電動(dòng)注射泵控制裝置的設(shè)計(jì)

電動(dòng)注射泵是臨床醫(yī)療和生命科學(xué)研究中經(jīng)常使用的一種注射的儀器，這種儀器主要應(yīng)用于靜脈輸液和精密化學(xué)實(shí)驗(yàn)。使用先進(jìn)電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用于注射泵系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了具有勻速注射功能的注射泵，并且可以聯(lián)動(dòng)控制多臺(tái)注射泵工作，具有良好的人機(jī)對(duì)話界面和數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于臨床，具有廣泛的市場(chǎng)前景。

電動(dòng)注射泵系統(tǒng)解決了現(xiàn)有的注射器在使用時(shí)需要用人力拉取或推擠注射桿導(dǎo)致注射速度不均勻、醫(yī)護(hù)人員疲勞等問(wèn)題。它可以預(yù)先設(shè)定注射液量和流率，保證神經(jīng)組織適應(yīng)注入的流體?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)外注射泵的主要問(wèn)題是精度不高，而且一般只實(shí)現(xiàn)單通道勻速注射。因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有聯(lián)動(dòng)控制多臺(tái)注射泵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話數(shù)據(jù)處理是非常有必要的。

一、硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)由軟件控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器檢測(cè)模塊和顯示模塊等組成。

1.軟件控制模塊

計(jì)算機(jī)通過(guò)RS 232串口與主控制芯片模塊連接，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理注射泵的工作狀態(tài)，運(yùn)行后可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化處理。主控制芯片模塊由ARM和FPGA以及外圍電路組成，F(xiàn)PGA產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需要的電脈沖信號(hào)，傳送給驅(qū)動(dòng)器模塊，驅(qū)動(dòng)器模塊里的脈沖分配器把電脈沖信號(hào)按規(guī)定的方式分配給電機(jī)各相勵(lì)磁繞組，從而帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)安裝在電機(jī)軸上的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的實(shí)際工作情況，由于FPGA具有硬件實(shí)時(shí)處理的特點(diǎn)，傳感器的數(shù)據(jù)會(huì)同步傳給FPGA，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)停止編碼，而FPGA在發(fā)送脈沖信號(hào)，則會(huì)馬上停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并蜂鳴報(bào)警，進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；在壓力傳感器測(cè)得壓力超過(guò)最大限壓時(shí)，也會(huì)馬上停止電機(jī)工作，且計(jì)算機(jī)提示和蜂鳴報(bào)警。

2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模塊

設(shè)步進(jìn)電機(jī)注射器的注射規(guī)格有10ml、20ml、30ml、50ml四種，注射液的注射速率在0.1ml/h-400ml/h范圍內(nèi)以0.1ml/h連續(xù)可調(diào)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用三洋公司生產(chǎn)的THB7128驅(qū)動(dòng)芯片，它具有高細(xì)分，大功率的特點(diǎn)。THB7218為雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，最高耐壓為DC 40V，大電流3.3A（峰值），具有自動(dòng)半流鎖定功能，內(nèi)置混合式衰減模式。相比其他驅(qū)動(dòng)芯片，該苡片最突出的特點(diǎn)是最高達(dá)到1／128細(xì)分，因此電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)。

3.傳感器模塊

（1）旋轉(zhuǎn)編碼器

本系統(tǒng)的閉環(huán)控制采用了光電式旋轉(zhuǎn)編碼器。經(jīng)過(guò)充分的市場(chǎng)調(diào)研，選擇了日本OMRON公司生產(chǎn)的E6A2系統(tǒng)編碼器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，精度高，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，特別在高分辨率和大量程角速率／位移測(cè)量系統(tǒng)中，更具優(yōu)越性。旋轉(zhuǎn)編碼器按照信號(hào)和原理分成增量式和絕對(duì)式兩種，本系統(tǒng)采用增量式編碼器。

