基于差分放大電路的液體點(diǎn)滴監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

何楠， 胡岳， 童仁麗， 陳曉峰， 殳國(guó)華

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 2.上海市電力公司 奉賢供電公司，上海 201400)

基于差分放大電路的液體點(diǎn)滴監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

何楠1， 胡岳1， 童仁麗1， 陳曉峰2， 殳國(guó)華1

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240； 2.上海市電力公司 奉賢供電公司，上海 201400)

設(shè)計(jì)了一種差分電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸液點(diǎn)滴的實(shí)時(shí)監(jiān)控。電路采用環(huán)境光源(自然光和燈光)為信號(hào)源，基于上下布置的光敏傳感器及差分電路減少干擾，采用四階有源帶通濾波電路有效提取與液滴低落所引發(fā)光強(qiáng)變化的脈沖信號(hào)，以有效值電壓作為比較電壓實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)對(duì)環(huán)境光強(qiáng)的自適應(yīng)調(diào)整，并輸出TTL脈沖表征液滴滴落過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明電路可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到液滴滴落現(xiàn)象，便于實(shí)現(xiàn)輸液狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

液體點(diǎn)滴監(jiān)控；差分電路；四階有源帶通濾波器；有效值檢測(cè)；TTL電平信號(hào)

0 引 言

靜脈輸液以穩(wěn)定持續(xù)的藥物濃度、快速有效地補(bǔ)充體內(nèi)所需液體的優(yōu)點(diǎn)以及操作直接、見(jiàn)效快的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為臨床醫(yī)學(xué)中最為常用的治療手段。然而，在我國(guó)由于醫(yī)護(hù)人員不足，工作強(qiáng)度過(guò)大，一旦無(wú)法及時(shí)更換液體，容易引發(fā)護(hù)理安全隱患，導(dǎo)致醫(yī)患糾紛[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外用于輸液監(jiān)控的方法中，運(yùn)用最為廣泛的是脈沖計(jì)數(shù)法，利用光電傳感技術(shù)對(duì)液滴進(jìn)行計(jì)數(shù)，這種方法不僅可以計(jì)算輸液速度，也可以用來(lái)計(jì)算已輸液量[3-4]。該方法需使用紅外對(duì)管作為光電傳感器的發(fā)射與接收端，系統(tǒng)功耗較大，終端電池需要經(jīng)常更換。本文設(shè)計(jì)了一種電路，以環(huán)境光源(自然光和燈光)作為光源，采用雙傳感器探測(cè)，基于差分放大技術(shù)將液滴滴落產(chǎn)生的光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎?jì)數(shù)的電脈沖，可實(shí)現(xiàn)低功耗輸液監(jiān)控。

1 系統(tǒng)方案

由于該系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療輸液系統(tǒng)，需要注意系統(tǒng)不能存在衛(wèi)生與安全隱患，設(shè)計(jì)方案中不能與液體有接觸[5]，不能影響正常查看點(diǎn)滴滴落狀況等。該系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)可以分為信號(hào)傳感電路，信號(hào)處理電路，電壓比較電路幾大模塊。

1.1 信號(hào)傳感方案

方案一：采用光敏二極管方案。利用光敏二極管反向飽和漏電流隨著入射光強(qiáng)的變化將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。此方案采集光強(qiáng)變化信號(hào)靈敏度高，但是由于光敏二極管是圓柱形狀且具有全方位受光的特點(diǎn)，并不適合在輸液器滴斗處使用。

方案二：采用光敏電阻方案。利用光敏電阻阻值隨著入射光強(qiáng)的變化將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。此方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且扁平薄片形狀以及單面受光的特點(diǎn)，容易貼合輸液器滴斗傳感信號(hào)。

通過(guò)比較，采用方案二，使用光敏電阻分壓電路將點(diǎn)滴經(jīng)過(guò)滴斗引起的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)變化。

