CN114306825B - 一种血液气泡监测模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种血液气泡监测模块，属于超声波检测技术领域，包括超声波信号产生子模块、超声波信号接收处理子模块、收、发独立的超声波换能器。本发明3MHz激励频率直接通过有源晶振产生，可靠性高；单片机可以通过编程来调节数字电位器阻值，进而来改变超声波激励信号幅值；测量精度高，经过多次实验验证，测量最小气泡可达到0.3uL(250mL/min流速)，完全满足临床使用的需求；电路设计采用单片机片上ADC，减少了外部ADC芯片的使用，降低了成本，值得被推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及超声波检测技术领域，具体涉及一种血液气泡监测模块。
背景技术
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动而产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。随着计算机软、硬件技术及信号处理技术的飞速发展，超声波在成像、无损检测、差距、超声清洗、无损探伤、医疗等领域获得了非常广泛的应用。在一些医疗电子设备中，例如透析、输血、输液等自动控制的医疗设备中，常用超声波来监测循环管路中是否混入了空气以及气泡的大小等。由于估计到生命危险，这种监测必须是非接触性的，采用超声波技术就能很好地解决这个问题。
目前利用超声波检测气泡存在一些问题，比如说监测灵敏度不高、超声波换能器工作电压高等，同时随着工作环境的变化，要保持高精度监测是困难的。为此，提出一种血液气泡监测模块。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术中利用超声波检测气泡存在的监测灵敏度不高、超声波换能器工作电压高、保持高精度监测困难等问题，提供了一种血液气泡监测模块，本血液气泡监测模块能够提高现有超声波气泡监测的灵敏度，使监测的气泡大小能达到0.3uL，并能够对大小气泡进行分类，实现大气泡及时关断、小气泡数量累加功能，具有能够快速响应，及时关断的优良特性。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括超声波信号产生子模块、超声波信号接收处理子模块、收、发独立的超声波换能器(包括发送换能器、接收换能器)；
所述超声波信号产生子模块包括有源晶振、驱动器、数字电位器、发送换能器，所述驱动器输入引脚通过与门分别与所述有源晶振、单片机的第一GPIO输出引脚连接，输出引脚与数字电位器的一端连接，所述数字电位器的另一端与所述发送换能器连接，所述数字电位器的控制引脚与单片机的第二、三、四GPIO输出引脚连接；
所述超声波信号接收处理子模块包括片上ADC前级电路、第一运算放大器、第一比较器、第二比较器、接收换能器，所述片上ADC前级电路的一端与所述接收换能器连接，另一端通过所述第一运算放大器分别与所述第一比较器、第二比较器连接，所述第一比较器、第二比较器分别与单片机第一外部中断引脚、单片机第二外部中断引脚连接。
更进一步地，所述有源晶振的频率为3MHz，输出脉冲波形到所述驱动器的输入引脚。
更进一步地，所述数字电位器通过单片机控制来调节电位器阻值，改变所述发送换能器的驱动信号幅值。
更进一步地，所述片上ADC前级电路包括依次连接的一级放大电路、二级放大电路、半波整流电路，所述一级放大电路与所述接收换能器连接，所述半波整流电路与所述第一运算放大器的同相输入端连接。
更进一步地，所述一级放大电路与接收换能器之间、所述一级放大电路与二级放大电路之间、所述二级放大电路与半波整流电路之间均设置有一个隔直通交电容。
更进一步地，所述片上ADC前级电路还包括一级放大静态工作点电路、二级放大静态工作点电路，分别用于构成超声波接收信号第一级放大的静态工作点、第二级放大的静态工作点。
更进一步地，所述超声波信号接收处理子模块还包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的同相输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，反相输入端与单片机片上ADC的电压采集引脚连接。
更进一步地，所述第一运算放大器的输出端与所述第一比较器的反相输入端连接，所述第一比较器的输出端接电阻到自身的同相输入端，形成回滞比较器，输出端并与单片机第一外部中断引脚连接，所述第一比较器的同相输入端设置成固定电压。
