1 引言
醫(yī)院用低溫液體通常指的是液氧、液氮、液氦等，在其儲(chǔ)運(yùn)、銷售和使用過(guò)程中，需要對(duì)其液位、質(zhì)量、壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定， 由于醫(yī)用低溫液體的固有物理特性及其所充裝的大型貯槽的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)上述測(cè)定的現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備，機(jī)械結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，測(cè)量精度和可靠性較低，很難與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與顯示等
[1]。 本研究的目的在于提供一種新型醫(yī)院用低溫液體質(zhì)量測(cè)定儀， 以克服現(xiàn)有醫(yī)用低溫液體質(zhì)量測(cè)定設(shè)備存在的問(wèn)題與缺點(diǎn)
[2]。 本研究成果已獲得G家實(shí)用新型**
（**號(hào)：ZL200420065326.4）。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 整機(jī)構(gòu)造原理簡(jiǎn)介
如圖 1 所示，貯槽內(nèi)氣相部分，從液面各點(diǎn)到頂點(diǎn) A，各點(diǎn)
壓強(qiáng)均約等于 A 點(diǎn)處壓強(qiáng)， 傳感器把貯槽內(nèi)液面各點(diǎn)到底點(diǎn) B
的機(jī)械壓力差變成相應(yīng)大小的電信號(hào)。 由于此機(jī)械壓力差正比于液體的高度， 所以相應(yīng)大小的電信號(hào)反應(yīng)了相對(duì)應(yīng)的液面高度。 在已知幾何參數(shù)的容器內(nèi)，所裝液體的體積是關(guān)于高度的已知函數(shù)，根據(jù)已知密度液體的高度可求出該液體的質(zhì)量，因此，單片機(jī)在已知容器幾何參數(shù)和液體密度后， 再得到傳感器送來(lái)的電信號(hào)，即可計(jì)算出液體的質(zhì)量、液位等。
2.2 控制電路組成
如圖 2 所示，本研制控制部分設(shè)有殼體、單片機(jī)處理器
[3]、差
壓變送器、鍵盤、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器、LCD 顯示器、接口電路
和電源，差壓變送器、鍵盤、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路的輸出端與單片機(jī)處理器的 I/O 接口連接，存儲(chǔ)器、接口電路的 I/O 接口與單片機(jī)處理器的 I/O 接口連接，LCD 顯示器的輸入端與單片機(jī)處理器的 I/
O 接口連接，接口電路的 I/O 接口外接上位機(jī)
[4-6]。
傳感器選用差壓變送器
[7-8]，因?yàn)閷?shí)際使用中 A、B 之間的機(jī)械壓力差變化很大，有時(shí)**值也很大，差壓變送器抗超負(fù)荷能力特別強(qiáng)。 另外， 差壓變送器安裝幾乎對(duì)貯槽沒有任何特別要求，有利于整機(jī)降低成本和推廣使用。
顯示器選用 LCD 顯示器， 接口電路選用 RS－232 或 RS－ 485 等。
系統(tǒng)單片機(jī)對(duì)差壓變送器傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)
篩選和計(jì)算，提高數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性
[9-11]。 LCD 可直接顯示液體的種類、質(zhì)量和液面高度。 貯罐規(guī)格改變時(shí)，輸入其內(nèi)徑和高度便可得到其體積參數(shù)。 液體種類改變時(shí)，只需在鍵盤上重
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新選擇或輸入液體密度。 可實(shí)時(shí)顯示液體充入和輸出量，也可查 |
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詢歷史記錄，還可設(shè)定液體高低限報(bào)警，方便與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn) |
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程顯示、操作和報(bào)警。 |
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2.3 單片機(jī)系統(tǒng)電路工作原理 |
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如圖 3 所示，系統(tǒng)接通 5 V 直流電源，差壓變送器 PB 接通 |
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24 V 直流電源，單片機(jī) IC2 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自檢。 若有異常，單片機(jī) |
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IC2 經(jīng) R13 由三極管 BG2 驅(qū)動(dòng)喇叭 SP 發(fā)出報(bào)警聲 ， 再通過(guò) |
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LCD 顯示器用文字顯示報(bào)警異常信息， 并由集成電路 IC1 組成 |
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的 RS-485 接口電路將報(bào)警信息外送上位機(jī)； |
若系統(tǒng)正常，LCD |
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顯示器用文字顯示正常信號(hào)，在鍵盤 K1～K4 上選擇分別輸入液 |
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體貯罐的直徑、高度和充裝液體的種類（液氧、液氮或液氦，或輸 |
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入液體的密度），單片機(jī) IC2 根據(jù)直徑計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的參 |
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數(shù)。 差壓變送器 PB 將貯罐內(nèi)液體高度的壓力差的參數(shù)轉(zhuǎn)換成 |
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4～20 mA 的電信號(hào)，經(jīng)精密電阻 R8，產(chǎn)生 0.512～2.56 V 的電壓信 |
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號(hào)，經(jīng) IC2 的 23 腳送入單片機(jī)，單片機(jī)在設(shè)定的時(shí)間間隔讀取， |
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并將此電壓信號(hào)與內(nèi)部的 2.56 V 的基準(zhǔn)電壓比較并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn) |
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換，成為 10 位二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。 鐵電存儲(chǔ)器 IC3 用來(lái)記錄液 |
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體量和時(shí)間、報(bào)警信息和報(bào)警時(shí)間等。 |
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位機(jī)。 |
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當(dāng)單片機(jī)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到 R8 的電壓數(shù)據(jù)是減少 |
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時(shí)，表明貯罐有液體輸出，讀入此時(shí)的電壓值，并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 |
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成數(shù)字信號(hào)，判斷此液面的高度。 若液面低于橢圓封頭的高度， |