1.2 信號(hào)處理方案

采用差分放大電路方案。系統(tǒng)接收光源為自然光和燈光，兩者的干擾光源頻率成分復(fù)雜，燈光下還有100 Hz的強(qiáng)干擾，差分放大電路可以有效地抑制共模干擾，從而大大減弱干擾信號(hào)的影響，再經(jīng)濾波處理，即可得到有效信號(hào)。

1.3 電壓比較方案

方案一：采用峰值保持電路方案。此方案電路簡(jiǎn)單，較為容易確定比較電壓，但峰值保持電路實(shí)時(shí)性較弱，難以處理高速脈沖信號(hào)，發(fā)生錯(cuò)誤的幾率也相對(duì)較高。

方案二：采用真有效值轉(zhuǎn)換電路(RMS/DC)方案。此方案精度高，實(shí)時(shí)性好，對(duì)點(diǎn)滴速度變化的適應(yīng)能力強(qiáng)，易于提取比較電壓。

通過(guò)比較，采用方案二，即采用真有效值轉(zhuǎn)換電路確定比較電壓。

綜上所述，系統(tǒng)硬件部分總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

硬件電路整體設(shè)計(jì)主要分為差分電路的設(shè)計(jì)、帶通濾波器的設(shè)計(jì)、電壓比較電路的設(shè)計(jì)三大塊，使用3.6 V紐扣電池作為電源，經(jīng)低壓差線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓至3.3 V對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行供電。

2.1 差分電路設(shè)計(jì)

為了保證并排差分效果更好，設(shè)計(jì)中將兩個(gè)光敏電阻上下緊貼放置在輸液器滴斗一側(cè)，考慮到試驗(yàn)電路中電壓的范圍以及單電源供電的形式，采用LM358D運(yùn)放芯片，設(shè)計(jì)的傳感電路及差分電路如圖2所示。

圖2 傳感及差分電路構(gòu)成

電路中，取R3=R4=10 kΩ，R7=R8=51 kΩ，經(jīng)該差分放大電路后，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

2.2 帶通濾波設(shè)計(jì)

按圖2所示的分壓傳感電路，分別在自然光和燈光下做分壓試驗(yàn)，兩種情況的信號(hào)經(jīng)FFT處理后歸一化(分別除以FFT后最大電壓絕對(duì)值Vmax)，得到頻譜如圖3所示。可以看出，目標(biāo)頻率范圍在10 Hz～35 Hz。

圖3 信號(hào)頻譜圖

設(shè)計(jì)中采用有源濾波電路，以隔離輸入與輸出，減少負(fù)載對(duì)電路的影響，同時(shí)可以進(jìn)行一定放大，能夠更好的維持信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。設(shè)計(jì)的有源濾波電路如圖4所示。

濾波電路的截止頻率f0：

可以算出，圖4所示二階濾波電路分別為放大2倍信號(hào)的f0=34 Hz的二階低通濾波電路和f0=10 Hz的二階高通濾波電路。

考慮到燈光下存在100 Hz的強(qiáng)干擾，擬采用串聯(lián)形式得到四階有源帶通濾波電路進(jìn)行濾波。另外，由于采用單電源供電，為了減少波形失真，并且保持一定的直流偏置，因此選擇輸入信號(hào)先進(jìn)行四階低通濾波，再進(jìn)行四階高通濾波。

2.3 電壓比較電路設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，選用LTC1966真有效值轉(zhuǎn)換器[6]將波形轉(zhuǎn)換為有效值輸出，再利用同相比例電路將信號(hào)放大1.5倍，作為比較電壓。

采用電壓比較器LM393，使用單電源供電，將濾波后的信號(hào)整形為TTL電平輸出，濾波后，信號(hào)波形呈現(xiàn)良好的半正弦波形，為了便于送入其他設(shè)備的I/O接口，常用電壓比較電路，將濾波后的波形整形為TTL電平輸出。設(shè)計(jì)的電壓比較電路如圖5所示。

