基于STM32F4的智能配液機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李長有，張攀

河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454003

引言

靜脈用藥調(diào)配中心靠人工使用注射器配液，配液過程存在效率低、精度差、勞動強(qiáng)度大的缺點(diǎn)。提高靜脈用藥調(diào)配中心的配藥效率及精度對提高臨床的藥品質(zhì)量和藥品服務(wù)有至關(guān)重要的作用[1-3]。在某些生化、理化實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用到蠕動泵抽液、排液、滴液。蠕動泵具有無污染、精度高、密封性好、雙向同等輸送液體的能力[4-5]。

傳統(tǒng)的蠕動泵機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，功能簡單，不方便操作，且不方便更換彈性軟管。本文設(shè)計(jì)的智能配液機(jī)主要分為兩部分：遠(yuǎn)程手柄系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)。手柄內(nèi)部的藍(lán)牙裝置和主機(jī)內(nèi)部的藍(lán)牙裝置連接配對，在主機(jī)觸摸屏選擇不同的工作模式之后，通過按動手柄按鍵控制主機(jī)工作。配藥人員也可以通過操控觸摸屏的按鈕控制主機(jī)工作。

主機(jī)控制系統(tǒng)采用STM32F407高性能32位主控芯片控制輥組步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，可精確地定量抽/排藥液，實(shí)現(xiàn)靜脈用藥調(diào)配中心數(shù)字化配液。如長時間抽/排藥液，彈性軟管的彈性會有所下降，不能恢復(fù)到最初的形狀，所以要定期的更換彈性軟管[6-7]。配藥人員通過操控觸摸屏可以輕松實(shí)現(xiàn)更換彈性軟管。

1 主機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的蠕動泵存在更換軟管操作復(fù)雜的問題，本文設(shè)計(jì)的配藥機(jī)通過觸摸屏點(diǎn)擊按鈕即可實(shí)現(xiàn)輕松換管。需要更換彈性軟管時，只用點(diǎn)擊觸摸屏上的“換管推出”按鈕，即可方便更換軟管。本文設(shè)計(jì)制作的配液機(jī)如圖1所示。

圖1 主機(jī)機(jī)械主體

2 智能配液機(jī)工作模式

配液機(jī)具有自動、手動、定量、連續(xù)、標(biāo)定等工作模式。配液機(jī)主控芯片STM32F4搭載μC/OSIII嵌入式操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)處理，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)復(fù)雜的功能[8-17]；搭載emWin圖形庫，可以設(shè)計(jì)制作炫麗的圖形[12-14]；搭載的FATFS嵌入式文件系統(tǒng)可以根據(jù)需要記錄主機(jī)的工作數(shù)據(jù)[13]。

（1）自動模式：點(diǎn)擊某個按鍵之后，主機(jī)開始抽液或排液，松開此按鍵配液機(jī)仍處于工作狀態(tài)，再次點(diǎn)擊任意按鍵之后配液機(jī)停止工作。此種模式適合大量藥液的轉(zhuǎn)移。

（2）手動模式：點(diǎn)擊某個按鍵之后，主機(jī)開始工作，松開此按鍵主機(jī)停止工作。此種工作狀態(tài)需要按鍵一直處于按下狀態(tài)，一旦松開按鍵，配液機(jī)就停止工作。

（3）定量模式：需要單次定量抽/排藥液時，通過觸摸屏設(shè)置工作量x（mL），點(diǎn)擊手柄按鍵之后主機(jī)開始工作，當(dāng)主機(jī)抽/排藥液量達(dá)到設(shè)置的工作量時，自動停止；也可以點(diǎn)擊觸摸屏上的“點(diǎn)擊啟動”按鈕，之后配液機(jī)開始工作，抽/排設(shè)置的工作量之后自動停止。

