称重系统在高精度医用透析床中的应用设计
0引言
在医用透析领域，血透机精确的控制病人透析时的流入与流出的液体量，精度高,误差仅为1ml。但在医疗纠纷日益成为医院头疼的事情时，透析时病人所躺的床如具有测重功能，为防止透析医疗事故的发生可提供有力的帮助。因此设计一个具有称重、显示、报警的透析床的控制系统有非常实用的意义。本称重系统设计由七部分组成：称重信号输入、A/D转换器、CPU、RS232串行通讯、显示部分、键盘输入、超载报警,整个系统组成见图一。
1称重传感器的选型
称重传感器是一种将重量信号转变为可测量的电信号输出的装置,传感器的选择对测量来说是至关重要的。
1.1称重传感器的结构、型式的选择
在电子衡器中，选用何种结构、型式的称重传感器，主要看电子衡器的结构和使用的环境。压力应变式分为压式传感器、拉式传感器等。由于本仪器主要用于医疗透析称重场合，传感器一般会安装在床下面，且由于拉式传感器所支持的重量一般不大，所以这里选用压式传感器。
1.2称重传感器量程的考虑
称重传感器实际使用时，应考虑秤体的重量以及振动、冲击、偏载等情况。因此，不同称量系统选用称重传感器量程的原则也有所差别。一般规则如下：
已知单传感器静态称重系统有：（固定负荷+变动负荷）≤所选用传感器的额定载荷* 70%[1]。对于需要透析的人，基于效益的角度考虑，绝大部分肾友的体重一般都小于270kg。当床的承重架的重量为10kg时，传感器所要测的总重量为280kg，故选用单传感器时的额定载荷Emax要至少是400kg。
1.3称重传感器准确度的选择
一般称重传感器的质量最小区分度如为10g,传感器的成本就已经要几千元了，考虑到血透机已有的控制精度，床只是作为辅助手段，因此再增加床的精度，从性价比的角度来考虑，意义不会太大。因此系统设计的质量最小区分度选为10g，这决定了称重传感器的Vmin 要≤10g。根据这个要求，本设计选用订制的LT-6T，可满足系统精度要求，它主要参数如表一所示。
1.4称重传感器输出的电压范围
传感器的载荷为最大负荷400kg时，理论上输出最大电压=激励电压*灵敏度
=12*2=24mV[1]。当测量280kg时，所对应的输出电压是280kg*24mv/400kg=16.8mv。当考虑床的承重架的重量本身为10kg，其对应的输出电压是0.6mv，因此整个系统的输出电压是0.6mv~16.8mv。
2运放、A/D转换器的选型
因为传感器的输出最大电压只有16.8mv,信号比较小，常规的运放很难达到精度要求，所以要选用仪用放大器。此外，系统最大称重的重量为400kg，而Vmin为10g，所以系统的区分度是四万分之一，要求A/D转换单元的位数超过16位。基于上面两点的考虑，本系统选用24位的CS5522芯片，它是Cirrus Logic公司为适应小信号、高精度的测量应用而推出的，它内部除集成了24位高精密A/D转换单元，内部含有多路复用器、可编程增益放大器、测量放大器、数字滤波器。既满足了精度要求，又简化电路的设计。CS5522的主要特性如下：
（1）单/双极性输入，信号范围25mV、50mV、100mV、1V、2.5V、5V可选等；
（2）低输入电流（100PA），内带一个斩波放大器；
（3）2个差分输入模拟通道，每个通道都可以进行自校准和系统校准。
因为我们的输入范围是0.6—16.8mv，所以系统要在初始化时设置成输入范围为25mV，此时，它的Vref所需的电压是2.5V。同时，CS5522转换器有CS、SCLK、SDI、SD0四个引脚，转换数据通过这些引脚以SPI格式输出，简化了控制器的外围接口设计，可以容易地与常见的单片机直接连接。
3单片机的选型及其它外围电路
单片机是核心处理模块的核心部分，其主要任务是配合软件来完成信息处理和记录、控制调度其他部分正常工作。从称重功能的需要、性价比、程序的数据量和接口电路等多方面综合考虑。本文选用ATMEL公司的AT89C2051单片机作为控制器的核心。AT89C2051是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含2k Bytes可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。因为程序不是十分复杂，当用汇编语言编写时，2K的ROM能满足系统的设计。
AT89C2051具有如下特点：20个引脚，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），6个中断源，2个16位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口。没有P0和P2引脚，只有P1和P3(但没有P3.6)共15个引脚，尤其P3引脚的灌电流可达20mA。当采用共阳发光数码管时，它们可直接连接到发光数码管的段引脚，不需要外加芯片，就可驱动它对应的发光段点亮。
3.1显示单元的实现
由于系统显示单元只需6只数码管来显示体重，分别显示百、十、个位等。在其中，只有个位段码的小数点总是要显示，而其它5位数码管的小数点不需要显示。所以在使用共阳数码管时，可以让dp直接接地，省下单片机一个I/O口线。由于我们系统的引脚总共15根，所以考虑采用动态显示方式。由于dp可直接接地，所以用P3的7根引脚来连接数码管的段引脚，而对于6个数码管的公共端，可用P1.5、P1.6、P1.7作为74ls138的A、B、C的输入信号，再用74LS138的输出引脚Y0—Y5驱动1个ULN2003来控制6个公共端，实现轮流点亮6个数码管显示的需要。
3.2A/D采样通道的实现
由于CS5522采用了SPI协议的接口，所以可以方便地与AT89C2051直接连接,所以本设计用P1.0~P1.3口与CS5522的CS、SCLK、SDI、SD0相连接。具体连接方法如图二所示。此外，CS5522的Vref需要一个2.5V电压，系统根据CS5522的手册推荐，选用
LT1019-2.5精密电源芯片来实现。
3.3超载提示电路
由于长期肾功能不好，导致大多数肾友到要透析才能维持正常生活时，一般体重都不超过270kg。但为了适应特殊情况，系统也提供了超载提示电路。用P1.4引脚控制三极管的导通语法，来驱动蜂鸣器发出声音。此外为了适应实际病房希望安静的需要，系统还设计了一开关，用来把报警声关掉。
4精度的软件处理部分
本称重系统的精度要求比较高，此外，电路在进行数据采集时，一定会有一定的随机误差。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上也采用了限幅和平均值滤波算法，减小随机误差的干扰。此外，称重传感器本身也有线性度误差，这是系统误差，软件设计中采用了线性拟合法，对数据进行校准。
5结束语
由于整个称重仪表设计采用了一系列高精度、高可靠性的集成电路和误差处理技术，具有较高的分辨率和稳定性，并经过实验验证可以达到预期的要求，有较大的利用价值。
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