1 引言
医院用低温液体通常指的是液氧、液氮、液氦等，在其储运、销售和使用过程中，需要对其液位、质量、压力等参数进行测定， 由于医用低温液体的固有物理特性及其所充装的大型贮槽的特点，实现上述测定的现有测量设备，机械结构均较为复杂，测量精度和可靠性较低，很难与计算机联网和实现远程操作与显示等
[1]。 本研究的目的在于提供一种新型医院用低温液体质量测定仪， 以克服现有医用低温液体质量测定设备存在的问题与缺点
[2]。 本研究成果已获得G家实用新型**
（**号：ZL200420065326.4）。
2 系统硬件设计
2.1 整机构造原理简介
如图 1 所示，贮槽内气相部分，从液面各点到顶点 A，各点
压强均约等于 A 点处压强， 传感器把贮槽内液面各点到底点 B
的机械压力差变成相应大小的电信号。 由于此机械压力差正比于液体的高度， 所以相应大小的电信号反应了相对应的液面高度。 在已知几何参数的容器内，所装液体的体积是关于高度的已知函数，根据已知密度液体的高度可求出该液体的质量，因此，单片机在已知容器几何参数和液体密度后， 再得到传感器送来的电信号，即可计算出液体的质量、液位等。
2.2 控制电路组成
如图 2 所示，本研制控制部分设有壳体、单片机处理器
[3]、差
压变送器、键盘、实时时钟电路、存储器、LCD 显示器、接口电路
和电源，差压变送器、键盘、实时时钟电路的输出端与单片机处理器的 I/O 接口连接，存储器、接口电路的 I/O 接口与单片机处理器的 I/O 接口连接，LCD 显示器的输入端与单片机处理器的 I/
O 接口连接，接口电路的 I/O 接口外接上位机
[4-6]。
传感器选用差压变送器
[7-8]，因为实际使用中 A、B 之间的机械压力差变化很大，有时**值也很大，差压变送器抗超负荷能力特别强。 另外， 差压变送器安装几乎对贮槽没有任何特别要求，有利于整机降低成本和推广使用。
显示器选用 LCD 显示器， 接口电路选用 RS－232 或 RS－ 485 等。
系统单片机对差压变送器传输的信号进行 A/D 转换、数据
筛选和计算，提高数据采集的精度和可靠性
[9-11]。 LCD 可直接显示液体的种类、质量和液面高度。 贮罐规格改变时，输入其内径和高度便可得到其体积参数。 液体种类改变时，只需在键盘上重
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新选择或输入液体密度。 可实时显示液体充入和输出量，也可查 |
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询历史记录，还可设定液体高低限报警，方便与计算机联网、远 |
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程显示、操作和报警。 |
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2.3 单片机系统电路工作原理 |
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如图 3 所示，系统接通 5 V 直流电源，差压变送器 PB 接通 |
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24 V 直流电源，单片机 IC2 对系统进行自检。 若有异常，单片机 |
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IC2 经 R13 由三极管 BG2 驱动喇叭 SP 发出报警声 ， 再通过 |
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LCD 显示器用文字显示报警异常信息， 并由集成电路 IC1 组成 |
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的 RS-485 接口电路将报警信息外送上位机； |
若系统正常，LCD |
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显示器用文字显示正常信号，在键盘 K1～K4 上选择分别输入液 |
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体贮罐的直径、高度和充装液体的种类（液氧、液氮或液氦，或输 |
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入液体的密度），单片机 IC2 根据直径计算出标准椭圆封头的参 |
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数。 差压变送器 PB 将贮罐内液体高度的压力差的参数转换成 |
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4～20 mA 的电信号，经精密电阻 R8，产生 0.512～2.56 V 的电压信 |
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号，经 IC2 的 23 脚送入单片机，单片机在设定的时间间隔读取， |
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并将此电压信号与内部的 2.56 V 的基准电压比较并进行 A/D 转 |
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换，成为 10 位二进制的数字信号。 铁电存储器 IC3 用来记录液 |
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体量和时间、报警信息和报警时间等。 |
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位机。 |
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当单片机在设定的时间内检测到 R8 的电压数据是减少 |
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时，表明贮罐有液体输出，读入此时的电压值，并进行 A/D 转换 |
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成数字信号，判断此液面的高度。 若液面低于椭圆封头的高度， |
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则液体的质量按椭圆封头高度和容积的关系进行计算， 得出容 |
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积再乘以密度，即为此时所充装液体的质量；若液面高过封头的 |
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高度，则液体圆柱部分加上封头的容积，再乘以密度，即为此时 |