更进一步地，所述第一运算放大器的输出端与所述第二比较器的同相输入端连接，所述第二比较器的输出端接电阻到自身的反相输入端，形成回滞比较器，输出端并与单片机第二外部中断引脚连接，所述第二比较器的反相输入端设置成固定电压。
本发明还公开了一种血液气泡监测方法，采用上述的血液气泡监测模块对血液中的气泡进行监测，包括以下步骤：
S1：血液气泡监测模块通过单片机控制监测功能打开；
S2：当管路中出现单个气泡时，所述第二比较器的输出端电平会出现变化，单片机根据电平的变化以及单片机片上ADC读取的电压值，对气泡大小进行初步判别，并存储当前ADC值；
S3：当判别管路中出现多个小气泡时，单片机对多个ADC值进行累加；当判别管路中出现大气泡时，所述第一比较器的输出端电平会出现变化，单片机根据电平的变化判别为出现大气泡。
更进一步地，在所述步骤S3中，所述小气泡为血液中混入的大于0.3uL、小于10uL的气泡，所述大气泡为血液中混入的体积大于20uL的气泡。
本发明相比现有技术具有以下优点：该血液气泡监测模块，3MHz激励频率直接通过有源晶振产生，可靠性高；单片机可以通过编程来调节数字电位器阻值，进而来改变超声波激励信号幅值；测量精度高，经过多次实验验证，测量最小气泡可达到0.3uL(250mL/min流速)，完全满足临床使用的需求；电路设计采用单片机片上ADC，减少了外部ADC芯片的使用，降低了成本，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例中血液气泡监测模块接收超声波信号后处理电路原理图；
图2是本发明实施例中血液气泡监测模块发射超声波信号前处理电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2所示，本实施例提供一种技术方案：一种血液气泡监测模块，包括单片机片上ADC电压采集引脚2、单片机外部中断引脚1、单片机外部中断引脚3、单片机GPIO输出引脚4、单片机GPIO输出引脚5、单片机GPIO输出引脚6、单片机GPIO输出引脚7、测试点TP8～20、12V电源端21～25、3.3V电源端27～28、5V电源端26,29,90、接地点30～40、电容91(1nF)、电容92(1nF)、电阻41(10K)、电阻42(3.3K)、电阻43(1K)、三极管44(MMBT3904)、电阻45(33R)、电阻46(470R)、电容47(100nF)、电容48(100nF)、电阻49(10K)、电阻50(3.3K)、电阻51(1K)、三极管52(MMBT3904)、电阻53(33R)、电阻54(470R)、电阻55(10K)、三极管56(MMBT3904)、电容57(100nF)、电阻59(1K)、电容60(100nF)、二极管61(BAV99)、二极管62(BAV99)、电容63(100nF)、电阻64(47K)、运算放大器65(SGM8249-1)、电阻66(100K)、电容67(100nF)、电阻68(47K)、电阻69(1K)、电阻70(33K)、电阻71(8.2K)、电阻72(470K)、比较器73(LM2903)、比较器74(LM2903)、电阻75(470K)、运算放大器76(SGM8249-1)、电阻77(4.7K)、电阻78(33R)、电阻79(4.7K)、电容80(1nF)、有源晶振81(3MHz)、与门82(NC7SZ08M5)、驱动器83(74AHCT245)、电阻84(33R)、电容85(1nF)、数字电位器86(X9313Z)、二极管87(BAV99)、二极管88(BAV99)、电容89(100nF)。
在本实施例中，有源晶振81工作频率为3MHz，进行超声波输出控制的单片机GPIO输出引脚4和与门82(NC7SZ08M5)输入引脚正常工作时一直处于高电平；
在本实施例中，驱动器83(74AHCT245)的输入引脚连接与门82(NC7SZ08M5)输出引脚，输出引脚连接数字电位器86(X9313Z)；
在本实施例中，单片机通过GPIO输出引脚5、GPIO输出引脚6、GPIO输出引脚7与数字电位器86(X9313Z)相连，数字电位器86(X9313Z)的调节范围为0～1KΩ，所述调节数字电位器86(X9313Z)阻值为300R；
在本实施例中：测试点8～20的具体详情如下：
测试点8：超声波接收信号测试点；
测试点9：超声波接收信号经过一级放大后的测试点；
测试点10：超声波接收信号经过两级放大后的测试点；
测试点11：超声波接收信号经过两级放大后交流成分的测试点；
测试点12：超声波接收信号经过放大、整形后的测试点；
测试点13：小气泡比较电压测试点；
测试点14：大气泡比较电压测试点；
测试点15：小气泡比较器输出值测试点；
