步進(jìn)電機(jī)在模擬瞳孔上的應(yīng)用

力興文

摘要 在醫(yī)學(xué)上瞳孔代表著一個(gè)人生命體征，觀察瞳孔便可知當(dāng)前病人身體狀況，但在醫(yī)學(xué)教育上，學(xué)生很難觀察到非正常人的瞳孔，如果每個(gè)學(xué)生都去臨床上觀察也是不現(xiàn)實(shí)的，第一是很難遇到瞳孔散大、間接對(duì)光反射、直接對(duì)光反射病人;第二是現(xiàn)在人們的自我保護(hù)意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)，學(xué)生無(wú)法到臨床直接觀察病人病情。為了更好的讓學(xué)生掌握這一門技能我們采用機(jī)械、光學(xué)、電子、編程技術(shù)相接合的方式來(lái)彌補(bǔ)這一門學(xué)科，仿真的瞳孔可以讓學(xué)生非常直觀地理解正常瞳孔、散大的瞳孔、直接對(duì)光反射、間接對(duì)光反射、無(wú)反射狀態(tài)瞳孔的變化，使學(xué)生更容易記憶與理解病理的變化。

【關(guān)鍵詞】光敏電阻 步進(jìn)電機(jī) 模擬瞳孔

步進(jìn)電機(jī)一般給人的印象是非常大的，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的，而我們用的是一種微型步進(jìn)電機(jī)，在日常生活中很少能看到如此小的步進(jìn)電機(jī)，我們采用的Sankyo公司微型電機(jī)，電機(jī)最大直徑7mm，總長(zhǎng)12.5，絲桿長(zhǎng)度8.5mm，電壓5v，2項(xiàng)4線制，驅(qū)動(dòng)芯片采用LM4818，主控器采用STM32F103RET6，為了與如此微小的步進(jìn)電機(jī)配合，眼球殼體我們采用3D快速制造技術(shù)，打印精度O.O1mm。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由單片機(jī)STM32F103RET6、2片步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LB1848M、電源穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3v、光敏電阻PTSMD021、lOmm凸透鏡、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、眼眶支架、瞳孔圖片、上位機(jī)軟件等部件組成。

2 系統(tǒng)原理

瞳孔的變化是通過(guò)主控芯片發(fā)出時(shí)序給驅(qū)動(dòng)芯片LM4818M的IN1與IN2引腳，驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來(lái)推動(dòng)瞳孔圖片在眼球支架內(nèi)上下移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)瞳孔的變化，在瞳孔支架外有一個(gè)凸透鏡，當(dāng)圖片遠(yuǎn)離凸透鏡的時(shí)候圖片被放大，表現(xiàn)為瞳孔散大狀態(tài)，當(dāng)瞳孔接近凸透鏡時(shí)圖片還原，表現(xiàn)為瞳孔縮小，反復(fù)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為對(duì)光反射，當(dāng)一側(cè)瞳孔采集到強(qiáng)光照射時(shí)另一側(cè)瞳孔變化為間接對(duì)光反射，當(dāng)前瞳孔采集到強(qiáng)光照射時(shí)當(dāng)前瞳孔變化為直接對(duì)光反射。

3 電路驅(qū)動(dòng)

單片機(jī)采用市場(chǎng)主流芯片STM32F103RET6，核心處理器為ARM?CortexTM_M3 32位單片機(jī)，F(xiàn)las512kROM64k，工作電壓3.3v，最高主頻72MHz。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用LB1848M，低電壓，2項(xiàng)激勵(lì)，2項(xiàng)4線驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有熱保護(hù)功能，可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，光敏電阻采用PTSMD021，具有體積小靈敏度高優(yōu)點(diǎn)。

因?yàn)槟M人是兩瞳孔，所以我們需要兩片LB1848M與兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，兩套瞳孔支架，兩個(gè)光敏電阻PTSMD021，STM32F103RET6引腳PC10，、PC11與兩片步進(jìn)電機(jī)接驅(qū)動(dòng)LB1848M的2、5腳連接，為了將來(lái)兩瞳孔同步變化，我們把驅(qū)動(dòng)引腳并聯(lián)，又為了可以分開(kāi)控制每一個(gè)瞳孔，我們獨(dú)立控制LB1848M的使能端，PC10與左眼步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)片子的3腳連接，PC12與右眼步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)片子的3腳連接，而瞳孔對(duì)光反射是需要采集光敏電阻的AD值，我們用STM32F103RET6的ADC123_13與ADC123_14分別采集左右眼光照AD值的變化，當(dāng)有手電光照射在光敏電阻上時(shí)，光敏電阻的阻值就會(huì)有突變，AD的變化值我們把突變作為有效變化值，而普通緩慢變化認(rèn)為是環(huán)境變化，只要有光的變化，AD便可以采集到不同的數(shù)值，根據(jù)當(dāng)前的病例我們控制瞳孔的不同變化。

