CN204501931U - 一种点滴输液器检测报警电路及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种点滴输液器检测报警电路，包括一个激光二极管和与其并联设置的两个光电二极管，点滴输液器的输液管设置在激光二极管和两个光电二极管之间；其中一个光电二极管接收激光二极管发出并穿过输液管的射线，产生电流并经过电流/电压变换作用转换为电压V1，另一个光电二极管接收环境光线，产生电流并经过电流/电压作用转换为电压V2，将V1、V2经过差动放大器输出电压V3，V3与设定的临界电压值VT比较，通过比较值控制报警装置是否开启；依据该电路，本实用新型进一步提出了一种点滴输液器检测报警系统。本实用新型较现有技术相比，排除环境光线干扰，提高了报警装置的稳定性和灵敏性。

Description

一种点滴输液器检测报警电路及系统

技术领域

本实用新型涉及自动控制、通信技术以及医学领域，具体涉及一种用于点滴输液器滴速检测报警的电路，以及应用该报警电路的系统。

背景技术

点滴输液报警器的一个重要考虑因素是报警液面测定方式。因为液位的测定需要确保不能污染点滴输液袋内液体，因此应该使用非接触性质的测量形式。根据理论证明，在报警液面测定过程中通常存在三种情况：

(1)点滴输液袋内报警液面位置接近输液器插头，如图3所示。光源光线穿过点滴输液装置是一个光线反复折射的过程，光线入射到输液袋外侧，经输液袋材质折射后，再经输液袋内液体折射到达输液袋另一侧内壁，再经输液袋材质折射后到达输液袋外侧，最终进入空气被光电传感器接收。由于报警液面位置处点滴输液袋为圆弧形设计，在报警液面位置处光路经过整个折射过程后将稍微向上翘起。当液体滴至报警液面位置时，因为液体和空气的折射率不一样，光路将会发生改变，使原先能够照射到光电传感器的光线照射线路发生偏离，因此这时的光电传感器只能接收到自然光，而无法接收到经过点滴输液袋折射后的光线，光电传感器接收到的光线强度将大大减弱，引起光电流强度显著降低，然后通过后续接入的电路开启呼叫装置， 对医护人员进行报警。

(2)点滴输液袋内报警液面位置远高于输液器插头，如图4所示。当报警液位远高于输液器插头时，光源位置必须在点滴输液袋的中轴线上向侧面有一段偏移，以便更准确检测液位是否到达报警液面，否则将导致点滴输液报警器无法正常工作。此种情况下液位是否到达报警液面的检测原理与情况1相同，只是因为光路的改变，光电传感器的结构要求有所变化。

(3)在输液管内设定报警液面位置，检测设定报警液位处有无液体，来判断是否报警，如图5所示。光源光线如果集中照射在半径很小的输液管上，无论输液管内报警液位有无液体通过，光电传感器接收到的光信号差异不明显。所以光源位置在输液管横截面的中心位置上要有一定程度的偏移。此种情况下液位是否到达报警液面的检测原理与情况1相同，只是因为光路发生了改变，光电传感器的结构要求也有所变化。

通过非接触形式的测量方法来检测输液器的滴速是一种有效的输液器滴速监控方式，在这个过程中，如何保证光信号的准确采集、处理，以避免误报的情况，是一个值得研究的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种点滴输液器的报警电路，能避免环境光线对传感器造成的影响，使光信号的采集、处理过程更加精确。

为了实现上述任务，本实用新型采用以下技术方案：

一种点滴输液器检测报警电路，包括一个激光二极管和与其并联设置的两个光电二极管，点滴输液器的输液管设置在激光二极管和两个光电二极管之间；其中一个光电二极管接收激光二极管发出并穿过输液管的射线，产生电流并经过电流/电压变换作用转换为电压V1，另一个光电二极管接收环境光线，产生电流并经过电流/电压作用转换为电压V2，将V1、V2经过差动放大器输出电压V3，V3与设定的临界电压值VT比较，通过比较值确定报警装置是否开启。

