值有大于N的值出现则视为数据不合格直接丢弃，并立即结束本次扫描，程序马上进入下一个扫描周期；

步骤二、检测，扫描完的这组有效数据（这组有效数据即为：一个扫描周期的有效数据）求平均值就可以得到一个准确的检测值X’，将这个检测值X’除以定时器设定的定时时间T即可得到频率值f；设在有液状态下的频率值为f_a,无液状态下的频率值为f_b，在调试模式下通过串口J2分别输出这两个频率值，并将二者求平均值即可得到一个用于状态判断的预设值D：D =(f_a+f_b)/2；

步骤三、比较，再定义一常量S作为灵敏度系数，此时将这个检测值X’与预设值D比较，当检测值X’大于D+S则判断为无液状态，当检测值X’小于D-S则判断为有液状态，当检测值X’大于D-S小于D+S时保持原状态不变。

本发明的技术方案在于，包括直接焊接在PCB电路板上的电极片，

电极片用于检测的接触面采用过渡配合的形式包覆在输液管外壁；

PCB电路板结构包括单片机U1，单片机U1的LOAD端口P0.3经电阻R3上拉后，再通过组合电阻R1、R2输出高电平或低电平，对电极片J1上的感应电容进行充电或放电操作， C1、C2设置在LOAD端口和VDD端口处用于电源滤波；

单片机U1的IN端口P1.4检测电极片J1的电压值；根据电压值来切换LOAD端口的输出电平,在充电过程中当IN端口检测到电压值达到高电压阀值时就把LOAD端口切换为低电平进入放电过程；在放电过程中当IN端口检测到电压值达到低电压阀值时就把LOAD端口切换为高电平进入充电过程，同时监测并记录每一个充放电周期；

串口J2用于观察在有液体和无液体时不同的充放电频率值，在程序中作为判断状态的参考依据，同时J2还可以用来输出调试用的信息；

接线端口J3：引脚1为电源的输入引脚；2为状态信号输出；引脚3为接地脚。

本发明的有益效果在于，1、抗干扰性能更强，不受各种光线干扰；2、不依靠光线检测，因此不受输液管管体颜色的限制，对于不同的输液管兼容性强3、气泡对感应电容影响很小，可以有效过虑输液管内的气泡影响；4、电路简单高效，硬件成本低，故障率低；5、拥有极低的消耗功率，适合于使用电池供电的设备。6、使得输液控制器更小型化，具有更好的抗外界干扰能力，更强的管材兼容性能，便携和长续航能力。

附图说明

图1为本发明结构设计示意图。

图2为本发明电路设计示意图。

图3为本发明工作流程图。

图4为定时器周期充放电示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作进一步说明，本发明结构设计如图1所示，包括直接焊接在PCB电路板1上的电极片2；电极片2不应过大，且不应使用导线连接，电极片2的形状大小会对检测值产生影响，因此应尽量保证电极片的一致性。

电极片2用于检测的接触面采用过渡配合的形式包覆在输液管3外壁；电极片2用于检测的接触面应设计成：边长(直径)跟输液管3的直径一样或稍大一点的方形(圆形)。电极片2的支撑部份面积不应大于检测接触面积。工作时把电极片2紧贴于待测容器（如输液管或滴壶）外侧壁上并使之接触良好。

电路设计如图2所示，PCB电路板1结构包括单片机U1，单片机U1的LOAD端口P0.3经电阻R3上拉后，再通过组合电阻R1、R2输出高电平或低电平，对电极片J1上的感应电容进行充电或放电操作，用于调整充放电周期的时间，电阻越大周期越长。建议在1M到3M间取值，阻值太小使充放电时间过快使单片机无法监测到，太大则可能降低抗干扰能力； C1、C2设置在LOAD端口和VDD端口处用于电源滤波；需要注意的是，不同型号的单片机在相同的电路路参数下得到的检测值有可能不一样，应尽量保证单片机的一致性；而且本电路中的单片机和电阻部份因受空气湿度影响较大，量产的产品可用704有机硅密封胶将电路板上的电子元器件做局部密封处理，或者完全灌封密封胶；PCB电路板1一定要保持洁净，不能有杂质和助焊剂残留，有些杂质或助焊剂有导电性，会使检测出现错误。

单片机U1的IN端口P1.4检测电极片2之J1的电压值；根据电压值来切换LOAD端口的输出电平,在充电过程中当IN端口检测到电压值达到高电压阀值时就把LOAD端口切换为低电平进入放电过程；在放电过程中当IN端口检测到电压值达到低电压阀值时就把LOAD端口切换为高电平进入充电过程，同时监测并记录每一个充放电周期；通过单片机U1内部的定时器设定一个定时时间，在已知的定时时间和此时间段内监测得到的充放电周期总数，就可以计算出当前的充放电频率，由于有液体和无液体时感应到的电容值是不一样的，所以得到的充放电频率值也是不一样的，因此可以准确的识别出有或无液体的两种状态，并通过OUT端口P1.6输出状态信号；

