基于STM32的智能超聲輸液瓶液位監測系統

曾研 艾信友 劉露 胡凱旋 范兵兵 申屠蛟龍

摘 要：文章設計了基于STM32的超聲輸液瓶液位監測系統，STM32接收各傳感器采集的數據并處理分析，通過NRF24L01無線射頻發射數據到另一個控制終端，實時顯示液位并進行報警提示，誤差控制在2mm以內，從而實現輸液瓶液位的實時監測與智能報警。

關鍵詞：STM32F407；超聲液位測量；NRF無線射頻

中圖分類號：R445.1 文獻標志碼：A 文章編號：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

智能醫療是當今的熱點，當今門診每天輸液的人流量越來越大，護士很難顧及到每一位患者，造成更換藥物信息溝通的延遲，經常出現一些醫療糾紛和矛盾。很難適應當今智能醫療發展的趨勢和滿足更加人性化的要求。為此，設計出新穎的超聲液位測量系統，滿足智能醫療的普及和推廣。

1 系統概述

該系統以STM32F407為核心，對超聲和各傳感器采集的數據進行處理分析，通過NRF24L01無線射頻發射數據到另一個控制終端，總體設計如圖1所示。

2 測量原理

2.1 回波法的使用

超聲對固體的穿透性是很強的，同時當超聲波在藥體、氣體之間穿透傳播時，會在二者界面處產生反射現象，這時候，咱們可以按照超聲波穿越固液、氣液兩個界面的時間差及其在被測藥體中的傳布速度，計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，發射一束超聲波到被測藥瓶內，聲波傳播過程中將在瓶底內與液體的分界面處產生第一回波，傳播到被測液體表面時，在液體與上方氣體的界面處產生第二回波，回波向下反射由換能器a接收，同時測定聲波在兩個界面處產生回波的時間差值，已知超聲波在液體中的傳播速度u，則被測液體的液位為：

2.2 速度校正

溫度是影響精度的重要因素，因為在空氣中，溫度測量誤差大約1℃左右，對聲速的影響是0.6m/S，20℃，1個標準大氣壓下聲速約為340m/S（表1）。因此可以算出，對測量誤差的影響是0.17%，如果溫度測量誤差3℃，物位測量誤差就超過了0.5%的標稱范圍。而絕大多數生產廠商給出的0.5%的精度范圍，一般指的是常溫常壓下的。環境溫度過高和過低，都有可能導致測量精度超過0.5%的情況。所以要對藥體的溫度進行檢測，并對聲速進行校正，減少其引起的測量誤差，提高測量精度。計算公式為：

V=331.5+0.607T

因此可利用軟件很方便的實現對傳感器的溫度補償。

3 硬件設計

硬件設計主要分為超聲波發射、接收、TFT顯示、NRF24L01射頻發射電路等。（1）發射電路中，由STM32產生脈沖驅動信號，經發射電路放大產生足夠驅動換能器的高壓激勵脈沖使其發射超聲波，同時開啟捕獲中斷回波信號進行判決。（2）接收電路主要對超聲反饋回來的信號進行放大處理，借助硬件去除噪聲干擾，并且將信號整形后送往STM32進一步處理分析。（3）顯示電路主要是通過STM32F407的FSMC接口，實現對TFT-LCD的顯示及存儲。（4）溫度測量電路中采取DS18B20對溫度進行實時監測，從而達到速率校正的目標。（5）射頻電路對實時數據進行自動發送，采用NRF24L01無線射頻模塊，通過SPI協議與STM32完成通信。（6）電源電路的作用給整個系統單元供電。

4 軟件設計

軟件算法主要包括NRF的超聲發射；實時的溫度修正；無線傳輸和彩屏顯示等。

4.1 超聲發射、溫度修正部分

4.2 射頻發射部分（圖4）

4.3 TFT-LCD顯示部分（圖5）

5 數據處理和誤差分析

（1）信號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行上升沿和下降沿不斷切換，并通過溫度修正公式計算出準確的液位值并打包好通過射頻發出，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測距的影響。本系統由于超聲探頭擺放的位置問題，當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學公式對距離算法進行調整和修正，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：盲區是指發射完超聲波信號結束時，信號存在著衰減震蕩，因為超聲波在發射的時候，是一個高壓脈沖，并且脈沖結束后，換能器會有一個比較長時間的余震，這些信號根據不同的換能器時間會有不同，從幾百個uS到幾個mS都有可能，因此在這個時間段內，聲波的回波信號是沒有辦法跟發射信號區分的。因此，被測物體在這個范圍內，回波和發射波區分不開，也就沒有辦法測距，上述內容就構成了大家所謂的測量盲區。

經過多次測試，當被測藥體溫度在常溫時，對量程為1000ml以內的藥瓶，可以完成精度為2mm之內的誤差范圍。

6 結束語

醫療電子市場最為關注的五大技術熱點是：便攜式、信息化、低功耗、低成本、以及安全性。該項目以密閉式容器超聲液位測距原理為基礎，完全滿足技術要求。該項目可以繼續完善，比如可以繼續提高測量精度和進行滴液速度的監測，并且該項目的經濟效益很有潛力，市場推廣做好，可以有后續的改進和完善，相信可以得到廣大醫患朋友的支持和使用。

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