圖4 有源濾波電路

圖5 電壓比較電路

經(jīng)設(shè)計(jì)和測(cè)試，液體點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)整體電路原理圖如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照?qǐng)D6所示原理圖，制作出PCB電路板，將電路板固定在輸液器滴斗上，采用4通道示波器顯示輸出波形。實(shí)驗(yàn)分別在自然光和燈光下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)能準(zhǔn)確捕捉每一次液滴滴落，并輸出一個(gè)TTL電平。

圖7為燈光下實(shí)驗(yàn)輸出波形，其中通道2為濾波后的電壓信號(hào)，通道1為電壓真有效值的1.5倍，而通道3為電壓比較后的輸出脈沖信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)系統(tǒng)硬件電路的性能進(jìn)行測(cè)試，得到以下功能指標(biāo)：

系統(tǒng)能穩(wěn)定檢測(cè)液滴滴落的間隔時(shí)間最小為50 ms/滴，即可以測(cè)得最大輸液速度為1 200 滴/分鐘，滿足輸液最大滴速120 滴/分鐘的要求。

圖6 系統(tǒng)電路原理圖

圖7 燈光下實(shí)驗(yàn)波形

系統(tǒng)正常工作電流為2.21 mA，使用的3.6 V紐扣電池容量為40 mAh，可連續(xù)工作20 h，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的低功耗。

系統(tǒng)輸出波形為TTL波形，便于接入單片機(jī)處理就算得到輸液滴速、輸液量等信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液體點(diǎn)滴的監(jiān)控，重新研究了輸液監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路方案，通過(guò)仿真與實(shí)際測(cè)試，設(shè)計(jì)了相關(guān)硬件電路，并制作了滿足要求的電路板。

該硬件電路基于差分放大電路，以環(huán)境中的自然光和燈光為光源，并選用真有效值作為比較電壓等創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，可以準(zhǔn)確的捕捉到液體滴落的現(xiàn)象，輸出TTL脈沖。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，和較低的電路功耗。

[1] 王致杰,孫霞.醫(yī)用輸液監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)[J].教育教學(xué)論壇,2012,4(40):175-176.

[2] 刁惠民,詹憲鳳,季兵.靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J].解放軍護(hù)理雜志,2009,26(3):73-74.

[3] 陳宇,王璽.基于光電技術(shù)智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2009,29(5):1149-1154.

[4] 付蓉,方安安,盧宗武,等.一種基于輸液速度與溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的輸液監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(15):183-188.

[5] 夏淑麗.智能液體點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(9):57-59.

[6] 王彥朋,任文霞,劉勇.真有效值轉(zhuǎn)換器LTC1966的原理與應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2003,2(5):91-93.

Hardware Design of IV Drip Monitoring Circuit Based on Differential Amplifier Circuit

He Nan1， Hu Yue1， Tong Renli1， Chen Xiaofeng2， Shu Guohua1

(1.Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China; 2.Fengxian Power Supply Company, SMEPC, Shanghai 201400, China)

A differential circuit is designed to realize real-time monitoring of IV drips. This circuit takes ambient light (natural light and lamplight) as the signal source and uses photosensor and differential amplifier circuit in vertical arrangement to reduce common-mode noise, and then adopts forth-order active band filter circuit to extract effectively the pulse signal that is changing along with the light intensity caused by the droplets. It takes RMS voltage as the comparative voltage to achieve adaptive adjustment of the detected signal against the light intensity and output TTL signals to indicate the droplet process. The experiments prove that this circuit can detect the drip pulse timely and accurately which will facilitate the monitoring of infusion condition.

IV drip monitoring; differential amplifier; forth-order active band filter; RMS detection; TTL signal

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.029

TP272/278;TN702

A

1000-3886(2016)05-0094-03

何楠(1989-)，男，河南鄭州人，碩士生，主要研究方向?yàn)榫植糠烹姍z測(cè)方面的研究。 胡岳(1978-)，男，湖南湘陰人，高級(jí)工程師，博士，從事電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)，局部放電全站檢測(cè)研究。

定稿日期: 2016-01-09