基于MSP430系列單片機設計便攜式醫用自動(dòng)輸液器

介紹了一種醫用自動(dòng)輸液器的設計方案，該輸液器以德州儀器的MSO430系列單片機為控制芯片，配有顯示模塊、輸液泵驅動(dòng)模塊和鍵控模塊等。該設計方案整機結構新穎，體積小，耗電少，操作方便，使用安全可靠。

１　引言

對于需要自助式護理的病人來(lái)說(shuō)，尤其是由于手術(shù)后、晚期癌癥、分娩等原因所導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，以達到治療和鎮痛的目的。為此，筆者設計了一種便攜式醫用自動(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(mǎn)足便攜式需要。此外，該儀器使用安全可靠、計量準確、自動(dòng)化程度高，可適應現代醫學(xué)發(fā)展的要求。該自動(dòng)輸液器的主要功能如下：

(１)可根據要求設定滴數、輸液總量及藥液總量等參數。

(２)隨時(shí)可改變原設定參數，并可以在運行時(shí)隨時(shí)暫停輸液。

(３)不同的使用者可以有自己的一套運行參數，并可通過(guò)密碼進(jìn)入自己的設定環(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，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(lái)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　硬件設計

ＭＳＰ４３０系列單片機是ＴＩ公司近期推出的１６位系列單片機。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(cháng)期使用電池工作的場(chǎng)合。由于其具有１６位ＲＩＳＣ結構、１６位寄存器和常數發(fā)生器，因而ＭＳＰ４３０ 系列單片機具有最大的代碼效率?？紤]到本設計有低功耗、小體積的要求，所以，選用了ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１型單片機芯片。該芯片特有的ＦＬＡＳＨ 存儲器在系統設計、開(kāi)發(fā)調試及實(shí)際應用上都表現出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內部有一個(gè)數控振蕩器（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(mén)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（每位均有獨立的中斷能力，可獨立控制），另外，還具有４ｋＢ＋２５６字節的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ和２５６字節的ＲＡＭ存儲空間，因此在整個(gè)硬件電路上無(wú)須外加程序存儲器。當單片機處于閑置狀態(tài)時(shí)，可以使其處于睡眠狀態(tài)以降低功耗，并可通過(guò)選擇４種工作模式來(lái)使其最低功耗幾乎為零。其功耗低，體積小，功能強大的特點(diǎn)使其特別適用于便攜式電池供電的儀器設計。

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

２．１ 電源電路

整個(gè)電路由四節電池供電，除了可以用電池供電外，還可以通過(guò)直流輸入端由小型變壓器供電，以滿(mǎn)足在室內及走動(dòng)等不同場(chǎng)合的需要。由于ＴＩ單片機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)報警，以提醒更換電池。因此，利用單片機ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內置比較器模塊的特點(diǎn)，即可不用外加專(zhuān)門(mén)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

出于對醫療儀器安全可靠的考慮，為防止按鍵的誤動(dòng)帶來(lái)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?？紤]到單片機的Ｉ／Ｏ口資源比較豐富，而且每個(gè)Ｉ／Ｏ口均有獨立的中斷能力，因此，４個(gè)鍵可直接接到單片機的Ｉ／Ｏ口上，并通過(guò)中斷方式由ＣＰＵ來(lái)響應。由于硬件電路比較簡(jiǎn)單，與之對應的軟件也大大簡(jiǎn)化。另外，為了提高整機的安全性能，該裝置還配有由于異常情況造成的流速過(guò)快而產(chǎn)生的壓力超標及藥液袋的外圍保護殼被打開(kāi)的報警裝置，報警的同時(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(xiàn)的低功耗ＬＣＤ驅動(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(xiàn)Ｉ２Ｃ數據傳輸結構可使其與微控制器的連線(xiàn)減至最低，從而最大限度地減少顯示系統的開(kāi)銷(xiāo)。ＰＣＦ８５７６的使用可參看有關(guān)資料。

２．４ 泵驅動(dòng)模塊

本系統用的輸液泵驅動(dòng)模塊由兩相４線(xiàn)式步進(jìn)電機和泵體組成。由于輸液要求計量準確、可靠，因而選用步進(jìn)電機作為動(dòng)力裝置。步進(jìn)電機是一種可以把脈沖激勵的變化轉換成精確轉子位置增量運動(dòng)的執行機構，它可將脈沖信號變成電機相應角位移的機械量，從而通過(guò)控制脈沖的個(gè)數來(lái)控制電機轉動(dòng)的時(shí)間，并通過(guò)改變脈沖的頻率控制電機運轉的速度。由電機驅動(dòng)泵體的凸輪機構循環(huán)壓縮膠管，從而實(shí)現輸液功能。為了讓輸液泵安全、可靠地工作，并且從簡(jiǎn)化硬件電路的角度出發(fā)，步進(jìn)電機的運行并不是由單片機來(lái)驅動(dòng)達林頓管直接控制的，而是通過(guò)兩根控制線(xiàn)對步進(jìn)電機的驅動(dòng)模塊進(jìn)行間接控制，并分別實(shí)現啟動(dòng)與控制。這里的步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片選用的是ＭＯＯ８３３５。啟動(dòng)信號用于啟動(dòng)步進(jìn)電機，而運轉時(shí)間和停止時(shí)間則由控制信號控制。本儀器輸液的速度是通過(guò)步進(jìn)電機停、轉時(shí)間的不同來(lái)控制的，因為步進(jìn)電機在整個(gè)運行期間，其轉速可以保持恒定。

３　軟件設計

ＭＳＰ４３０的內核結構采用具有高透明格式的精簡(jiǎn)指令集（ＲＩＳＣ）設計。指令分為硬件實(shí)現的內核指令和利用這一硬件結構的具有更高效率的模擬指令，使用起來(lái)非常方便。在本系統中，單片機完成初始化任務(wù)（設置標志位，設置定時(shí)器，比較器，看門(mén)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，轉而執行相應的子程序。單片機的大多數操作都采用中斷方式。整個(gè)程序流程如圖２所示。

４　結束語(yǔ)

在設計便攜式醫用自動(dòng)輸液器時(shí)，由于選用了超低功耗的ＭＳＰ４３０單片機作為控制芯片而且其它的外圍芯片功耗也很低，同時(shí)在軟件設計中也充分采用了ＭＳＰ４３０的多種節能工作方式，從而使得整機在工作中的功耗很小，可完全滿(mǎn)足電池供電的要求。此外，由于ＭＳＰ４３０單片機功能強大，外圍芯片數目少，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。該設計通過(guò)單片機驅動(dòng)步進(jìn)電機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)、定量準確、自動(dòng)化程度也更高，因此可以達到在醫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用。