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所充装液体的质量。 当液体量少于设定的值时，单片机经 R13， |
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由 BG2 驱动 SP 喇叭发出报警声，再通过 LCD 显示器显示报警 |
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信息，并由 IC3 组成的 RS-485 接口电路将报警信息送上位机； |
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当液体量多于设定值时， 单片机得到此时所充装液体的质量数 |
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字， 并从 IC4 读入日期和时间数据， 先存入存储器 IC3， 再送 |
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LCD 显示器显示， 并通过 IC3 组成的 RS-485 接口电路送上位 |
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机。 |
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在通常情况下，LCD 显示当前贮罐所充装液体的质量和占 |
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充装满罐的百分比。 当需要查询该贮罐所充装液体量的数据时， |
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在键盘上按菜单键，LCD 显示主菜单， 选择并确认 “液体量查 |
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询”；要查询液体充入量或液体的输出量，按上下键选择，并按确 |
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认键；若是查询充入量，可查**近几 |
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次液体的充入量和充入时间；若是查 |
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个时间段内液体的输出量。 |
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当需要改变贮罐或改变充装的 |
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液体种类时， 在键盘上按菜单键， |
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LCD 显示主菜单，选择并确认“改变 |
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参数”， |
要改变贮罐或改变充装的液 |
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体种类，按上下键选择，并按确认键。 |
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若是改变贮罐， 需要输入并确认密 |
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码 再输入贮罐的参数 |
按确认键 |
若 |
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， |
， |
； |
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是改变充装的液体种类 需要输入并 |
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， |
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确认另一组密码，再输入种类或直接 |
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键入液体的密度，按确认键。 |
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光敏电阻 R9 和 R10 组成的分 |
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压，通过 IC2 的 24 脚输入，单片机进 |
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行 A/D 转换，判断环境的亮或暗，来 |
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打开或关闭 LCD 的背光。 在 LCD 显 |
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示时， 当环境较暗时， |
光敏电阻 R9 |
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的阻值增大，单片机 A/D 转换的数值 |
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大于设定值时，IC2 置 26 脚为低电 |
平，BG1 导通，LCD 打开背光；反之，则关闭背光。 |
当单片机在设定的时间内检测到的 R8 的电压数据是不断地增加时，表明有液体装入贮罐内；当电压数据的增加停止时，表明液体充装完毕。 单片机读入此时的电压值，并进行 A/D 转换成数字信号，判断此液面的高度，若液面低于椭圆封头的高度，则所充装液体的质量按椭圆封头高度和容积的关系进行计算，得出容积再乘以密度，即为所装入液体的质量；若液面高过封头的高度，则液体圆柱部分加上封头的容积，再乘以密度，即为所装入液体的质量。 单片机得到所装入液体的质量数字，并从实时
时钟集成电路 IC4 读入日期和时间数据，先存入存储器 IC3，再
送 LCD 显示器显示， 并通过 IC3 组成的 RS-485 接口电路送上
2.4 系统各主要元器件的参数
图 3 所示系统的各主要元器件的型号或数值详见表 1。
2.5 软件设计
软件的主程序包括系统初始化、测量、显示、报警、通讯等子程序。 系统初始化子程序设置系统初始状态，测量子程序中包含消除脉冲干扰和 50 Hz 工频干扰的数字滤波计算程序。 消除脉
冲干扰子程序的数字滤波计算程序的算法是： 连续采样数据 4
次，去掉**大值和**小值，计算中间 2 个数的平均值。 消除 50 Hz
工频干扰的数字滤波计算程序的算法采用周期等分和为零的原
理[12]
。