测试点16：超声波接收信号电压值测试点；
测试点17：大气泡比较器输出值测试点；
测试点18：有源晶振输出波形测试点；
测试点19：数字电位器输出信号测试点；
测试点20：超声波激励信号测试点。
在本实施例中，电阻41、电阻42、电阻43、三极管44、电阻45、电阻46、电容47，构成超声波接收信号第一级放大的静态工作点电路，电容92起到隔直通交的作用；
在本实施例中，电阻49、电阻50、电阻51、三极管52、电阻53、电阻54、电容57，构成超声波接收信号第二级放大的静态工作点电路，电容48起到隔直通交的作用；
在本实施例中，电容60起到隔直通交的作用，二极管61和电容63构成单向半波整流电路，二级管62起到限幅值的作用；
在本实施例中，运算放大器65(SGM8249-1)起到电压跟随的作用，将输入信号与输出信号隔离；
在本实施例中，电阻70、电阻71、电阻72、电阻77、比较器73构成小气泡的比较电路，测试点13的设置电压为1V，正常情况下血液中没有混入气泡时，比较器73(LM2903)输出电压为0V，当血液中混入的体积大于0.3uL、小于10uL的小气泡时，由于流动的血液中混入的气泡，血液的密度会降低，超声波在传播路径上还会被空气泡散射，与正常情况相比，接收端接到的能量将衰减，信号波形也将产生畸变，幅值变小，因此测试点12的电压值会降低，当电压值小于1V时，比较器73(LM2903)输出电压为3.3V，单片机程序中将引脚配置成外部中断输入，在程序中断函数中，对中断次数进行计数，从而对小气泡的数量进行累加，当小气泡累加的次数超过10次，在程序中，进行停止血泵运转、打开静脉夹；
在本实施例中，电阻68、电阻69、电阻75、电阻79、比较器74构成大气泡的比较电路，测试点14的设置电压为0.1V，正常情况下血液中没有混入气泡时，比较器74(LM2903)输出电压为3.3V，当血液中混入的体积大于20uL的大气泡时，由于流动的血液中混入的气泡，血液的密度会降低，超声波在传播路径上还会被空气泡散射，与正常情况相比，接收端接到的能量将衰减，信号波形也将产生畸变，幅值变小，从而测试点12的电压值会降低，当电压值小于0.1V时，比较器74(LM2903)输出电压为0V，程序中将单片机引脚配置成外部中断输入，在程序中，进行停止血泵运转、打开静脉夹；
在本实施例中，电阻66、电容67、运算放大器76、电阻78、电阻80构成超声波电压信号的采集波形，电阻66、电容67构成一阶RC滤波，对输入电压信号进行滤波，电阻78，电容80构成一阶RC滤波，减小单片机片上ADC电压采集引脚2的电压信号纹波；
在本实施例中，AD采集采用单片机自带的AD转换模块，转换精度为12位，ADC时钟为四分频，即ADC时钟频率为24MHz。超声波信号的AD采集是采用TIMER定时采集的方式进行的，TIMER的频率配置为8KHz，即每秒钟采集8000个ADC值。
第一步：为了提高AD采集的准确性，每轮采集8个数据，对该8个数据采用中位值滤波算法得到有效值。具体是每轮连续采集8个数据后，对该8个采样值按大小排列，取中间4个采样值的平均值为本轮采集的有效值，该滤波算法的优点是能有效克服因偶然因素引起的波动干扰；
第二步：每采集到40个有效值为1组，每组进行1次最小值比较。得到最小有效值后，再将其转换为对应的电压值，超声波信号采集的频率为25Hz。
监测原理如下：超声波信号从发射面发出以后，小部分被传感器壳体漫反射，大部分穿过壳体，透过空气隙，再一次穿过管路的管壁进入流动的液体中。上述传输过程中，小部分能量在空气隙中损失，大部分能量在流动的液体中传输到接收端的管壁，并按发射端的逆过程传到接收端的换能器，转换成与发射频率同频的微弱电信号。若流动的液体中有大小不等的气泡，液体的密度会降低，超声波在传播路径上还会被空气泡散射，与正常情况下相比，接收端接收到的能量将衰减，信号波形也将产生畸变，幅值变小；气泡越大，幅值越小；根据此原理，可以通过电压幅值来判别气泡大小。
监测流程：1、血液监测模块通过单片机控制监测功能打开，电路开始工作时，有源晶振81产生3MHz激励信号,数字电位器86处于默认值(500欧姆)，这时单片机内部ADC会采集到稳定的电压值；如果ADC采集到的电压值过大(大于2.7V)或过小(小于2V)，通过调节数字电位器86阻值使初始值稳定在2.5V左右；2、电路正常工作时，发送换能器一直处于发送状态，单片机内部ADC采集气泡值；当用于小气泡检测的比较器73电平信号发生变化，单片机根据电平的变化以及单片机片上ADC读取的电压值，对气泡大小进行初步判别，存储当前ADC值；当管路中出现多个小气泡时，单片机对多个ADC值进行累加，大于预设值，进行停止血泵运转、打开静脉夹操作，同时清零累加值；当用于大气泡的比较器74的输出端电平会出现变化，单片机根据电平的变化判别为出现大气泡，进行停止血泵运转、打开静脉夹操作；3、电路停止工作时，关闭发送换能器，监测流程停止运行。
