基于單片機(jī)的微量輸液裝置

作者/ 鹿霏 上海交通大學(xué)(上海 200240)

摘要：針對(duì)微量藥液手動(dòng)輸注無(wú)法保證精度問題，本裝置通過C8051F020單片機(jī)控制直流電機(jī)，對(duì)微量藥液進(jìn)行精確輸注，最小輸注劑量可達(dá)0.01ml。可自由設(shè)定輸注速度、輸注劑量等參數(shù)，達(dá)到緩慢輸注效果，利于人體吸收。

引言

　　隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備的不斷更新，對(duì)醫(yī)用藥液的輸注精度要求越來(lái)越高，很多藥物對(duì)輸注劑量有著嚴(yán)格的要求，且這部分藥物無(wú)法通過生理鹽水、葡萄糖等進(jìn)行稀釋，從而傳統(tǒng)的人工針管輸注無(wú)法保證劑量的準(zhǔn)確性，而這部分藥物由于藥量較小，也不適合使用輸液泵長(zhǎng)時(shí)間輸注。本裝置是一款專門針對(duì)小劑量短時(shí)間輸注而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，可用于直接藥液輸注、精確配藥等，還可用于新藥鑒定、藥品藥效分析等。本裝置通過外接不同的針頭或輸液管路可實(shí)現(xiàn)靜脈輸注、皮下輸注等多種輸液方式。

1 總體設(shè)計(jì)

　　本輸液器由C8051F020單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、直流電機(jī)、紅外編碼器、輸注機(jī)構(gòu)、液晶顯示、按鍵、報(bào)警系統(tǒng)等組成，主要有輸注、復(fù)位、輸注速度設(shè)定、電量提示、阻塞報(bào)警等功能。最小輸注量為0.01ml，輸注精度可達(dá)5%以內(nèi)?？傮w設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

　　本輸液器通過按鍵與液晶顯示可設(shè)定輸注量與輸注速度，設(shè)定完成后，通過單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)推動(dòng)輸注機(jī)構(gòu)運(yùn)行，紅外編碼器反饋輸注信息，當(dāng)輸注量達(dá)到設(shè)定值后，單片機(jī)控制直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸注過程出現(xiàn)阻塞等故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)光二極管及蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。本輸液器體積小巧、操作簡(jiǎn)單，對(duì)部分風(fēng)險(xiǎn)性較小藥物，病人可自己在家中完成輸注過程，從而減輕醫(yī)院負(fù)擔(dān)。

2 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

　　C8051F020單片機(jī)是新華龍電子有限公司的一款混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳。該芯片內(nèi)核為CIP-51指令集，與MCS-51指令集完全兼容，速度可達(dá)25MIPS。該芯片的可編程計(jì)數(shù)器陣列可實(shí)現(xiàn)紅外編碼器的計(jì)數(shù)功能，有效保證了電機(jī)的輸注精度。內(nèi)部上拉電阻設(shè)計(jì)可使按鍵等設(shè)計(jì)不需單獨(dú)配置電阻，使產(chǎn)品體積更小。12位ADC可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電池剩余電量等功能。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　為了能夠控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，采用LG9110為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片每通道具有800mA的連續(xù)電流輸出能力，外圍電路簡(jiǎn)單，電路如圖2所示。

　　通過對(duì)IA、IB口輸入不同電平，可對(duì)應(yīng)OA、OB口不同輸出電平，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，如表1所示。正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)輸注功能，當(dāng)藥液全部輸注完成后，通過反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。

2.3 直流電機(jī)與輸注機(jī)構(gòu)

　　直流電機(jī)帶動(dòng)輸注機(jī)構(gòu)工作原理如圖3所示。

　　當(dāng)確定輸液值開始輸液時(shí)，由單片機(jī)算出直流電機(jī)需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，并由單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)絲桿上套筒前進(jìn)，套筒推動(dòng)輸液管前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)微量輸注，紅外編碼器記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，反饋給單片機(jī)的計(jì)數(shù)器。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，單片機(jī)停止電機(jī)工作。輸注過程中和輸注結(jié)束后，單片機(jī)通過紅外編碼器監(jiān)測(cè)電機(jī)狀態(tài)，如輸注過程中電機(jī)未轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致紅外編碼器無(wú)數(shù)據(jù)，或輸注結(jié)束后電機(jī)未停止轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致紅外編碼器產(chǎn)生數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)報(bào)輸注故障，通過報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行提示。