进一步地，所述的激光二极管为D1，两个光电二极管为D2、D3，差动放大器为AR1，报警装置为蜂鸣器U1；所述的报警电路还包括电阻R1～R9，电源VCC，三极管Q1、Q2以及放大器AR2，其中：

R1与Q1的基极连接，Q1的集电极通过D1接地，Q1的发射极接电源VCC；D2、D3的上端接VCC，下端分别通过R2、R3接地，AR1的负输入端通过R4连接在D2、R2之间，AR1的正输入端通过R5连接在D3、R3之间，AR1的输出端一方面连接在AR2的负输入端上，另一方面通过R6连接AR1的负输入端；AR1和AR2之间设置有R7和R8，R7上端接VCC，R7下端连R8上端，R8的下端接地，而AR2的正输入端连接在R7、R8之间；AR2的输出端通过R9连接Q2的基极，Q2的发射极接VCC，U1的一端接Q2的集电极，U1的另一端接地；所述的AR1、AR2还分别接VCC和接地。

进一步地，所述的三极管Q1、Q2均采用PNP型三极管。

一种点滴输液器检测报警系统，包括单片机，在单片机上连接有检测报警电路和显示屏，所述的检测报警电路设置在一个可环绕点滴 输液器输液管固定的卡紧夹中。

进一步地，所述的卡紧夹包括两部分，为第一固定器和第二固定器，第一固定器中设置有第一通孔，第一通孔中安装激光二极管；第二固定器设置在第一固定器的一侧，两者之间有间隙；第二固定器可分为两半，第二固定器中设置有用于通过点滴输液器输液管的圆孔，第二固定器分为两半时，圆孔分为两个半圆孔；第二固定器靠近第一固定器的一侧设置有第二通孔，第二固定器远离第一固定器的一侧设置有第三通孔，第二通孔、第三通孔均与圆孔贯通；接收激光二极管射线的光电二极管设置在第三通孔中。

进一步地，所述的第二通孔的孔径小于第三通孔的孔径。

进一步地，所述的第三通孔的轴心线与第二通孔的轴心线交错。

本实用新型具有以下技术特点：

1.本实用新型利用激光二极管和光电二极管构成点滴输液器滴速检测部分，利用光电转换和信号处理来判定滴速是否正常，当点滴输液的液体低于报警液面位置的时候，通过报警装置实现提醒，整个电路结构简单，实用性强。本方案中着重考虑了现有的光电检测电路受到环境光线影响而使测量结果不准确的情况，针对性地设计了两个光电二极管，其中一个用于接收环境光线，排除环境光线干扰，提高了报警装置的稳定性和灵敏性。

2.本方案通常采用光电检测方法，利用点滴输液袋内液体与空气的折射率不相同，光线在液体与空气中折射角度存在差异，使得光线接收装置接收到强弱程度不同的光信号，因此产生不同的光电流，最 终通过获取的高、低电平来判断点滴输液袋中液体是否在报警液面的下方，是否开启报警呼叫装置。相比较于其他的液面测定方式，通过这种测定方式可以获取更高的精度。

附图说明

图1为点滴输液器检测报警电路的电路图；

图2为滴速检测电路的电路图；

图3是报警液位略高于输液器插头的光线折射原理图；

图4是报警液位远高于输液器插头的光线折射原理图；

图5是报警液位存在于输液管中的光线折射原理图；

图6是输液管内光线走向示意图；

图7是输液管内光电滴速检测示意图；

图8是卡紧夹的结构示意图；

图9是点滴输液器检测报警系统的结构示意图；

图中标号代表：1—第一通孔，2—第一固定器，3—间隙，4—第二固定器，5—第三通孔，6—圆孔，7—第二通孔； 

具体实施方式

本实用新型中提供了一种点滴输液器检测报警系统，以实现点滴输液器中液体发生停滞时进行呼叫报警的功能，从而使医护人员及时采取措施，保证输液安全。

首先介绍的是本方案中提出的一种点滴输液器检测报警电路，与传统的直接采用传感器的方法不同，考虑到输液器中发生的折射和环境光线的影响，本方案中直接采用激光二极管和光电二极管组成检测 机构，采用比较补偿的方式来使测量结果更加准确。

