微量注射泵控制系統(tǒng)設計與分析

摘 要：該文分析了微量注射泵工作原理，對注射泵的控制系統(tǒng)進行了多個方案設計和分析，并通過實驗室的控制實驗，驗證了控制系統(tǒng)設計的可行性，為微量注射泵控制系統(tǒng)設計提供有用的參考方案。

關鍵詞：醫(yī)療器械 注射泵 控制系統(tǒng) 微震動傳感器 步進電機

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0071-02

微量注射泵主要應用于動脈、靜脈輸液、輸血、抗休克治療以及麻醉劑的注射等。目前微量注射泵的控制方式有很多，本文重點討論了采用單片機進行控制的方案，并對方案在實驗室進行了驗證。

1 微量注射泵控制系統(tǒng)設計原理

微量注射泵是光、機、電一體化產(chǎn)品，主要由控制系統(tǒng)和微量推進系統(tǒng)組成。 其工作原理是注射泵的螺母（推頭）與注射器的活塞相連，注射器內(nèi)盛滿藥物。注射泵工作時控制系統(tǒng)發(fā)出控制脈沖信號使步進電機工作，絲桿由步進電機帶動旋轉(zhuǎn)，由螺母（推頭）將絲桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，推頭推動注射器的活塞進行注射藥物。通過設定電機的旋轉(zhuǎn)速度，控制螺桿的旋轉(zhuǎn)速度可以調(diào)整其對注射器針栓的推進速度，從而調(diào)整所給藥物劑量。微量注射泵原理框圖如圖1所示。

注射泵的的控制系統(tǒng)是由輸入模塊、輸出模塊組成。輸人模塊主要有數(shù)字設置鍵、傳感系統(tǒng)等組成。傳感系統(tǒng)采用高精度微震動傳感器。輸出模塊主要由LRD數(shù)碼管、LCD液晶塊等組成。

微量推進系統(tǒng)主要由步進電機及其驅(qū)動器、減速機構(gòu)、絲杠、齒輪、螺母等組成，該系統(tǒng)控制電路可獲得較大的流量調(diào)節(jié)范圍。步進電機驅(qū)動絲杠推進系統(tǒng)的設置微量注射泵速計算方法如下。泵速（ml/h）=所需藥物劑最（ug·kg·min）×0.06×體重（kg）X注射器毫升數(shù)（ml）÷藥物劑量（mg） [1]。

2 控制方案設計與分析

2.1 單片機控制模式

主控制器為STC90C51單片機，通過編程使系統(tǒng)分為手動、自動和特定滴速模式。手動模式下，用手轉(zhuǎn)動絲杠，微震動傳感器將點滴落下信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊送入單片機，并由顯示模塊顯示滴速；自動模式下，由鍵盤控制PWM輸出的大小，使滴速在每秒0到3滴之間變化，系統(tǒng)通過單片機比較設定滴速和滴速檢測值的差異，并判斷增大或減小PWM輸出，超出范圍后，啟動聲光報警。系統(tǒng)邏輯框見圖2。

2.2 電位器控制模式

不使用單片機，通過實驗獲取每分鐘0～60 °轉(zhuǎn)動角所對應的電壓值，由電位器分壓（分壓后加電壓跟隨器以保持電壓）代替鍵盤輸入，實現(xiàn)角度值的輸入。輸入的電壓與鋸齒波發(fā)生器一起送入比較器，產(chǎn)生PWM波形，并通過電機驅(qū)動模塊控制電機。系統(tǒng)邏輯框見圖3。

2.3 方案分析

單片機控制模式具有功能多樣的特點，能滿足輸入、輸出、比較等多種需求，采用編程控制，靈活易修改。電位器控制模式成本低，使用查表的方式使角度輸入控制更為直接，但是實時檢測調(diào)整較為困難。因此，本文采用單片機控制模式。

3 控制模塊設計與分析

3.1 硬件控制模塊設計

采用N溝道MOS管IRF540驅(qū)動，該電路功耗小，驅(qū)動能力較好[2]，成本較低，在PWM輸出端與驅(qū)動端之間加入了光電耦合器，使控制電路與驅(qū)動電路隔離，有效保護了控制裝置。

3.2 PWM輸出模塊

PWM相對線性控制具有節(jié)能、易控制、提高電機運行效率的特點[3]，本文實驗采用PWM電路控制電機。用單片機產(chǎn)生矩形波，經(jīng)放大電路放大后驅(qū)動電機。該方案優(yōu)點是不需要另搭外圍電路，通過編程即可改變輸出矩形波占空比，從而控制電機。PWM產(chǎn)生及占空比控制，使用單片機產(chǎn)生PWM時，本文先后采用了兩種方法，一種是編寫延時由IO口直接輸出，另一種是使用定時器，通過周期延拓的方式輸出PWM波。但是IO口直接輸出的方式在控制占空比時不夠精確，因此而采用鍵盤控制時，使用了外部中斷來控制占空比。本文使用了三個獨立鍵盤，分別控制占空比增加、占空比減小以及特定占空比（45°時的占空比）。

4 結(jié)語

本文使用單片機、步進電機驗證了單片機控制模式方案設計，采用的測試儀器有示波器、數(shù)字萬用表、秒表等測試設備。測試結(jié)果表明當加占空比鍵按下后，轉(zhuǎn)動角度值變大；減占空比鍵按下后，轉(zhuǎn)動角度值值變小。實驗證明占空比控制非常重要，也證明了PWM波的頻率對響應速度有很大影響，同時驗證了方案的可行性，為微量注射泵控制系統(tǒng)設計具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]陳浩.微量注射泵的工作原理及其應用[J].中國醫(yī)學裝備，2012，10（9）：47-48.

[2]張賢達.現(xiàn)代信號處理[M].2版.北京：清華大學出版社，2002.18-19.

[3]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2007：30-35.