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(dòng)輸注無(wú)法保證精度問(wèn)題，本裝置通過(guò)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0.01ml?？勺杂稍O定輸注速度、輸注劑量等參數，達到緩慢輸注效果，利于人體吸收。

引言

　　隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，醫療設備的不斷更新，對醫用藥液的輸注精度要求越來(lái)越高，很多藥物對輸注劑量有著(zhù)嚴格的要求，且這部分藥物無(wú)法通過(guò)生理鹽水、葡萄糖等進(jìn)行稀釋?zhuān)瑥亩鴤鹘y的人工針管輸注無(wú)法保證劑量的準確性，而這部分藥物由于藥量較小，也不適合使用輸液泵長(cháng)時(shí)間輸注。本裝置是一款專(zhuān)門(mén)針對小劑量短時(shí)間輸注而設計的產(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(guò)外接不同的針頭或輸液管路可實(shí)現靜脈輸注、皮下輸注等多種輸液方式。

1 總體設計

　　本輸液器由C8051F020單片機、電機驅動(dòng)芯片、直流電機、紅外編碼器、輸注機構、液晶顯示、按鍵、報警系統等組成，主要有輸注、復位、輸注速度設定、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5%以?xún)??？傮w設計原理如圖1所示。

　　本輸液器通過(guò)按鍵與液晶顯示可設定輸注量與輸注速度，設定完成后，通過(guò)單片機控制電機驅動(dòng)芯片，驅動(dòng)直流電機推動(dòng)輸注機構運行，紅外編碼器反饋輸注信息，當輸注量達到設定值后，單片機控制直流電機停止轉動(dòng)，當輸注過(guò)程出現阻塞等故障時(shí)，報警系統發(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(jiǎn)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(guò)程，從而減輕醫院負擔。

2 主要硬件模塊設計

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級MCU芯片，具有64個(gè)數字I/O引腳。該芯片內核為CIP-51指令集，與MCS-51指令集完全兼容，速度可達25MIPS。該芯片的可編程計數器陣列可實(shí)現紅外編碼器的計數功能，有效保證了電機的輸注精度。內部上拉電阻設計可使按鍵等設計不需單獨配置電阻，使產(chǎn)品體積更小。12位ADC可實(shí)現檢測電池剩余電量等功能。

2.2 電機驅動(dòng)電路

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

　　通過(guò)對IA、IB口輸入不同電平，可對應OA、OB口不同輸出電平，實(shí)現直流電機正轉和反轉，如表1所示。正轉實(shí)現輸注功能，當藥液全部輸注完成后，通過(guò)反轉實(shí)現復位功能。

2.3 直流電機與輸注機構

　　直流電機帶動(dòng)輸注機構工作原理如圖3所示。

　　當確定輸液值開(kāi)始輸液時(shí)，由單片機算出直流電機需轉動(dòng)的圈數，并由單片機控制電機驅動(dòng)芯片使電機轉動(dòng)。電機轉動(dòng)帶動(dòng)電機絲桿上套筒前進(jìn)，套筒推動(dòng)輸液管前進(jìn)，實(shí)現微量輸注，紅外編碼器記錄電機轉動(dòng)圈數，反饋給單片機的計數器。當電機轉動(dòng)圈數達到預定值時(shí)，單片機停止電機工作。輸注過(guò)程中和輸注結束后，單片機通過(guò)紅外編碼器監測電機狀態(tài)，如輸注過(guò)程中電機未轉動(dòng)導致紅外編碼器無(wú)數據，或輸注結束后電機未停止轉動(dòng)導致紅外編碼器產(chǎn)生數據，則系統報輸注故障，通過(guò)報警系統進(jìn)行提示。

2.4 輸注安全設計

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

3 軟件設計

　　本輸液裝置輸液總容量為5ml，輸液范圍可設置為0.01ml~5ml，輸注速度可設置為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，軟件程序實(shí)施監控，當發(fā)生藥量過(guò)低、電量過(guò)低、輸注故障等情況時(shí)，針對不同嚴重度采取不同報警方式。

　　本軟件采用模塊化設計，主要模塊如圖5所示。

　　程序完成初始化后，通過(guò)液晶界面顯示剩余藥量、電量等信息，通過(guò)按鍵可選擇輸注速度、藥液輸注及復位。輸注速度可根據不同藥液的使用特性進(jìn)行調整。藥液輸注過(guò)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(guò)程中單片機監控紅外編碼器的數據，如紅外編碼器無(wú)數據，說(shuō)明電機未轉動(dòng)或編碼器損壞，則跳出輸注子程序，進(jìn)入報警程序;當輸注過(guò)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轉動(dòng)，則停止電機并進(jìn)入報警程序。具體過(guò)程如圖6。輸注完成后，系統會(huì )記錄輸注值，作為下次輸注的起始參考值。

　　復位過(guò)程通過(guò)單片機控制電機反向轉動(dòng)，單片機監控編碼器數據，當數據異常時(shí)，跳入報警程序;當數據正確完成復位時(shí)，復位過(guò)程結束。

　　當總藥量低于報警設定值時(shí)，會(huì )進(jìn)行液晶界面顯示提示，當藥量為零時(shí)，系統會(huì )提示進(jìn)行復位操作。當電量低于安全值時(shí)，系統停止工作，并通過(guò)發(fā)光二極管及蜂鳴器進(jìn)行報警。

　　電機輸注過(guò)程中，當軟件控制電機驅動(dòng)芯片停止電機工作過(guò)程中，由于電機的慣性，會(huì )多轉一定圈數，造成輸注精度降低，但通過(guò)試驗發(fā)現，每次多轉的圈數基本一致，因此，在輸注結束后計數器不需清零，計數器中保留一定數據作為下次輸注的起始值。例如電機需轉動(dòng)100圈，每次轉到100圈后計數器從零開(kāi)始重新計數，每次由于慣性原因多轉5圈，計數器最后數據為5，則實(shí)際轉動(dòng)了105圈，造成5%的精度誤差。但輸注結束后保留計數器中的數據5，下次從6開(kāi)始計數，計到100后電機停止，慣性原因電機會(huì )繼續轉動(dòng)5圈，則實(shí)際轉動(dòng)圈數為(100-5)+5=100圈，使輸注精度更高。

4 結語(yǔ)

　　本文提出基于C8051F020單片機與直流電機實(shí)現微量藥液輸注的設計方案，經(jīng)測試可實(shí)現微量輸注，精度滿(mǎn)足要求，達到了預期的設計目的。

參考文獻:

　　[1]陳連坤.嵌入式系統的設計與開(kāi)發(fā)[M].北京:北京交通大學(xué)出版社,2005.

　　[2]袁衡新.淺談輸液系統的現狀與展望[J].臨床藥物治療雜志,2007,5(6):43-45.

　　[3]徐愛(ài)鈞. 單片機高級語(yǔ)言應用編程與實(shí)踐[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2013.

　　[4]黃立培.電動(dòng)機控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

　　[5]余學(xué)飛.醫學(xué)電子儀器原理與設計[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2002.

　　[6]李春慧,王歡. 靜脈輸液速度的影響因素與滴速選擇[J].沈陽(yáng)醫學(xué)院學(xué)報,2008,10(3):173-175.

　　[7]李朝偉,李曉東. 注射泵一般原理和故障處理[J]. 醫療裝備,2007,3.

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