基于STM32的智能超聲輸液瓶液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

曾研 艾信友 劉露 胡凱旋 范兵兵 申屠蛟龍

摘 要：文章設(shè)計(jì)了基于STM32的超聲輸液瓶液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，STM32接收各傳感器采集的數(shù)據(jù)并處理分析，通過NRF24L01無線射頻發(fā)射數(shù)據(jù)到另一個(gè)控制終端，實(shí)時(shí)顯示液位并進(jìn)行報(bào)警提示，誤差控制在2mm以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)輸液瓶液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與智能報(bào)警。

關(guān)鍵詞：STM32F407；超聲液位測(cè)量；NRF無線射頻

中圖分類號(hào)：R445.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0021-03

Abstract： In this paper， a liquid level monitoring system for ultrasonic infusion bottle based on STM32 is designed， which receives and processes the data collected by various sensors， transmits data to another control terminal through NRF24L01 wireless radio frequency， displays the liquid level in real time and gives alarm warning. The error is controlled within 2 mm， thus realizing the real-time monitoring and intelligent alarm of the liquid level of the infusion bottle.

Keywords： STM32F407； ultrasonic liquid level measurement； NRF radio frequency

智能醫(yī)療是當(dāng)今的熱點(diǎn)，當(dāng)今門診每天輸液的人流量越來越大，護(hù)士很難顧及到每一位患者，造成更換藥物信息溝通的延遲，經(jīng)常出現(xiàn)一些醫(yī)療糾紛和矛盾。很難適應(yīng)當(dāng)今智能醫(yī)療發(fā)展的趨勢(shì)和滿足更加人性化的要求。為此，設(shè)計(jì)出新穎的超聲液位測(cè)量系統(tǒng)，滿足智能醫(yī)療的普及和推廣。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)以STM32F407為核心，對(duì)超聲和各傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過NRF24L01無線射頻發(fā)射數(shù)據(jù)到另一個(gè)控制終端，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 測(cè)量原理

2.1 回波法的使用

超聲對(duì)固體的穿透性是很強(qiáng)的，同時(shí)當(dāng)超聲波在藥體、氣體之間穿透?jìng)鞑r(shí)，會(huì)在二者界面處產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這時(shí)候，咱們可以按照超聲波穿越固液、氣液兩個(gè)界面的時(shí)間差及其在被測(cè)藥體中的傳布速度，計(jì)算出精確的液面位置。

如圖2所示，將換能器a置于藥瓶底部，發(fā)射一束超聲波到被測(cè)藥瓶?jī)?nèi)，聲波傳播過程中將在瓶底內(nèi)與液體的分界面處產(chǎn)生第一回波，傳播到被測(cè)液體表面時(shí)，在液體與上方氣體的界面處產(chǎn)生第二回波，回波向下反射由換能器a接收，同時(shí)測(cè)定聲波在兩個(gè)界面處產(chǎn)生回波的時(shí)間差值，已知超聲波在液體中的傳播速度u，則被測(cè)液體的液位為：

2.2 速度校正

溫度是影響精度的重要因素，因?yàn)樵诳諝庵?，溫度測(cè)量誤差大約1℃左右，對(duì)聲速的影響是0.6m/S，20℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下聲速約為340m/S（表1）。因此可以算出，對(duì)測(cè)量誤差的影響是0.17%，如果溫度測(cè)量誤差3℃，物位測(cè)量誤差就超過了0.5%的標(biāo)稱范圍。而絕大多數(shù)生產(chǎn)廠商給出的0.5%的精度范圍，一般指的是常溫常壓下的。環(huán)境溫度過高和過低，都有可能導(dǎo)致測(cè)量精度超過0.5%的情況。所以要對(duì)藥體的溫度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)聲速進(jìn)行校正，減少其引起的測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。計(jì)算公式為：