串口J2用于观察在有液体和无液体时不同的充放电频率值，在程序中作为判断状态的参考依据，同时J2还可以用来输出调试用的信息；调试时最好是安装上输液管3调试，因为在没有输液管3的情况下容易受外界影响，测量出来的值不太稳定。同时，输液管3在在长时间使用后会导致内壁脏污，此时有可能在无液的状态下也会识别为有液；因此需要确保输液管3无长时间重复利用的情况，一般输液管3在实际的医疗应用中更换频率较高，重复利用次数较少。

接线端口J3：引脚1为电源的输入引脚；2为状态信号输出；引脚3为接地脚。

本发明通过感应被测输液管3或滴壶内液体的电容值来判断被检测位置是否有液体，单片机U1内部的定时器设定一个定时时间，通过在定时时间段内监测得到的充放电周期总数，计算出当前的充放电频率，由于输液管3中有液体和无液体时感应到的电容值不同，所以得到的充放电频率值也不同，因此准确地识别出有或无液体的两种状态，并输出状态信号。

如图3、4所示，本发明包括以下步骤，步骤一、数据采集，单片机U1内部定时器设定一个定时时间T作为一个检测周期，n个检测周期构成一个扫描周期；

首先定义一个常量N作为噪声系数，在一个扫描周期内依次将每个检测周期所得的检测值X与第一个检测周期所得的检测值X₁做比对，如果一直到比对完最后一个检测值X_n，比对结果的正负差值都小于N则视为数据合格，并作为一组有效数据依次存入缓存器，如果比对结果的正负差值有大于N的值出现则视为数据不合格直接丢弃，并立即结束本次扫描，程序马上进入下一个扫描周期；

步骤二、检测，扫描完的这组有效数据（这组有效数据即为：一个扫描周期的有效数据）求平均值就可以得到一个准确的检测值X’，将这个检测值X’除以定时器设定的定时时间T即可得到频率值f；设在有液状态下的频率值为f_a,无液状态下的频率值为f_b，在调试模式下通过串口J2分别输出这两个频率值，并将二者求平均值即可得到一个用于状态判断的预设值D：D =(f_a+f_b)/2；

步骤三、比较，再定义一常量S作为灵敏度系数，此时将这个检测值X’与预设值D比较，当检测值X’大于D+S则判断为无液状态，当检测值X’小于D-S则判断为有液状态，当检测值X’大于D-S小于D+S时保持原状态不变。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.计算频率方式的电容感应型液体检测的方法，其特征在于：

通过感应被测输液管或滴壶内液体的电容值来判断被检测位置是否有液体；单片机内部的定时器设定一个定时时间，通过在定时时间段内监测得到的充放电周期总数，计算出当前的充放电频率，由于输液管中有液体和无液体时感应到的电容值不同，所以得到的充放电频率值也不同，因此准确地识别出有或无液体的两种状态，并输出状态信号。

2.根据权利要求1所述的计算频率方式的电容感应型液体检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、数据采集，单片机内部定时器设定一个定时时间T作为一个检测周期，n个检测周期构成一个扫描周期；

首先定义一个常量N作为噪声系数，在一个扫描周期内依次将每个检测周期所得的检测值X与第一个检测周期所得的检测值X₁做比对，如果一直到比对完最后一个检测值X_n，比对结果的正负差值都小于N则视为数据合格，并作为一组有效数据依次存入缓存器，如果比对结果的正负差值有大于N的值出现则视为数据不合格直接丢弃，并立即结束本次扫描，程序马上进入下一个扫描周期；

步骤二、检测，扫描完的这组有效数据（这组有效数据即为：一个扫描周期的有效数据）求平均值就可以得到一个准确的检测值X’，将这个检测值X’除以定时器设定的定时时间T即可得到频率值f；设在有液状态下的频率值为f_a,无液状态下的频率值为f_b，在调试模式下通过串口J2分别输出这两个频率值，并将二者求平均值即可得到一个用于状态判断的预设值D：D =(f_a+f_b)/2；

步骤三、比较，再定义一常量S作为灵敏度系数，此时将这个检测值X’与预设值D比较，当检测值X’大于D+S则判断为无液状态，当检测值X’小于D-S则判断为有液状态，当检测值X’大于D-S小于D+S时保持原状态不变。

3.根据权利要求1至2所述的计算频率方式的电容感应型液体检测的方法，其特征是还包括以下装置：

包括直接焊接在PCB电路板上的电极片，

电极片用于检测的接触面采用过渡配合的形式包覆在输液管外壁；

PCB电路板结构包括单片机U1，单片机U1的LOAD端口P0.3经电阻R3上拉后，再通过组合电阻R1、R2输出高电平或低电平，对电极片J1上的感应电容进行充电或放电操作， C1、C2分别设置在LOAD端口和VDD端口处用于电源滤波；

单片机U1的IN端口P1.4检测电极片J1的电压值；根据电压值来切换LOAD端口的输出电平，同时监测并记录每一个充放电周期；

串口J2用于观察在有液体和无液体时不同的充放电频率值，在程序中作为判断状态的参考依据，同时J2还可以用来输出调试用的信息；

接线端口J3：引脚1为电源的输入引脚；2为状态信号输出；引脚3为接地脚。