智能恒溫遙控注射裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉曉龍，何夢曉，劉方玉，胡容博，侯 欽，許思毛*

（1.廣西師范大學(xué)，廣西桂林 541006；2.新疆師范大學(xué)，烏魯木齊 830054；3.烏魯木齊市第四人民醫(yī)院設(shè)備科，烏魯木齊 830002；4.慕尼黑工業(yè)大學(xué)建筑實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人學(xué)教研室，德國慕尼黑 80333；5.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，廣東汕頭 476000）

0 引言

當(dāng)前醫(yī)護(hù)人員在為隔離患者輸液、換藥時需頻繁進(jìn)入高危環(huán)境內(nèi)，導(dǎo)致感染風(fēng)險增加，并且部分治療藥物如丙種球蛋白、α-干擾素、糖皮質(zhì)激素等對貯存溫度有要求的藥液在轉(zhuǎn)運(yùn)或長時間注射過程中受溫度影響較大，溫度過高或過低都會影響藥物的生物活性[1]。

目前已研制的遙控注射設(shè)備在微創(chuàng)脊柱外科手術(shù)與各類X 射線造影檢查中已有初步應(yīng)用[2-5]，但無法長時間保存有貯存溫度要求的藥液。為此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的智能恒溫遙控注射裝置。本裝置以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，采用DS18B20 溫度傳感器實(shí)時反饋藥艙內(nèi)藥液溫度，以模糊算法為基礎(chǔ)并進(jìn)一步結(jié)合比例-積分-微分（proportion-inteegration-differentiation，PID）控制，通過操控H 橋電路以驅(qū)動氧化鋁高溫陶瓷發(fā)熱片與半導(dǎo)體制冷片，進(jìn)而對藥液進(jìn)行恒溫儲存。步進(jìn)電動機(jī)受紅外遙控指令操控，可替代人手推注以實(shí)現(xiàn)遙控注射功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本裝置藥艙溫度穩(wěn)定，遙控注射精度較高，可滿足多種領(lǐng)域的需要。

1 恒溫遙控注射裝置設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

本裝置采用模塊化電路設(shè)計，由主控模塊、紅外遙控模塊、注射模塊、智能溫控模塊、顯示模塊和參數(shù)設(shè)置模塊等組成，如圖1 所示。

圖1 恒溫遙控注射裝置組成框圖

1.1.1 主控模塊

主控模塊以STC89C52 單片機(jī)為核心，該單片機(jī)為互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metaloxide-semiconductor，CMOS）型 8 位處理器，可在低電壓條件下工作并具備在線編程功能，具有抗干擾強(qiáng)、功耗低、速度快、價格低等優(yōu)點(diǎn)[6]。其通用IO 管腳能與MCS-51 型單片機(jī)的指令集較好兼容。

1.1.2 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊由發(fā)射、接收兩部分組成。當(dāng)按下按鍵產(chǎn)生發(fā)射指令時，載波為38 kHz 的信號由控制器發(fā)出并傳遞給紅外發(fā)射二極管，紅外接收部分通過紅外線接收頭接收后解碼并執(zhí)行相應(yīng)指令[7-8]。

紅外信號發(fā)射器由遙控集成電路、按鍵矩陣、紅外發(fā)射二極管、電源等組成，實(shí)物如圖2 所示。脈沖信號通過遙控指令編碼器加工后轉(zhuǎn)換為遙控編碼脈沖，由載波實(shí)現(xiàn)脈沖幅度調(diào)制（pulse amplitude modulation，PAM），紅外發(fā)射二極管被載有遙控指令的調(diào)制信號激勵后發(fā)射出紅外信號。

圖2 紅外信號發(fā)射器實(shí)物圖

接收部分由紅外一體化接收電路構(gòu)成（如圖3所示），主要包括紅外接收二極管、解調(diào)器、循環(huán)控制電路、前置放大電路和帶通濾波器。其中HX1838 型紅外接收二極管電壓為2.7～5.5 V，采用環(huán)氧樹脂塑封，具有功耗低、抗干擾強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)，能匹配COMS、TTL（transistor-transistor-logic）電路[9]。

圖3 紅外一體化接收電路框架圖

1.1.3 智能溫控模塊

智能溫控模塊由溫度采集與溫度控制2 個部分組成。

溫度采集部分選用DS18B20 單線數(shù)字傳感器，其測量區(qū)間為-55～125 ℃，精度高達(dá)±0.5 ℃，電壓范圍為3.5～5.5 V，連接于單片機(jī)P3.4 端口，通信只需一條輸入輸出線[10-11]，具有抗干擾強(qiáng)、體積小、精度高、易配處理器、功耗低等特點(diǎn)[12]。傳感器DQ 引腳穿過上拉電阻后與單片機(jī)P3.4 接口相連，VCC 引腳接電源，GND 引腳接地。時鐘脈沖信號由低溫度系數(shù)振蕩器輸出后在高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期內(nèi)進(jìn)行次數(shù)記錄，計數(shù)器將低溫度系數(shù)振蕩器的脈沖進(jìn)行運(yùn)算得出溫度數(shù)值。傳感器內(nèi)部構(gòu)架如圖4 所示，溫度采集電路如圖5 所示。

