1 引言
 
醫(yī)院用低溫液體通常指的是液氧、液氮、液氦等，在其儲運、銷售和使用過程中，需要對其液位、質量、壓力等參數(shù)進行測定， 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，實現(xiàn)上述測定的現(xiàn)有測量設備，機械結構均較為復雜，測量精度和可靠性較低，很難與計算機聯(lián)網(wǎng)和實現(xiàn)遠程操作與顯示等^[1]。 本研究的目的在于提供一種新型醫(yī)院用低溫液體質量測定儀， 以克服現(xiàn)有醫(yī)用低溫液體質量測定設備存在的問題與缺點^[2]。 本研究成果已獲得G家實用新型**
 
（**號：ZL200420065326.4）。
 
2 系統(tǒng)硬件設計
 
2.1 整機構造原理簡介
 
如圖 1 所示，貯槽內(nèi)氣相部分，從液面各點到頂點 A，各點
 
壓強均約等于 A 點處壓強， 傳感器把貯槽內(nèi)液面各點到底點 B
 
的機械壓力差變成相應大小的電信號。 由于此機械壓力差正比于液體的高度， 所以相應大小的電信號反應了相對應的液面高度。 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量，因此，單片機在已知容器幾何參數(shù)和液體密度后， 再得到傳感器送來的電信號，即可計算出液體的質量、液位等。
 
2.2 控制電路組成
 
如圖 2 所示，本研制控制部分設有殼體、單片機處理器 ^[3]、差
 
壓變送器、鍵盤、實時時鐘電路、存儲器、LCD 顯示器、接口電路
 
和電源，差壓變送器、鍵盤、實時時鐘電路的輸出端與單片機處理器的 I/O 接口連接，存儲器、接口電路的 I/O 接口與單片機處理器的 I/O 接口連接，LCD 顯示器的輸入端與單片機處理器的 I/
 
O 接口連接，接口電路的 I/O 接口外接上位機^[4-6]。
 
傳感器選用差壓變送器^[7-8]，因為實際使用中 A、B 之間的機械壓力差變化很大，有時**值也很大，差壓變送器抗超負荷能力特別強。 另外， 差壓變送器安裝幾乎對貯槽沒有任何特別要求，有利于整機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)單片機對差壓變送器傳輸?shù)男盘栠M行 A/D 轉換、數(shù)據(jù)
 
篩選和計算，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、質量和液面高度。 貯罐規(guī)格改變時，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，只需在鍵盤上重

新選擇或輸入液體密度。 可實時顯示液體充入和輸出量，也可查
詢歷史記錄，還可設定液體高低限報警，方便與計算機聯(lián)網(wǎng)、遠
程顯示、操作和報警。
2.3  單片機系統(tǒng)電路工作原理
如圖 3 所示，系統(tǒng)接通 5 V 直流電源，差壓變送器 PB 接通
24 V 直流電源，單片機 IC2 對系統(tǒng)進行自檢。 若有異常，單片機
IC2 經(jīng) R13 由三極管 BG2 驅動喇叭 SP 發(fā)出報警聲 ， 再通過
LCD 顯示器用文字顯示報警異常信息， 并由集成電路 IC1 組成
的 RS-485 接口電路將報警信息外送上位機；	若系統(tǒng)正常，LCD
顯示器用文字顯示正常信號，在鍵盤 K1～K4 上選擇分別輸入液
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
入液體的密度），單片機 IC2 根據(jù)直徑計算出標準橢圓封頭的參
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)轉換成
4～20 mA 的電信號，經(jīng)精密電阻 R8，產(chǎn)生 0.512～2.56 V 的電壓信
號，經(jīng) IC2 的 23 腳送入單片機，單片機在設定的時間間隔讀取，
并將此電壓信號與內(nèi)部的 2.56 V 的基準電壓比較并進行 A/D 轉
換，成為 10 位二進制的數(shù)字信號。 鐵電存儲器 IC3 用來記錄液
體量和時間、報警信息和報警時間等。

