基于MSP430系列單片機(jī)設(shè)計(jì)便攜式醫(yī)用自動(dòng)輸液器

介紹了一種醫(yī)用自動(dòng)輸液器的設(shè)計(jì)方案，該輸液器以德州儀器的MSO430系列單片機(jī)為控制芯片，配有顯示模塊、輸液泵驅(qū)動(dòng)模塊和鍵控模塊等。該設(shè)計(jì)方案整機(jī)結(jié)構(gòu)新穎，體積小，耗電少，操作方便，使用安全可靠。

１　引言

對(duì)于需要自助式護(hù)理的病人來說，尤其是由于手術(shù)后、晚期癌癥、分娩等原因所導(dǎo)致的慢性疼痛的病人，往往需要一種可以由病人自己操作、自動(dòng)定時(shí)、定量向病人進(jìn)行輸液的智能型自動(dòng)輸液器，以達(dá)到治療和鎮(zhèn)痛的目的。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種便攜式醫(yī)用自動(dòng)輸液器，該儀器采用電池作為供電電源，并具有功耗小、體積小、重量輕等特點(diǎn)，可滿足便攜式需要。此外，該儀器使用安全可靠、計(jì)量準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高，可適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的要求。該自動(dòng)輸液器的主要功能如下：

(１)可根據(jù)要求設(shè)定滴數(shù)、輸液總量及藥液總量等參數(shù)。

(２)隨時(shí)可改變?cè)O(shè)定參數(shù)，并可以在運(yùn)行時(shí)隨時(shí)暫停輸液。

(３)不同的使用者可以有自己的一套運(yùn)行參數(shù)，并可通過密碼進(jìn)入自己的設(shè)定環(huán)境。

(４)帶有ＬＣＤ顯示，可實(shí)時(shí)察看所用藥液及藥液剩余量。

(５)自動(dòng)檢測流速，在輸液異?；蜉斠航Y(jié)束時(shí)，可自動(dòng)停止輸液并進(jìn)行聲光提示。

(６)藥液用完自動(dòng)發(fā)出換液信號(hào)，在換液期間禁止所有操作。

(７)重要的操作均由兩個(gè)組合鍵來完成，可防止誤操作，安全可靠。

(８)在第一次使用之前能夠快速排空輸液管中的空氣。

２　硬件設(shè)計(jì)

ＭＳＰ４３０系列單片機(jī)是ＴＩ公司近期推出的１６位系列單片機(jī)。該系列是一組超低功耗的微控制器，供電電壓范圍為１．８～３．６Ｖ，特別適用于長期使用電池工作的場合。由于其具有１６位ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)、１６位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，因而ＭＳＰ４３０ 系列單片機(jī)具有最大的代碼效率?？紤]到本設(shè)計(jì)有低功耗、小體積的要求，所以，選用了ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１型單片機(jī)芯片。該芯片特有的ＦＬＡＳＨ 存儲(chǔ)器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內(nèi)部有一個(gè)數(shù)控振蕩器（ＤＣＯ）和一個(gè)晶體振蕩器，帶有３個(gè)捕獲／比較寄存器的１６位定時(shí)器ＴＩＭＥＲ－Ａ、一個(gè)看門狗定時(shí)器 Ｗａｔｃｈｄｏｇ Ｔｉｍｅｒ－Ａ、一個(gè)模擬比較器 Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ－Ａ 和１２個(gè)Ｉ／Ｏ 口（每位均有獨(dú)立的中斷能力，可獨(dú)立控制），另外，還具有４ｋＢ＋２５６字節(jié)的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ和２５６字節(jié)的ＲＡＭ存儲(chǔ)空間，因此在整個(gè)硬件電路上無須外加程序存儲(chǔ)器。當(dāng)單片機(jī)處于閑置狀態(tài)時(shí)，可以使其處于睡眠狀態(tài)以降低功耗，并可通過選擇４種工作模式來使其最低功耗幾乎為零。其功耗低，體積小，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)使其特別適用于便攜式電池供電的儀器設(shè)計(jì)。

本輸液器的電路結(jié)構(gòu)原理框圖如圖１所示，它由電源電路、輸液泵驅(qū)動(dòng)、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、按鍵控制等電路組成。

２．１ 電源電路

整個(gè)電路由四節(jié)電池供電，除了可以用電池供電外，還可以通過直流輸入端由小型變壓器供電，以滿足在室內(nèi)及走動(dòng)等不同場合的需要。由于ＴＩ單片機(jī)的供電電壓比其它模塊的要低（只有３．６Ｖ），因此可選擇Ｌ３１Ａ作為ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１的穩(wěn)壓芯片。為保證輸液正常，電源電路中還配有電池電量檢測裝置，以便在電池電量比較低、可能會(huì)影響到正常輸液的情況下及時(shí)報(bào)警，以提醒更換電池。因此，利用單片機(jī)ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內(nèi)置比較器模塊的特點(diǎn)，即可不用外加專門的電池檢測芯片，而只需兩個(gè)電阻就可以完成此功能。