光源选用激光二极管，激光二极管是在发光二极管的结间放置一层带有光活性的半导体材料而形成的，并且激光二极管的端面经过抛光之后拥有一定的反射能力，因此激光二极管形成了一个光谐振腔。当出现正向偏执的状态时，光谐振腔和激光二极管发射出的光束产生相互作用，从而使得从结上发射出单波长的光线。

检测报警电路利用光信号的幅度变化来判断是否开启呼叫装置，为了精确测量光信号的幅度大小，本方案中选用光电二极管。它是一种进行光能和电能相互转换的器件，PN结型光电二极管对PN结的光敏特性进行了充分利用，将从光源接收到的光线变化转换成了电流变化。

一种点滴输液器检测报警电路，包括一个激光二极管和与其并联设置的两个光电二极管，点滴输液器的输液管或滴壶设置在激光二极管和两个光电二极管之间；其中一个光电二极管接收激光二极管发出并穿过输液管的射线，产生电流并经过电流/电压变换作用转换为电压V1，另一个光电二极管接收环境光线，产生电流并经过电流/电压作用转换为电压V2，将V1、V2经过差动放大器输出电压V3，V3与设定的临界电压值VT比较，通过比较值控制报警装置是否开启。

如图1所示，本方案中给出了更为具体的检测报警电路的电路图，在该图中：

激光二极管为D1，两个光电二极管为D2、D3，差动放大器为AR1，报警装置为蜂鸣器U1；所述的报警电路还包括电阻R1～R9，电源VCC， 三极管Q1、Q2以及放大器AR2，其中：

R1与Q1的基极连接，Q1的集电极通过D1接地，Q1的发射极接电源VCC；D2、D3的上端接VCC，下端分别通过R2、R3接地，AR1的负输入端通过R4连接在D2、R2之间，AR1的正输入端通过R5连接在D3、R3之间，AR1的输出端一方面连接在AR2的负输入端上，另一方面通过R6连接AR1的负输入端；AR1和AR2之间设置有R7和R8，R7上端接VCC，R7下端连R8上端，R8的下端接地，而AR2的正输入端连接在R7、R8之间；AR2的输出端通过R9连接Q2的基极，Q2的发射极接VCC，U1的一端接Q2的集电极，U1的另一端接地；所述的AR1、AR2还分别接VCC和接地。

在上述的电路中，激光二极管与光电二极管分别位于点滴输液管的两侧，这里使用一个激光二极管发射光线，使用两个光电二极管接收光线。采用的两个光电二极管，其中一个用来接收激光二极管发出的射线，另一个用来接收环境光线(日常照射光线)。激光二极管发出的射线通过点滴输液管的折射作用后被一个光电二极管接收，从而产生光电流，再经过电流/电压变换作用转换为电压V1。与此同时，环境光被另一个光电二极管接收，从而产生另一不同光电流，同样经过电流/电压变换作用转换为另一电压V2，此电压可作为参考信号使用。再将电压V1与电压V2通过差动放大器进行输出，那么经过差动放大器的输出电压V3就不受背景光线这个因素的影响，从而使得光电检测装置不受背景光线的干扰，提高了光电检测装置的使用稳定性。紧接着使用比较器对差动放大器的输出电压V3与临界电压VT进 行比较，比较器的电压临界值可设定为2.3V(实验测定值)，最终使用输出来驱动PNP型三极管的导通状态或者截止状态，从而实现开启报警装置进行报警。