位機。
當單片機在設定的時間內(nèi)檢測到 R8 的電壓數(shù)據(jù)是減少
時，表明貯罐有液體輸出，讀入此時的電壓值，并進行 A/D 轉換
成數(shù)字信號，判斷此液面的高度。 若液面低于橢圓封頭的高度，
則液體的質量按橢圓封頭高度和容積的關系進行計算， 得出容
積再乘以密度，即為此時所充裝液體的質量；若液面高過封頭的
高度，則液體圓柱部分加上封頭的容積，再乘以密度，即為此時
所充裝液體的質量。 當液體量少于設定的值時，單片機經(jīng) R13，
由 BG2 驅動 SP 喇叭發(fā)出報警聲，再通過 LCD 顯示器顯示報警
信息，并由 IC3 組成的 RS-485 接口電路將報警信息送上位機；
當液體量多于設定值時， 單片機得到此時所充裝液體的質量數(shù)
字， 并從 IC4 讀入日期和時間數(shù)據(jù)， 先存入存儲器 IC3， 再送
LCD 顯示器顯示， 并通過 IC3 組成的 RS-485 接口電路送上位
機。
在通常情況下，LCD 顯示當前貯罐所充裝液體的質量和占
充裝滿罐的百分比。 當需要查詢該貯罐所充裝液體量的數(shù)據(jù)時，
在鍵盤上按菜單鍵，LCD 顯示主菜單， 選擇并確認 “液體量查
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
認鍵；若是查詢充入量，可查**近幾
次液體的充入量和充入時間；若是查

個時間段內(nèi)液體的輸出量。
當需要改變貯罐或改變充裝的
液體種類時， 在鍵盤上按菜單鍵，
LCD 顯示主菜單，選擇并確認“改變
參數(shù)”，	要改變貯罐或改變充裝的液
體種類，按上下鍵選擇，并按確認鍵。
若是改變貯罐， 需要輸入并確認密
碼 再輸入貯罐的參數(shù)		按確認鍵	若
，	，	；
是改變充裝的液體種類 需要輸入并
		，
確認另一組密碼，再輸入種類或直接
鍵入液體的密度，按確認鍵。
光敏電阻 R9 和 R10 組成的分
壓，通過 IC2 的 24 腳輸入，單片機進
行 A/D 轉換，判斷環(huán)境的亮或暗，來
打開或關閉 LCD 的背光。 在 LCD 顯
示時， 當環(huán)境較暗時，		光敏電阻 R9
的阻值增大，單片機 A/D 轉換的數(shù)值
大于設定值時，IC2 置 26 腳為低電
平，BG1 導通，LCD 打開背光；反之，則關閉背光。

當單片機在設定的時間內(nèi)檢測到的 R8 的電壓數(shù)據(jù)是不斷地增加時，表明有液體裝入貯罐內(nèi)；當電壓數(shù)據(jù)的增加停止時，表明液體充裝完畢。 單片機讀入此時的電壓值，并進行 A/D 轉換成數(shù)字信號，判斷此液面的高度，若液面低于橢圓封頭的高度，則所充裝液體的質量按橢圓封頭高度和容積的關系進行計算，得出容積再乘以密度，即為所裝入液體的質量；若液面高過封頭的高度，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量。 單片機得到所裝入液體的質量數(shù)字，并從實時
 
時鐘集成電路 IC4 讀入日期和時間數(shù)據(jù)，先存入存儲器 IC3，再
 
送 LCD 顯示器顯示， 并通過 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或數(shù)值詳見表 1。
 
2.5 軟件設計
 
軟件的主程序包括系統(tǒng)初始化、測量、顯示、報警、通訊等子程序。 系統(tǒng)初始化子程序設置系統(tǒng)初始狀態(tài)，測量子程序中包含消除脈沖干擾和 50 Hz 工頻干擾的數(shù)字濾波計算程序。 消除脈
 
沖干擾子程序的數(shù)字濾波計算程序的算法是： 連續(xù)采樣數(shù)據(jù) 4
 
次，去掉**大值和**小值，計算中間 2 個數(shù)的平均值。 消除 50 Hz
 
工頻干擾的數(shù)字濾波計算程序的算法采用周期等分和為零的原
_理[12]_。