该电路测量精度高，经过多次实验验证，测量最小气泡可达到0.3uL(250mL/min流速)，完全满足临床使用的需求；电路设计采用单片机片上ADC，减少了外部ADC芯片的使用，降低了成本，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种血液气泡监测模块，其特征在于，包括：超声波信号产生子模块、超声波信号接收处理子模块、收、发独立的超声波换能器；
所述超声波信号产生子模块包括有源晶振、驱动器、数字电位器、发送换能器，所述驱动器输入引脚通过与门分别与所述有源晶振、单片机的第一GPIO输出引脚连接，输出引脚与数字电位器的一端连接，所述数字电位器的另一端与所述发送换能器连接，所述数字电位器的控制引脚与单片机的第二、三、四GPIO输出引脚连接；
所述超声波信号接收处理子模块包括片上ADC前级电路、第一运算放大器、第一比较器、第二比较器、接收换能器，所述片上ADC前级电路的一端与所述接收换能器连接，另一端通过所述第一运算放大器分别与所述第一比较器、第二比较器连接，所述第一比较器、第二比较器分别与单片机第一外部中断引脚、单片机第二外部中断引脚连接；
所述血液气泡监测模块对血液中的气泡进行监测时，包括以下步骤：
S1：血液气泡监测模块通过单片机控制监测功能打开；
S2：当管路中出现单个气泡时，所述第二比较器的输出端电平会出现变化，单片机根据电平的变化以及单片机片上ADC读取的电压值，对气泡大小进行初步判别，并存储当前ADC值；
S3：当判别管路中出现多个小气泡时，单片机对多个ADC值进行累加；当判别管路中出现大气泡时，所述第一比较器的输出端电平会出现变化，单片机根据电平的变化判别为出现大气泡。
2.根据权利要求1所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：所述有源晶振的频率为3MHz，输出脉冲波形到所述驱动器的输入引脚。
3.根据权利要求1所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：所述数字电位器通过单片机控制来调节数字电位器的阻值，改变所述发送换能器的驱动信号幅值。
4.根据权利要求1所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：所述片上ADC前级电路包括依次连接的一级放大电路、二级放大电路、半波整流电路，所述一级放大电路与所述接收换能器连接，所述半波整流电路与所述第一运算放大器的同相输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：所述一级放大电路与接收换能器之间、所述一级放大电路与二级放大电路之间、所述二级放大电路与半波整流电路之间均设置有一个隔直通交电容。
6.根据权利要求5所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：所述超声波信号接收处理子模块还包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的同相输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，反相输入端与单片机片上ADC的电压采集引脚连接。
7.根据权利要求6所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：所述第一运算放大器的输出端与所述第一比较器的反相输入端连接，所述第一比较器的输出端接电阻到自身的同相输入端，形成回滞比较器，并与单片机第一外部中断引脚连接，所述第一比较器的同相输入端设置成固定电压。
8.根据权利要求7所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：所述第一运算放大器的输出端与所述第二比较器的同相输入端连接，所述第二比较器的输出端接电阻到自身的反相输入端，形成回滞比较器，并与单片机第二外部中断引脚连接，所述第二比较器的反相输入端设置成固定电压。
9.根据权利要求8所述的一种血液气泡监测模块，其特征在于：在所述步骤S3中，所述小气泡为血液中混入的大于0.3uL、小于10uL的气泡，所述大气泡为血液中混入的体积大于20uL的气泡。
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