本实用新型进一步提出一种点滴输液器检测报警系统，如图9所示，包括单片机，在单片机上连接有检测报警电路和显示屏，所述的检测报警电路设置在一个可环绕点滴输液器输液管固定的卡紧夹中。它是以单片机为主控单元，将激光二极管与光电二极管共同构成的检测报警电路放置于点滴输液管上，通过点滴输液的液体对激光二极管发出激光的折射和散射作用来检测点滴输液的液体有无，从而针对输液过程即将结束的情形或输液过程出现异常的状况及时开启呼叫功能。

卡紧夹包括两部分，如图8所示，为第一固定器2和第二固定器4，第一固定器2中设置有第一通孔1，第一通孔1中安装激光二极管；第二固定器4设置在第一固定器2的一侧，两者之间有间隙3；第二固定器4可分为两半，第二固定器4是由两个部分通过合页铰接的，而另一端可相对固定，第二固定器4中设置有用于通过点滴输液器输液管的圆孔6，第二固定器4分为两半时，圆孔6分为两个半圆孔6；第二固定器4靠近第一固定器2的一侧设置有第二通孔7，第二固定器4远离第一固定器2的一侧设置有第三通孔5，第二通孔7、第三通孔5均与圆孔6贯通；接收激光二极管射线的光电二极管设置在第三通孔5中。

如图8所示，激光二极管放置于第一固定器2的第一通孔1内， 并将激光二极管的发射端朝向第二固定器4中的第二通孔7中，当激光二极管发出的较粗光束通过第二通孔7中之后，光束将进一步变细，这将有利于提高光电检测装置的检测质量。而接收激光二极管发出射线的一个光电二极管放置于第二固定器4的带有倾斜角度的第三通孔5中，即第三通孔5的轴心线与第二通孔7的轴心线交错(第二固定器4未打开时)。

第三通孔5倾斜角度的设置原则为，当点滴输液的液体下降到报警液面位置以下的时候，光路发生改变，第三通孔5内光电二极管原先能够接收到的激光照射发生偏移，变得完全接收不到激光的照射，此时第三通孔5内光电二极管仅能接收到背景光照射，从而光信号的幅度急剧降低，导致光电流急剧下降，最终通过报警电路开启呼叫装置进行报警。

另外，本实用新型中还提出了一种单独的滴速检测电路，该滴速检测电路可与上述的单片机连接，可与检测报警电路、单片机共同构成功能更为多样的系统，例如滴速检测的同时进行报警，并通过显示屏实时输送滴速等情况。滴速检测电路如图2所示：

点滴输液的液体在滴管内一滴滴的落下，光源发出的光线垂直照射滴管，并射入输液滴管内而没有折射发生，直接沿着滴管的直径方向射出，其光线走向如图6所示。而点滴输液的液体滴落的过程中要经过滴管的中央区域，当点滴输液的液滴经过光源和光电接收器件之间的时候，光源的光线会发生折射与散射，从而导致光电接收器件瞬间无法接收到光源发出的光信号，此时光电接收器件的输出端就会产 生电平的跳变，利用此电平跳变就可以实现对点滴输液的液滴数目进行计数的目的，光电滴速检测过程如图7所示。

滴速检测部分也是利用点滴输液的液体对激光二极管发出激光的折射和散射作用，对点滴输液管内通过的液滴进行计数。当有液滴通过光电检测装置的时候，激光二极管Q3与光电二极管D5、D6之间为有液体与无液体状态的相互交替变化，从而引起运放AR3输入电压V4相应变化，随之也引起运放AR3输出电压V6的改变，运放输出电压V6与临界电压VT经比较器AR4进行比较，得到高低电平的变化序列。

具体的硬件实现过程中：

以AT89S52型单片机为控制核心。AT89S52型单片机是以8031型单片机为内核构成的8位微型控制器，因为与8051型单片机兼容，所以易于取代以8051型单片机为控制核心的系统。

