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基于单片机的微量输液装置

作者:鹿霏时间:2016-11-30来源:电子产品世界收藏
编者按:针对微量药液手动输注无法保证精度问题,本装置通过C8051F020单片机控制直流电机,对微量药液进行精确输注,最小输注剂量可达0.01ml。可自由设定输注速度、输注剂量等参数,达到缓慢输注效果,利于人体吸收。 引言

作者/ 鹿霏 上海交通大学(上海 200240)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201611/340854.htm

摘要:针对微量药液手动输注无法保证精度问题,本装置通过C8051F020控制直流,对微量药液进行精确输注,最小输注剂量可达0.01ml。可自由设定输注速度、输注剂量等参数,达到缓慢输注效果,利于人体吸收。

引言

  随着电子技术的不断发展,医疗设备的不断更新,对医用药液的输注精度要求越来越高,很多药物对输注剂量有着严格的要求,且这部分药物无法通过生理盐水、葡萄糖等进行稀释,从而传统的人工针管输注无法保证剂量的准确性,而这部分药物由于药量较小,也不适合使用输液泵长时间输注。本装置是一款专门针对小剂量短时间输注而设计的产品,可用于直接药液输注、精确配药等,还可用于新药鉴定、药品药效分析等。本装置通过外接不同的针头或输液管路可实现静脉输注、皮下输注等多种输液方式。

1 总体设计

  本输液器由C8051F020驱动芯片、直流、红外编码器、输注机构、液晶显示、按键、报警系统等组成,主要有输注、复位、输注速度设定、电量提示、阻塞报警等功能。最小输注量为0.01ml,输注精度可达5%以内。总体设计原理如图1所示。

  本输液器通过按键与液晶显示可设定输注量与输注速度,设定完成后,通过控制电机驱动芯片,驱动直流电机推动输注机构运行,红外编码器反馈输注信息,当输注量达到设定值后,单片机控制直流电机停止转动,当输注过程出现阻塞等故障时,报警系统发光二极管及蜂鸣器进行报警。本输液器体积小巧、操作简单,对部分风险性较小药物,病人可自己在家中完成输注过程,从而减轻医院负担。

2 主要硬件模块设计

2.1 单片机

  C8051F020单片机是新华龙电子有限公司的一款混合信号系统级MCU芯片,具有64个数字I/O引脚。该芯片内核为CIP-51指令集,与MCS-51指令集完全兼容,速度可达25MIPS。该芯片的可编程计数器阵列可实现红外编码器的计数功能,有效保证了电机的输注精度。内部上拉电阻设计可使按键等设计不需单独配置电阻,使产品体积更小。12位ADC可实现检测电池剩余电量等功能。

2.2 电机驱动电路

  为了能够控制电机的正反转,采用LG9110为电机驱动芯片,该芯片每通道具有800mA的连续电流输出能力,外围电路简单,电路如图2所示。

  通过对IA、IB口输入不同电平,可对应OA、OB口不同输出电平,实现直流电机正转和反转,如表1所示。正转实现输注功能,当药液全部输注完成后,通过反转实现复位功能。

2.3 直流电机与输注机构

  直流电机带动输注机构工作原理如图3所示。

  当确定输液值开始输液时,由单片机算出直流电机需转动的圈数,并由单片机控制电机驱动芯片使电机转动。电机转动带动电机丝杆上套筒前进,套筒推动输液管前进,实现,红外编码器记录电机转动圈数,反馈给单片机的计数器。当电机转动圈数达到预定值时,单片机停止电机工作。输注过程中和输注结束后,单片机通过红外编码器监测电机状态,如输注过程中电机未转动导致红外编码器无数据,或输注结束后电机未停止转动导致红外编码器产生数据,则系统报输注故障,通过报警系统进行提示。

2.4 输注安全设计

  考虑到电机输注过程中有失控的风险,对电机驱动芯片采用独立的电源芯片供电,通过单片机可控制电源芯片,当单片机检测到输注出现故障电机无法停止时,单片机控制给电机驱动芯片供电的电源芯片断电,从而有效地保证了电机输注过程中的安全性,具体过程见图4。

3 软件设计

  本输液装置输液总容量为5ml,输液范围可设置为0.01ml~5ml,输注速度可设置为0.005ml/s~0.05ml/s。拥有液晶提示界面、蜂鸣提示、发光二极管闪烁等多种报警方式,软件程序实施监控,当发生药量过低、电量过低、输注故障等情况时,针对不同严重度采取不同报警方式。

  本软件采用模块化设计,主要模块如图5所示。

  程序完成初始化后,通过液晶界面显示剩余药量、电量等信息,通过按键可选择输注速度、药液输注及复位。输注速度可根据不同药液的使用特性进行调整。药液输注过程因需要更换输注针头,需先进行排气功能,把空气排掉后进行输注。输注过程中单片机监控红外编码器的数据,如红外编码器无数据,说明电机未转动或编码器损坏,则跳出输注子程序,进入报警程序;当输注过程正常并输注完成后,跳出输注子程序并显示输注完成;如输注完成后,编码器显示电机继续转动,则停止电机并进入报警程序。具体过程如图6。输注完成后,系统会记录输注值,作为下次输注的起始参考值。

  复位过程通过单片机控制电机反向转动,单片机监控编码器数据,当数据异常时,跳入报警程序;当数据正确完成复位时,复位过程结束。

  当总药量低于报警设定值时,会进行液晶界面显示提示,当药量为零时,系统会提示进行复位操作。当电量低于安全值时,系统停止工作,并通过发光二极管及蜂鸣器进行报警。

  电机输注过程中,当软件控制电机驱动芯片停止电机工作过程中,由于电机的惯性,会多转一定圈数,造成输注精度降低,但通过试验发现,每次多转的圈数基本一致,因此,在输注结束后计数器不需清零,计数器中保留一定数据作为下次输注的起始值。例如电机需转动100圈,每次转到100圈后计数器从零开始重新计数,每次由于惯性原因多转5圈,计数器最后数据为5,则实际转动了105圈,造成5%的精度误差。但输注结束后保留计数器中的数据5,下次从6开始计数,计到100后电机停止,惯性原因电机会继续转动5圈,则实际转动圈数为(100-5)+5=100圈,使输注精度更高。

4 结语

  本文提出基于C8051F020单片机与直流电机实现微量药液输注的设计方案,经测试可实现,精度满足要求,达到了预期的设计目的。

参考文献:

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第40页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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