（4）連續(xù)模式：配藥人員在配置小容量西林瓶、安瓿瓶時，需要頻繁地拔插針頭，極為費(fèi)事耗力。連續(xù)模式可以解決這一難題。此種工作模式下需要設(shè)置4個參數(shù)：間隔時間 t1（s）、間隔時間 t2（s）、循環(huán)次數(shù) N、工作量 x（mL）。按下手柄按鍵之后配液機(jī)開始工作，當(dāng)抽/排液體量達(dá)到所設(shè)置的工作量x后暫停工作，等停止時間達(dá)到t1秒之后配液機(jī)再次啟動，如此循環(huán)N次之后配液機(jī)暫停工作，結(jié)束本次循環(huán)，等停止時間達(dá)到t2秒之后，配液機(jī)又開始啟動繼續(xù)下一次循環(huán)。配液機(jī)在工作的過程中，無論是處于工作狀態(tài)，還是處于暫停狀態(tài)（t1暫?；騮2暫停），再次點(diǎn)擊手柄任意按鍵都會結(jié)束本次任務(wù)。根據(jù)配液人員的熟練程度設(shè)置時間t1和托盤中西林瓶、安瓿瓶的個數(shù)設(shè)置循環(huán)次數(shù)N。通過觸摸屏也可以完成此種工作模式。

（5）標(biāo)定模式：該模式下可以調(diào)整主機(jī)的工作速度和流量精度。通過標(biāo)定某些特定量的脈沖數(shù)可以精確調(diào)節(jié)定量抽/排藥液的量。特殊的標(biāo)定分解算法可以獲取輸入任意數(shù)值下的脈沖數(shù)，通過控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖個數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制抽/排藥液的量。圖2為配藥人員使用配液機(jī)樣機(jī)配液。

圖2 樣機(jī)試用

主機(jī)在定量和連續(xù)模式時抽/排的藥液量必須精確。除了保證硬件機(jī)械加工精度外，軟件中控制定量的算法更為重要。軟件中不是通過求平均數(shù)值方法得到的脈沖數(shù)，如100 mL對應(yīng)50000個脈沖，那么1 mL就對應(yīng)500個脈沖；而是通過設(shè)置固定幾個量的脈沖數(shù)，然后通過不同的組合來得到所需要的量。

3 手柄工作原理設(shè)計(jì)

手柄的機(jī)械結(jié)構(gòu)要卡緊針頭，方便配藥人員插進(jìn)藥瓶中。手柄控制系統(tǒng)靠電池供電，為了節(jié)省電量，手柄電路控制系統(tǒng)必須有低功耗節(jié)能處理。手柄內(nèi)部為精密微振傳感器，當(dāng)手柄長時間靜止放置，手柄內(nèi)部的STC15F104E在一定時間內(nèi)沒有檢測到震動信號，就會進(jìn)入休眠模式。手柄內(nèi)部工作原理如圖3所示。手柄工作過程中會產(chǎn)生輕微的晃動，震動開關(guān)工作時，P3.2接收的是低電平信號；震動開關(guān)不工作時，P3.2接收的是高電平信號。手柄處于工作狀態(tài)時，KEY1或KEY2被按下或者手柄在醫(yī)護(hù)人員手中受到晃動，P3.2、P3.3、P3.4接口電平發(fā)生變化。STC15F104E通過檢查P3.2、P3.3、P3.4的電平信號來判斷手柄是否處于工作狀態(tài)。若連續(xù)一段時間內(nèi)檢測P3.2、P3.3、P3.4都是高電平信號，那么就認(rèn)為手柄處于靜止不工作狀態(tài)，這時STC15F104E的P3.5接口輸出低電平通過三極管Q1切斷藍(lán)牙模塊的電源，自身也進(jìn)入休眠狀態(tài)，手柄系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。

圖3 手柄工作原理圖

當(dāng)手柄受到外界震動時，P3.2接收到低電平信號，喚醒STC15F104E，然后通過P3.5輸出高電平接通藍(lán)牙模塊的電源，藍(lán)牙模塊得電后進(jìn)入自動連接模式，配對后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。P3.2、P3.3、P3.4是STC15F104E的外中斷0、外中斷1、外中斷2，這三個I/O口任意一個接收到低電平信號后都會喚醒單片機(jī)的休眠。若拿起手柄的動作比較輕緩并沒有使震動開關(guān)接通，按動了其中某一個按鍵，也可以喚醒單片機(jī)的休眠。