其中AT89S52型单片机的引脚功能：

(1)VCC接电源，并且GND接地。

(2)XTAL1为振荡器反相放大器与内部时钟发生电路的输入端，而XTAL2为振荡器反相放大器的输出端。

(3)RST为复位输入，当输入的复位信号为持续2个机器周期以上的高电平时才是有效的，以此用来完成单片机的初始化操作。

(4)ALE为地址锁存控制信号，当访问外部程序存储器的时候，用于低8位地址输出脉冲的锁存操作，而PROG为编程脉冲输入引脚。

(5)PSEN为外部程序存储器选通信号，当从外部程序存储器读 取指令的时候，在每个机器周期内，外部程序存储器选通信号被激活两次。

(6)EA为访问外部程序存储器控制信号，EA需要与GND连接。

(7)P0口是8位漏极开路的双向输入/输出口。当访问外部程序存储器的时候，P0口也被作为低8位地址/数据复用。 

(8)P1口是具有内部上拉电阻的8位双向输入/输出口。P1口引脚的特殊功能：P1.0用于T2(定时器/计数器T2的外部计数输入)，P1.1用于T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号与方向控制)，P1.5用于MOSI(编辑程序使用)，P1.6用于MISO(编辑程序使用)，P1.7用于SCK(编辑程序使用)。

(9)P2口也是具有内部上拉电阻的8位双向输入/输出口。当访问外部程序存储器的时候，P2口发送高八位的地址。

(10)P3口同样是具有内部上拉电阻的8位双向输入/输出口。P3口引脚也具有特殊功能：P3.0用于RXD(串行输入)，P3.1用于TXD(串行输出)，P3.2用于INT0(外部中断0)，P3.3用于INT1(外部中断1)，P3.4用于T0(定时器0外部输入)，P3.5用于T1(定时器1外部输入)，P3.6用于WR(外部数据存储器写选通)，P3.7用于RD(外部数据存储器读选通)。

WDT型定时器是一种需要软件控制的复位方式，由13位计数器与复位存储器构成。默认情况下，WDT型定时器处于不工作的状态。当此定时器的复位存储器输入相关指令的时候，WDT型定时器将被激活，开始正常工作，且只有复位或掉电状态能够阻止WDT型定时器的 工作运行。为了正常使用这种定时器，应该在一段时间内周期性地向复位存储器输入相关指令，以避免复位对WDT型定时器工作所带来的影响。

AT89S52型单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器。陶瓷谐振器与石英晶体可以共同构成自激振荡器，如果从外部时钟源驱动器件，仅接入XTAL1即可。

与滴速检测电路配合时，当T0端口设定为计数方式的时候，比较器AR4的输出端接单片机T0端口，T0端口产生由高电平到低电平的负跳变脉冲的时候，计数器就计数加1，从而实现对点滴输液管内通过的液滴数目进行计数。点滴输液报警系统的硬件电路板上可连接一个LED显示屏，在系统运行过程中，此LED显示屏可显示输液过程中测得的实时滴数。

系统软件的实现：

在点滴输液报警系统配套的AT89S52型单片机起初开始工作的时候，首先需要将所有的输入/输出口与寄存器进行初始化编程，设置成点滴输液报警器工作时所需要的状态。AT89S52型单片机的初始状态：P0口至P3口均设定为0FFH；SP设定为07H；PC设定为0000H；SBUF保留默认状态，并且对寄存器进行复位。

在点滴输液报警系统正常工作的时候，不但折叠点滴输液管这类人为因素会引起输液管暂时无液体流过，从而导致错误报警，而且输液时有气泡存在于点滴输液管内也会导致错误报警。针对这些错误报警的情形，点滴输液报警系统采取了相应措施予以应对。点滴输液报 警器起初开始运转的前3分钟里，单片机内的中央处理器首先对P3.2口状态进行检查。假如出现人为因素导致错误报警，低电平将从P3.5口输出，从而最终使得呼叫装置进行报警，此时整个系统可仍保留开启状态。当输液时高电平从P3.0口与P3.2口输出的时候，则激光二极管处于不工作状态。在经过一段时间的点滴输液之后，激光二极管开始工作，单片机内的中央处理器对P3.2口状态进行检查。假如P3.2口从状态1变成状态0，针对有气泡存在于点滴输液管内导致错误报警的情形，单片机内的中央处理器将延时40MS。假如P3.2口仍为状态0，则低电平将从P3.5口输出，从而最终使得呼叫装置进行报警。假如P3.2口为状态1，则仍然对P3.2口状态进行检查，从而消除由于气泡存在于点滴输液管内导致错误报警所带来的影响。