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則液體的質(zhì)量按橢圓封頭高度和容積的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算， 得出容 |
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積再乘以密度，即為此時(shí)所充裝液體的質(zhì)量；若液面高過(guò)封頭的 |
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高度，則液體圓柱部分加上封頭的容積，再乘以密度，即為此時(shí) |
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所充裝液體的質(zhì)量。 當(dāng)液體量少于設(shè)定的值時(shí)，單片機(jī)經(jīng) R13， |
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由 BG2 驅(qū)動(dòng) SP 喇叭發(fā)出報(bào)警聲，再通過(guò) LCD 顯示器顯示報(bào)警 |
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信息，并由 IC3 組成的 RS-485 接口電路將報(bào)警信息送上位機(jī)； |
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當(dāng)液體量多于設(shè)定值時(shí)， 單片機(jī)得到此時(shí)所充裝液體的質(zhì)量數(shù) |
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字， 并從 IC4 讀入日期和時(shí)間數(shù)據(jù)， 先存入存儲(chǔ)器 IC3， 再送 |
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LCD 顯示器顯示， 并通過(guò) IC3 組成的 RS-485 接口電路送上位 |
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機(jī)。 |
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在通常情況下，LCD 顯示當(dāng)前貯罐所充裝液體的質(zhì)量和占 |
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充裝滿罐的百分比。 當(dāng)需要查詢?cè)撡A罐所充裝液體量的數(shù)據(jù)時(shí)， |
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在鍵盤上按菜單鍵，LCD 顯示主菜單， 選擇并確認(rèn) “液體量查 |
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詢”；要查詢液體充入量或液體的輸出量，按上下鍵選擇，并按確 |
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認(rèn)鍵；若是查詢充入量，可查**近幾 |
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次液體的充入量和充入時(shí)間；若是查 |
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個(gè)時(shí)間段內(nèi)液體的輸出量。 |
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當(dāng)需要改變貯罐或改變充裝的 |
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液體種類時(shí)， 在鍵盤上按菜單鍵， |
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LCD 顯示主菜單，選擇并確認(rèn)“改變 |
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參數(shù)”， |
要改變貯罐或改變充裝的液 |
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體種類，按上下鍵選擇，并按確認(rèn)鍵。 |
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若是改變貯罐， 需要輸入并確認(rèn)密 |
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碼 再輸入貯罐的參數(shù) |
按確認(rèn)鍵 |
若 |
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， |
， |
； |
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是改變充裝的液體種類 需要輸入并 |
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， |
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確認(rèn)另一組密碼，再輸入種類或直接 |
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鍵入液體的密度，按確認(rèn)鍵。 |
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光敏電阻 R9 和 R10 組成的分 |
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壓，通過(guò) IC2 的 24 腳輸入，單片機(jī)進(jìn) |
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行 A/D 轉(zhuǎn)換，判斷環(huán)境的亮或暗，來(lái) |
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打開或關(guān)閉 LCD 的背光。 在 LCD 顯 |
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示時(shí)， 當(dāng)環(huán)境較暗時(shí)， |
光敏電阻 R9 |
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的阻值增大，單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)值 |
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大于設(shè)定值時(shí)，IC2 置 26 腳為低電 |
平，BG1 導(dǎo)通，LCD 打開背光；反之，則關(guān)閉背光。 |
當(dāng)單片機(jī)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的 R8 的電壓數(shù)據(jù)是不斷地增加時(shí)，表明有液體裝入貯罐內(nèi)；當(dāng)電壓數(shù)據(jù)的增加停止時(shí)，表明液體充裝完畢。 單片機(jī)讀入此時(shí)的電壓值，并進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，判斷此液面的高度，若液面低于橢圓封頭的高度，則所充裝液體的質(zhì)量按橢圓封頭高度和容積的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得出容積再乘以密度，即為所裝入液體的質(zhì)量；若液面高過(guò)封頭的高度，則液體圓柱部分加上封頭的容積，再乘以密度，即為所裝入液體的質(zhì)量。 單片機(jī)得到所裝入液體的質(zhì)量數(shù)字，并從實(shí)時(shí)
時(shí)鐘集成電路 IC4 讀入日期和時(shí)間數(shù)據(jù)，先存入存儲(chǔ)器 IC3，再
送 LCD 顯示器顯示， 并通過(guò) IC3 組成的 RS-485 接口電路送上
2.4 系統(tǒng)各主要元器件的參數(shù)
圖 3 所示系統(tǒng)的各主要元器件的型號(hào)或數(shù)值詳見表 1。
2.5 軟件設(shè)計(jì)
軟件的主程序包括系統(tǒng)初始化、測(cè)量、顯示、報(bào)警、通訊等子程序。 系統(tǒng)初始化子程序設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)，測(cè)量子程序中包含消除脈沖干擾和 50 Hz 工頻干擾的數(shù)字濾波計(jì)算程序。 消除脈
沖干擾子程序的數(shù)字濾波計(jì)算程序的算法是： 連續(xù)采樣數(shù)據(jù) 4
次，去掉**大值和**小值，計(jì)算中間 2 個(gè)數(shù)的平均值。 消除 50 Hz
工頻干擾的數(shù)字濾波計(jì)算程序的算法采用周期等分和為零的原
理[12]
。