V=331.5+0.607T

因此可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要分為超聲波發(fā)射、接收、TFT顯示、NRF24L01射頻發(fā)射電路等。（1）發(fā)射電路中，由STM32產(chǎn)生脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)發(fā)射電路放大產(chǎn)生足夠驅(qū)動(dòng)換能器的高壓激勵(lì)脈沖使其發(fā)射超聲波，同時(shí)開啟捕獲中斷回波信號(hào)進(jìn)行判決。（2）接收電路主要對(duì)超聲反饋回來的信號(hào)進(jìn)行放大處理，借助硬件去除噪聲干擾，并且將信號(hào)整形后送往STM32進(jìn)一步處理分析。（3）顯示電路主要是通過STM32F407的FSMC接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)TFT-LCD的顯示及存儲(chǔ)。（4）溫度測(cè)量電路中采取DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到速率校正的目標(biāo)。（5）射頻電路對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)發(fā)送，采用NRF24L01無線射頻模塊，通過SPI協(xié)議與STM32完成通信。（6）電源電路的作用給整個(gè)系統(tǒng)單元供電。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件算法主要包括NRF的超聲發(fā)射；實(shí)時(shí)的溫度修正；無線傳輸和彩屏顯示等。

4.1 超聲發(fā)射、溫度修正部分

4.2 射頻發(fā)射部分（圖4）

4.3 TFT-LCD顯示部分（圖5）

5 數(shù)據(jù)處理和誤差分析

（1）信號(hào)通過接收電路的放大和濾波后，再由STM32的端口開啟輸入捕獲進(jìn)行上升沿和下降沿不斷切換，并通過溫度修正公式計(jì)算出準(zhǔn)確的液位值并打包好通過射頻發(fā)出，等待下一次的捕獲值。（2）超聲波的的入射角、反射角、液位表面三者幾何位置對(duì)測(cè)距的影響。本系統(tǒng)由于超聲探頭擺放的位置問題，當(dāng)超聲探頭安裝在底部，藥體表面不一定是與之平行的，所以其距離行不是藥業(yè)平面和探頭的垂直距離，而是與換能器的距離，所以我們要借助三角形等數(shù)學(xué)公式對(duì)距離算法進(jìn)行調(diào)整和修正，并保證三者存在的位置角度滿足公式算法，減少誤差。（3）盲區(qū)：盲區(qū)是指發(fā)射完超聲波信號(hào)結(jié)束時(shí)，信號(hào)存在著衰減震蕩，因?yàn)槌暡ㄔ诎l(fā)射的時(shí)候，是一個(gè)高壓脈沖，并且脈沖結(jié)束后，換能器會(huì)有一個(gè)比較長(zhǎng)時(shí)間的余震，這些信號(hào)根據(jù)不同的換能器時(shí)間會(huì)有不同，從幾百個(gè)uS到幾個(gè)mS都有可能，因此在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，聲波的回波信號(hào)是沒有辦法跟發(fā)射信號(hào)區(qū)分的。因此，被測(cè)物體在這個(gè)范圍內(nèi)，回波和發(fā)射波區(qū)分不開，也就沒有辦法測(cè)距，上述內(nèi)容就構(gòu)成了大家所謂的測(cè)量盲區(qū)。

經(jīng)過多次測(cè)試，當(dāng)被測(cè)藥體溫度在常溫時(shí)，對(duì)量程為1000ml以內(nèi)的藥瓶，可以完成精度為2mm之內(nèi)的誤差范圍。

6 結(jié)束語

醫(yī)療電子市場(chǎng)最為關(guān)注的五大技術(shù)熱點(diǎn)是：便攜式、信息化、低功耗、低成本、以及安全性。該項(xiàng)目以密閉式容器超聲液位測(cè)距原理為基礎(chǔ)，完全滿足技術(shù)要求。該項(xiàng)目可以繼續(xù)完善，比如可以繼續(xù)提高測(cè)量精度和進(jìn)行滴液速度的監(jiān)測(cè)，并且該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益很有潛力，市場(chǎng)推廣做好，可以有后續(xù)的改進(jìn)和完善，相信可以得到廣大醫(yī)患朋友的支持和使用。

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