当点滴输液报警系统开始工作的时候，对计数器进行初始化操作，设定计数器的初始值为0，令计数器从0开始计数。因为激光二极管和光电接收二极管共同组成的光电检测装置会间歇性的被点滴输液的液滴阻挡产生高低变化的脉冲，所以才出现计数器的外部事件计数脉冲，当CPU接收到从高电平到低电平的负跳变脉冲的时候，计数器就进行加1计数。

Claims (7)

1.一种点滴输液器检测报警电路，其特征在于，包括一个激光二极管和与其并联设置的两个光电二极管，点滴输液器的输液管设置在激光二极管和两个光电二极管之间；其中一个光电二极管接收激光二极管发出并穿过输液管的射线，产生电流并经过电流/电压变换作用转换为电压V1，另一个光电二极管接收环境光线，产生电流并经过电流/电压作用转换为电压V2，将V1、V2经过差动放大器输出电压V3，V3与设定的临界电压值VT比较，通过比较值确定报警装置是否开启。

2.如权利要求1所述的点滴输液器检测报警电路，其特征在于，所述的激光二极管为D1，两个光电二极管为D2、D3，差动放大器为AR1，报警装置为蜂鸣器U1；所述的报警电路还包括电阻R1～R9，电源VCC，三极管Q1、Q2以及放大器AR2，其中：

R1与Q1的基极连接，Q1的集电极通过D1接地，Q1的发射极接电源VCC；D2、D3的上端接VCC，下端分别通过R2、R3接地，AR1的负输入端通过R4连接在D2、R2之间，AR1的正输入端通过R5连接在D3、R3之间，AR1的输出端一方面连接在AR2的负输入端上，另一方面通过R6连接AR1的负输入端；AR1和AR2之间设置有R7和R8，R7上端接VCC，R7下端连R8上端，R8的下端接地，而AR2的正输入端连接在R7、R8之间；AR2的输出端通过R9连接Q2的基极，Q2的发射极接VCC，U1的一端接Q2的集电极，U1的另一端接地；所述的AR1、AR2还分别接VCC和接地。

3.如权利要求2所述的点滴输液器检测报警电路，其特征在于，所述的三极管Q1、Q2均采用PNP型三极管。

4.一种点滴输液器检测报警系统，包括单片机，其特征在于，在单片机上连接有检测报警电路和显示屏，所述的检测报警电路设置在一个可环绕点滴输液器输液管固定的卡紧夹中。

5.如权利要求4所述的点滴输液器检测报警系统，其特征在于，所述的卡紧夹包括两部分，为第一固定器(2)和第二固定器(4)，第一固定器(2)中设置有第一通孔(1)，第一通孔(1)中安装激光二极管；第二固定器(4)设置在第一固定器(2)的一侧，两者之间有间隙(3)；第二固定器(4)可分为两半，第二固定器(4)中设置有用于通过点滴输液器输液管的圆孔(6)，第二固定器(4)分为两半时，圆孔(6)分为两个半圆孔；第二固定器(4)靠近第一固定器(2)的一侧设置有第二通孔(7)，第二固定器(4)远离第一固定器(2)的一侧设置有第三通孔(5)，第二通孔(7)、第三通孔(5)均与圆孔(6)贯通；接收激光二极管射线的光电二极管设置在第三通孔(5)中。

6.如权利要求5所述的点滴输液器检测报警系统，其特征在于，所述的第二通孔(7)的孔径小于第三通孔(5)的孔径。

7.如权利要求5所述的点滴输液器检测报警系统，其特征在于，所述的第三通孔(5)的轴心线与第二通孔(7)的轴心线交错。