2.4 輸注安全設(shè)計(jì)

　　考慮到電機(jī)輸注過程中有失控的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用獨(dú)立的電源芯片供電，通過單片機(jī)可控制電源芯片，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到輸注出現(xiàn)故障電機(jī)無(wú)法停止時(shí)，單片機(jī)控制給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電的電源芯片斷電，從而有效地保證了電機(jī)輸注過程中的安全性，具體過程見圖4。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　本輸液裝置輸液總?cè)萘繛?ml，輸液范圍可設(shè)置為0.01ml~5ml，輸注速度可設(shè)置為0.005ml/s~0.05ml/s。擁有液晶提示界面、蜂鳴提示、發(fā)光二極管閃爍等多種報(bào)警方式，軟件程序?qū)嵤┍O(jiān)控，當(dāng)發(fā)生藥量過低、電量過低、輸注故障等情況時(shí)，針對(duì)不同嚴(yán)重度采取不同報(bào)警方式。

　　本軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要模塊如圖5所示。

　　程序完成初始化后，通過液晶界面顯示剩余藥量、電量等信息，通過按鍵可選擇輸注速度、藥液輸注及復(fù)位。輸注速度可根據(jù)不同藥液的使用特性進(jìn)行調(diào)整。藥液輸注過程因需要更換輸注針頭，需先進(jìn)行排氣功能，把空氣排掉后進(jìn)行輸注。輸注過程中單片機(jī)監(jiān)控紅外編碼器的數(shù)據(jù)，如紅外編碼器無(wú)數(shù)據(jù)，說明電機(jī)未轉(zhuǎn)動(dòng)或編碼器損壞，則跳出輸注子程序，進(jìn)入報(bào)警程序;當(dāng)輸注過程正常并輸注完成后，跳出輸注子程序并顯示輸注完成;如輸注完成后，編碼器顯示電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則停止電機(jī)并進(jìn)入報(bào)警程序。具體過程如圖6。輸注完成后，系統(tǒng)會(huì)記錄輸注值，作為下次輸注的起始參考值。

　　復(fù)位過程通過單片機(jī)控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，單片機(jī)監(jiān)控編碼器數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，跳入報(bào)警程序;當(dāng)數(shù)據(jù)正確完成復(fù)位時(shí)，復(fù)位過程結(jié)束。

　　當(dāng)總藥量低于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，會(huì)進(jìn)行液晶界面顯示提示，當(dāng)藥量為零時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示進(jìn)行復(fù)位操作。當(dāng)電量低于安全值時(shí)，系統(tǒng)停止工作，并通過發(fā)光二極管及蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

　　電機(jī)輸注過程中，當(dāng)軟件控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片停止電機(jī)工作過程中，由于電機(jī)的慣性，會(huì)多轉(zhuǎn)一定圈數(shù)，造成輸注精度降低，但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每次多轉(zhuǎn)的圈數(shù)基本一致，因此，在輸注結(jié)束后計(jì)數(shù)器不需清零，計(jì)數(shù)器中保留一定數(shù)據(jù)作為下次輸注的起始值。例如電機(jī)需轉(zhuǎn)動(dòng)100圈，每次轉(zhuǎn)到100圈后計(jì)數(shù)器從零開始重新計(jì)數(shù)，每次由于慣性原因多轉(zhuǎn)5圈，計(jì)數(shù)器最后數(shù)據(jù)為5，則實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)了105圈，造成5%的精度誤差。但輸注結(jié)束后保留計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)5，下次從6開始計(jì)數(shù)，計(jì)到100后電機(jī)停止，慣性原因電機(jī)會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)5圈，則實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為(100-5)+5=100圈，使輸注精度更高。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文提出基于C8051F020單片機(jī)與直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)微量藥液輸注的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)測(cè)試可實(shí)現(xiàn)微量輸注，精度滿足要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第40頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。