２．２ 鍵控模塊

出于對(duì)醫(yī)療儀器安全可靠的考慮，為防止按鍵的誤動(dòng)帶來的不安全因素，一些主要的按鍵操作都是用組合鍵的形式完成的，即只有特定的兩個(gè)鍵被同時(shí)按下時(shí)才能生效。這樣，完成所有的操作一共只需要四個(gè)鍵。考慮到單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口資源比較豐富，而且每個(gè)Ｉ／Ｏ口均有獨(dú)立的中斷能力，因此，４個(gè)鍵可直接接到單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口上，并通過中斷方式由ＣＰＵ來響應(yīng)。由于硬件電路比較簡單，與之對(duì)應(yīng)的軟件也大大簡化。另外，為了提高整機(jī)的安全性能，該裝置還配有由于異常情況造成的流速過快而產(chǎn)生的壓力超標(biāo)及藥液袋的外圍保護(hù)殼被打開的報(bào)警裝置，報(bào)警的同時(shí)停止輸液，禁止所有操作。

２．３ 顯示模塊

液晶顯示器采用的是ＰＨＩＬＩＰＳ公司的具有Ｉ２Ｃ總線的低功耗ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)器ＰＣＦ８５７６，該芯片有４０個(gè)段輸出和４個(gè)背極輸出，可完成１６０個(gè)段的ＬＣＤ顯示。ＰＣＦ８５７６的二總線Ｉ２Ｃ數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)可使其與微控制器的連線減至最低，從而最大限度地減少顯示系統(tǒng)的開銷。ＰＣＦ８５７６的使用可參看有關(guān)資料。

２．４ 泵驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)用的輸液泵驅(qū)動(dòng)模塊由兩相４線式步進(jìn)電機(jī)和泵體組成。由于輸液要求計(jì)量準(zhǔn)確、可靠，因而選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置。步進(jìn)電機(jī)是一種可以把脈沖激勵(lì)的變化轉(zhuǎn)換成精確轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可將脈沖信號(hào)變成電機(jī)相應(yīng)角位移的機(jī)械量，從而通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間，并通過改變脈沖的頻率控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵體的凸輪機(jī)構(gòu)循環(huán)壓縮膠管，從而實(shí)現(xiàn)輸液功能。為了讓輸液泵安全、可靠地工作，并且從簡化硬件電路的角度出發(fā)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行并不是由單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管直接控制的，而是通過兩根控制線對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行間接控制，并分別實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)與控制。這里的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用的是ＭＯＯ８３３５。啟動(dòng)信號(hào)用于啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和停止時(shí)間則由控制信號(hào)控制。本儀器輸液的速度是通過步進(jìn)電機(jī)停、轉(zhuǎn)時(shí)間的不同來控制的，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行期間，其轉(zhuǎn)速可以保持恒定。

３　軟件設(shè)計(jì)

ＭＳＰ４３０的內(nèi)核結(jié)構(gòu)采用具有高透明格式的精簡指令集（ＲＩＳＣ）設(shè)計(jì)。指令分為硬件實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核指令和利用這一硬件結(jié)構(gòu)的具有更高效率的模擬指令，使用起來非常方便。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)完成初始化任務(wù)（設(shè)置標(biāo)志位，設(shè)置定時(shí)器，比較器，看門狗的工作方式）后，就進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，任一中斷均可將其喚醒，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的子程序。單片機(jī)的大多數(shù)操作都采用中斷方式。整個(gè)程序流程如圖２所示。

４　結(jié)束語

在設(shè)計(jì)便攜式醫(yī)用自動(dòng)輸液器時(shí)，由于選用了超低功耗的ＭＳＰ４３０單片機(jī)作為控制芯片而且其它的外圍芯片功耗也很低，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中也充分采用了ＭＳＰ４３０的多種節(jié)能工作方式，從而使得整機(jī)在工作中的功耗很小，可完全滿足電池供電的要求。此外，由于ＭＳＰ４３０單片機(jī)功能強(qiáng)大，外圍芯片數(shù)目少，而且所有的元器件均選擇貼片式，從而大大地減小了儀器的體積。該設(shè)計(jì)通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制藥液的輸出速度，這使得注射速度更加均勻、輸液精度更高，定時(shí)、定量準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度也更高，因此可以達(dá)到在醫(yī)院及家庭臨床上使用的要求。目前該智能輸液器已在臨床上得到了應(yīng)用。