基于單片機的微量輸液裝置

作者/ 鹿霏 上海交通大學(xué)(上海 200240)

摘要：針對微量藥液手動輸注無法保證精度問題，本裝置通過C8051F020單片機控制直流電機，對微量藥液進(jìn)行精確輸注，最小輸注劑量可達(dá)0.01ml?？勺杂稍O(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，對醫(yī)用藥液的輸注精度要求越來越高，很多藥物對輸注劑量有著嚴(yán)格的要求，且這部分藥物無法通過生理鹽水、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時間輸注。本裝置是一款專門針對小劑量短時間輸注而設(shè)計的產(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現(xiàn)靜脈輸注、皮下輸注等多種輸液方式。

1 總體設(shè)計

　　本輸液器由C8051F020單片機、電機驅(qū)動芯片、直流電機、紅外編碼器、輸注機構(gòu)、液晶顯示、按鍵、報警系統(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，通過單片機控制電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動直流電機推動輸注機構(gòu)運行，紅外編碼器反饋輸注信息，當(dāng)輸注量達(dá)到設(shè)定值后，單片機控制直流電機停止轉(zhuǎn)動，當(dāng)輸注過程出現(xiàn)阻塞等故障時，報警系統(tǒng)發(fā)光二極管及蜂鳴器進(jìn)行報警。本輸液器體積小巧、操作簡單，對部分風(fēng)險性較小藥物，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

2.1 單片機

　　C8051F020單片機是新華龍電子有限公司的一款混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(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。該芯片的可編程計數(shù)器陣列可實現(xiàn)紅外編碼器的計數(shù)功能，有效保證了電機的輸注精度。內(nèi)部上拉電阻設(shè)計可使按鍵等設(shè)計不需單獨配置電阻，使產(chǎn)品體積更小。12位ADC可實現(xiàn)檢測電池剩余電量等功能。

2.2 電機驅(qū)動電路

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

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

2.3 直流電機與輸注機構(gòu)

　　直流電機帶動輸注機構(gòu)工作原理如圖3所示。

　　當(dāng)確定輸液值開始輸液時，由單片機算出直流電機需轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，并由單片機控制電機驅(qū)動芯片使電機轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)動帶動電機絲桿上套筒前進(jìn)，套筒推動輸液管前進(jìn)，實現(xiàn)微量輸注，紅外編碼器記錄電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)，反饋給單片機的計數(shù)器。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)達(dá)到預(yù)定值時，單片機停止電機工作。輸注過程中和輸注結(jié)束后，單片機通過紅外編碼器監(jiān)測電機狀態(tài)，如輸注過程中電機未轉(zhuǎn)動導(dǎo)致紅外編碼器無數(shù)據(jù)，或輸注結(jié)束后電機未停止轉(zhuǎn)動導(dǎo)致紅外編碼器產(chǎn)生數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)報輸注故障，通過報警系統(tǒng)進(jìn)行提示。

2.4 輸注安全設(shè)計

　　考慮到電機輸注過程中有失控的風(fēng)險，對電機驅(qū)動芯片采用獨立的電源芯片供電，通過單片機可控制電源芯片，當(dāng)單片機檢測到輸注出現(xiàn)故障電機無法停止時，單片機控制給電機驅(qū)動芯片供電的電源芯片斷電，從而有效地保證了電機輸注過程中的安全性，具體過程見圖4。

3 軟件設(shè)計

　　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，針對不同嚴(yán)重度采取不同報警方式。

　　本軟件采用模塊化設(shè)計，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。輸注過程中單片機監(jiān)控紅外編碼器的數(shù)據(jù)，如紅外編碼器無數(shù)據(jù)，說明電機未轉(zhuǎn)動或編碼器損壞，則跳出輸注子程序，進(jìn)入報警程序;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，編碼器顯示電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則停止電機并進(jìn)入報警程序。具體過程如圖6。輸注完成后，系統(tǒng)會記錄輸注值，作為下次輸注的起始參考值。

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

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

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

4 結(jié)語

　　本文提出基于C8051F020單片機與直流電機實現(xiàn)微量藥液輸注的設(shè)計方案，經(jīng)測試可實現(xiàn)微量輸注，精度滿足要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目的。

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