4 手柄控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

配藥人員通過手柄可以實(shí)現(xiàn)無方式控制主機(jī)工作。手柄軟件工作流程圖如圖4所示。

（1）通過觸摸屏選擇自動工作模式，等待手柄藍(lán)牙跟主機(jī)藍(lán)牙之間的配對連接，實(shí)現(xiàn)一對一通信。實(shí)際測試中大概1～3 s主從藍(lán)牙可以正常配對連接。

（2）選擇主機(jī)工作方式，自動、手動、定量、連續(xù)其中一種。主機(jī)面板按下不同的按鈕，主機(jī)藍(lán)牙發(fā)送不同的字符，手柄藍(lán)牙判斷接收的字符，進(jìn)入不同的控制模式狀態(tài)。

（3）通過按動手柄按鍵控制主機(jī)進(jìn)行抽液或者排液。

（4）長時間靜止放置，沒有震動或者輸入信號，手柄自動進(jìn)入休眠模式。

圖4 手柄工作流程

（5）再次使用時，晃動手柄或按動按鍵喚醒休眠模式進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

（6）手柄工作時藍(lán)牙處于自動連接模式，自動搜索周圍藍(lán)牙設(shè)備，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的藍(lán)牙名字密碼進(jìn)行配對連接，跟主機(jī)藍(lán)牙配對連接之后便可控制主機(jī)工作。

5 臨床實(shí)際應(yīng)用效果及流量控制

實(shí)際操作時，配藥人員可以通過手柄控制主機(jī)工作或者通過觸摸屏控制主機(jī)工作。手柄操作或觸摸面板操作都可以實(shí)現(xiàn)相同的定量效果。使用時一人負(fù)責(zé)把軟管一端插進(jìn)藥瓶或藥袋中，另一人操作手柄負(fù)責(zé)把藥液抽排到另一個藥瓶或藥袋中。配液機(jī)在醫(yī)院實(shí)際使用效果如圖5所示。

圖5 使用效果圖

在實(shí)際使用中，最關(guān)心的是配液機(jī)的流量，通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以改變配液的最大抽排藥液的速度。在標(biāo)定界面下，修改“轉(zhuǎn)動速度”參數(shù)（步進(jìn)電機(jī)最大工作頻率）可以改變最大抽排藥液速度。標(biāo)定界面參數(shù)如圖6所示。

圖6 標(biāo)定界面

在自動模式模式下測試蠕動泵的流量，啟動主機(jī)，開始計(jì)時，達(dá)到100 mL時立即停止主機(jī)工作，通過秒表記錄時間來測算實(shí)際流量。輥組直徑D=42 mm，蠕動泵軟管內(nèi)徑為4 mm。

表1 頻率與實(shí)際流量關(guān)系

實(shí)際使用時速度不宜過快。若拔出針頭時不夠迅速會造成藥袋充入過多空氣，出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。實(shí)際使用時，9～10 mL/s是最佳抽排藥速度。

6 總結(jié)

本論文致力于研制一臺能在靜脈用藥調(diào)配中心運(yùn)行的配液機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)無線操控、觸摸操控、精確定量、方便校準(zhǔn)、更換軟管等功能。通過無線手柄操控實(shí)現(xiàn)了對主機(jī)的遠(yuǎn)程操作，無線手柄除了具有基本的無線通信功能外，還可以實(shí)現(xiàn)自動休眠觸碰喚醒功能，觸摸屏友好的人機(jī)界面可以方便配藥人員操控，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化配液。該配液機(jī)樣機(jī)在某醫(yī)院經(jīng)過長時間試運(yùn)行，得到了預(yù)期效果，最后批量制作了第一代配液機(jī)。