它由主碼盤(pán)、鑒相盤(pán)、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在主碼盤(pán)（光電盤(pán)）周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄帶，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒相盤(pán)與主碼盤(pán)平行，并刻有a，b兩組透檢測(cè)窄縫，它們彼此錯(cuò)開(kāi)1／4節(jié)距，以使A，B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90°。工作時(shí)，鑒相盤(pán)靜止，主碼盤(pán)和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，光投射到主碼盤(pán)和鑒相盤(pán)上，當(dāng)主碼盤(pán)上的透明區(qū)與窄縫對(duì)齊時(shí)，光電變換器輸出電壓最大，當(dāng)不透明區(qū)與窄縫對(duì)齊時(shí)，電壓最小。因此主碼盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且變換器A，B相位差為90°。為了判斷碼盤(pán)的絕對(duì)位置，還必須設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，即“零位標(biāo)志槽”。碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈，零位標(biāo)志槽對(duì)應(yīng)的光敏元件產(chǎn)生一個(gè)脈沖，稱(chēng)為“一轉(zhuǎn)脈沖”。

（2）壓力傳感器

本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。其工作原理是將一種電阻應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外力的作用時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片將應(yīng)變?cè)俎D(zhuǎn)化為電阻的變化，然后電阻變化值通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換成為壓力變化值。壓力傳感器由4個(gè)壓敏電阻組成惠斯通電橋電路，無(wú)差壓時(shí)，電橋兩臂平等，差壓信號(hào)加到4個(gè)陶瓷壓敏電阻上時(shí)，壓敏電阻的阻值隨差壓變化，引起電橋失衡。電橋失衡引起電流的變化，通過(guò)ADS1242芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再傳至主控芯片。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.顯示器模器塊

使用12864液晶顯示器，顯示注射流率和注射液流量。要求顯示的漢字字體使用16×16點(diǎn)陣，數(shù)字字體使用8×16點(diǎn)陣；實(shí)時(shí)注射液量與進(jìn)度條自左向右同步變化，進(jìn)度條的格式為96×3點(diǎn)陣、居中。

使用矩陣鍵盤(pán)作為本裝置的控制鍵盤(pán)。其中：0—9為數(shù)字鍵，準(zhǔn)備、開(kāi)/關(guān)、復(fù)位、設(shè)置、加速、減速為6個(gè)功能鍵。

二、軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過(guò)串口RS 232與主控制芯片模塊連接。軟件分為初始設(shè)置欄、系統(tǒng)狀態(tài)欄、聯(lián)動(dòng)控制欄3個(gè)部分。

1.設(shè)置初始參數(shù)：開(kāi)始速度、輸注總量（可以不設(shè)）、點(diǎn)擊運(yùn)行，注射泵即開(kāi)始工作。工作時(shí)在系統(tǒng)狀態(tài)欄里可查看到當(dāng)前狀態(tài)，如當(dāng)前速度、已注射量、設(shè)置總量等，當(dāng)運(yùn)行完畢后蜂鳴器會(huì)長(zhǎng)鳴提示。兩臺(tái)注射泵可聯(lián)動(dòng)控制，也可以單獨(dú)控制，目前已做到6臺(tái)聯(lián)動(dòng)控制。

2.工作過(guò)程要求：

（1）裝置復(fù)位

按下復(fù)位鍵，電動(dòng)注射器刻度指示10

（2）自動(dòng)注射開(kāi)始

按下開(kāi)/關(guān)鍵注射液以設(shè)定的注射流率且從預(yù)定注射流量開(kāi)始移動(dòng)，這時(shí)顯示器上顯示實(shí)時(shí)注射液量，進(jìn)度同步準(zhǔn)確變化。當(dāng)注射液量到預(yù)置量，表示注射完成，注射自動(dòng)停止，裝置復(fù)位至初始狀態(tài)。至此，一次注射完成。

（3）改變注射速度

在自動(dòng)注射過(guò)程中，每按增速鍵一次，增加一個(gè)注射流率檔；每按一次減速鍵，減少一個(gè)注射流率檔。步進(jìn)電機(jī)不停轉(zhuǎn)，增加和減少的注射速度值不能超過(guò)檔位值。

（4）注射手動(dòng)停止

在自動(dòng)注射過(guò)程中，按下開(kāi)/關(guān)鍵，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)注射液量數(shù)字顯示與進(jìn)度停止變化。

3.單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖(如圖2)。

[1]葛金印.單片機(jī)控制裝置安裝與調(diào)試賽題集[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012,25-26.

[2]靳孝峰.單片機(jī)原理與應(yīng)用(第2版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012,65-66.