4 程序的驅(qū)動(dòng)

LB1848M需要STM32F103RET6產(chǎn)生一個(gè)時(shí)序加在IN1與IN2腳上來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度、前進(jìn)或者后退的距離，我們采購(gòu)的步進(jìn)電機(jī)為1.8度，絲桿螺距為0.2mm，首先我們根據(jù)LB1848M數(shù)據(jù)手冊(cè)時(shí)序圖（圖2）得到驅(qū)動(dòng)LB1848M的程序時(shí)序（圖3），根據(jù)時(shí)序我們計(jì)算出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)一圈所需要的脈沖數(shù)，行駛距離所需脈沖數(shù)計(jì)算公式為：總脈沖數(shù)=（行程/0.2）*一圈所需脈沖。

5 瞳孔散大縮小的控制

重癥病人出現(xiàn)雙側(cè)瞳孔散大伴對(duì)光反射消失，首先要考慮是腦死亡的現(xiàn)象，這種情況一般是危重疾病的。當(dāng)老師需要演示此病例（瞳孔散大）時(shí)，老師需在ipad上點(diǎn)擊瞳孔散大，模擬人與ipad通過(guò)藍(lán)牙相互通訊，收到命令后我們需要使電機(jī)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后帶動(dòng)瞳孔紅膜圖片遠(yuǎn)離凸透鏡，此時(shí)經(jīng)過(guò)凸透鏡的放大，整個(gè)瞳孔變黑，當(dāng)學(xué)生用手電照射瞳孔時(shí)，STM32F103RET采集到瞳孔AD值的變化，但當(dāng)前瞳孔是散大狀態(tài)，非正常狀態(tài)所以瞳孔無(wú)反應(yīng)，瞳孔的縮小與散大類似只是運(yùn)動(dòng)方向不同。

6 瞳孔對(duì)光反射的實(shí)現(xiàn)

對(duì)光反射是檢查瞳孔功能活動(dòng)的測(cè)驗(yàn)，分直接對(duì)光反射和間接對(duì)光反射。瞳孔對(duì)光反射的中樞在中腦頂蓋前區(qū)，因此臨床上常把它作為判斷中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變部位、麻醉的深度和病情危重程度的重要指標(biāo)。我們的實(shí)現(xiàn)原理為當(dāng)學(xué)生用手電照射瞳孔中的光敏電阻時(shí)，光敏電阻的阻值在變化，AD采集到數(shù)據(jù)是突變的，此時(shí)認(rèn)為有強(qiáng)光照射，瞳孔縮小，當(dāng)強(qiáng)光離開(kāi)瞳孔后AD值恢復(fù)到無(wú)強(qiáng)光狀態(tài)，我們便讓瞳孔恢復(fù)到正常狀態(tài)。直接對(duì)光反射時(shí)ipad需下發(fā)一個(gè)命令，當(dāng)模擬人收到此命令后，瞳孔變化必須是呈現(xiàn)出直接對(duì)光反射狀態(tài)，如當(dāng)照射左眼時(shí)左眼電機(jī)動(dòng)，當(dāng)照射右眼時(shí)右眼電機(jī)動(dòng)，當(dāng)ipad下發(fā)間接對(duì)光反射時(shí)，如照射左眼時(shí)右眼電機(jī)動(dòng)，當(dāng)照射右眼時(shí)左眼電機(jī)動(dòng)。

7 總結(jié)

采用電機(jī)與光敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)瞳孔的變化，徹底顛覆了仿真醫(yī)學(xué)瞳孔變化的原理，在此產(chǎn)品問(wèn)世以前，瞳孔的變化有兩種：一種為液晶屏式，此方式顯示靈活，但仿真度差，立體感不強(qiáng)，失去真實(shí)感，另一種為機(jī)械式反轉(zhuǎn)，此方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)光反射，而我們采用的凸透鏡、光感、步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合的方式使瞳孔的變化基本接近真實(shí)，在臨床上有非凡的教學(xué)意義，使得學(xué)生更容易理解瞳孔的各種狀態(tài)與瞳孔的直接對(duì)光反射與間接對(duì)光反射含義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍，張洋，原子教你玩STM32（寄存器版）[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[2]吉星，C高級(jí)編程：基于模塊化設(shè)計(jì)思想的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[3]張雪平，數(shù)字電子技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2011.

[4]杜增輝，圖解步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的應(yīng)用與維修[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2016.

[5]許虹，急救護(hù)理學(xué)[M].人民衛(wèi)生出版社，2016.