圖4 DS18B20 內(nèi)部構(gòu)架

圖5 溫度采集電路

溫度控制部分元件選用XH-C1206S 半導(dǎo)體制冷片與CT-JRP404020 氧化鋁陶瓷發(fā)熱板。XHC1206S 制冷片電壓為12 V，功率為72 W，在全固態(tài)制冷領(lǐng)域內(nèi)有廣泛應(yīng)用，具有體積小且無滑動部件、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[13]。根據(jù)Peltier 效應(yīng)，熱量轉(zhuǎn)移會發(fā)生在直流電通過的2 種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)而成的電偶兩端之間[14]，因此為進(jìn)一步降低半導(dǎo)體冷端溫度，在裝置熱端安裝散熱片與微型風(fēng)扇。CT-JRP404020氧化鋁陶瓷發(fā)熱板電壓為12 V、功率為18 W，具有絕緣性好、體積小、熱效率高等特點(diǎn)[15]。溫度傳感器采集的藥艙溫度高于預(yù)設(shè)值時將制冷片端繼電器閉合，發(fā)熱板端繼電器斷開進(jìn)行制冷，反之進(jìn)行制熱。溫度控制電路如圖6 所示。

圖6 溫度控制電路

1.1.4 注射模塊

注射模塊由驅(qū)動芯片、步進(jìn)電動機(jī)、傳動部件3個部分組成。單片機(jī)傳出的控制信號輸入驅(qū)動芯片，經(jīng)放大后進(jìn)入步進(jìn)電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)軸與精密絲桿通過聯(lián)軸器相連，因此精密絲桿可跟隨步進(jìn)電動機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)。精密絲桿上的內(nèi)螺紋塊與精密滑桿上的滑塊連為一體，當(dāng)精密絲桿旋轉(zhuǎn)時，可帶動內(nèi)螺紋塊與滑塊、注射器推桿頂塊、注射器推桿卡槽組成的復(fù)合體在水平面內(nèi)做直線運(yùn)動。注射器針筒由于被固定在注射器卡槽內(nèi)，而注射器推桿柄被固定于注射器推桿卡槽內(nèi)，因此傳動部件整體可將步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為注射器推桿的直線運(yùn)動，從而執(zhí)行藥液輸注。當(dāng)注射動作完成或復(fù)位完畢時滑塊觸碰限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)限位保護(hù)。注射電路如圖7 所示，注射模塊實(shí)物如圖8 所示。

圖7 注射電路

圖8 注射模塊實(shí)物圖

（1）驅(qū)動芯片。驅(qū)動芯片選擇ULN2003AN，其采用達(dá)林頓陣列設(shè)計與塑封工藝，能直接處理以往依靠標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩存器處理的各種數(shù)據(jù)，具有工作電流大、電壓高的特性[16]。

（2）步進(jìn)電動機(jī)。電動機(jī)采用28BY-J48 型步進(jìn)電動機(jī)，其電壓為5 V，軸徑為5 mm，減速比與步進(jìn)角度分別為1/64 和5.625°，電動機(jī)軸通過聯(lián)軸器與滑臺的精密絲桿相連。

（3）傳動部件。傳動部件包含聯(lián)軸器、精密絲桿、精密滑桿、電動機(jī)座、注射器推桿頂塊、滑塊、內(nèi)螺紋塊、絲桿支架、滑桿支架、注射器卡槽和注射器推桿卡槽。其中絲桿選用0.25 mm 螺距精密絲桿，滑桿選擇1 mm 直徑精密滑桿。

1.1.5 顯示模塊

顯示模塊包含溫度顯示與注射顯示2 個部分。溫度顯示選用LCD1602 液晶顯示器，經(jīng)編碼后可顯示藥艙實(shí)時溫度、預(yù)設(shè)最高溫度、預(yù)設(shè)最低溫度等信息[17]。LCD1602 顯示內(nèi)容多樣，驅(qū)動也較為方便，是一種應(yīng)用廣泛的字符型液晶顯示器。為了消除錯誤顯示以及調(diào)節(jié)液晶顯示器的對比度，在V0 端口接入電位器進(jìn)行調(diào)整。溫度顯示電路如圖9 所示。注射顯示采用3641BS 型四位一體共陽輝光管，該管能在小電流與低電壓條件下工作，體積小且采用固態(tài)封裝。其正常電流20 mA，屏顯尺寸為0.36 in（9.144 mm），經(jīng)編程后能顯示步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向、預(yù)輸注液體總量、注射速度等信息。注射顯示電路如圖10 所示。

圖9 溫度顯示電路

圖10 注射顯示電路

1.1.6 參數(shù)設(shè)置模塊

溫度參數(shù)設(shè)置采用3 個輕觸式機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)按下時電路導(dǎo)通。本裝置運(yùn)行時單片機(jī)對按鍵進(jìn)行掃描以判別開合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。其3個開關(guān)分別接入單片機(jī)P1.1、P1.2、P1.3 端口，依次控制增加預(yù)設(shè)溫度、降低預(yù)設(shè)溫度、切換選擇預(yù)設(shè)最高溫度/預(yù)設(shè)最低溫度。注射參數(shù)設(shè)置依賴紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)，通過按鍵矩陣中的輸液總量設(shè)置鍵、輸液總量增加鍵、輸液總量減少鍵、數(shù)字按鍵設(shè)置液體輸注總量，通過加速鍵、減速鍵可預(yù)選注射速度。

1.2 軟件設(shè)計

軟件采用Keil 進(jìn)行設(shè)計，編程語言為C 語言?？紤]到控制功能的優(yōu)劣決定設(shè)備的恒溫能力，故選用模糊算法為基礎(chǔ)控制算法，其具有無需建立數(shù)學(xué)模型、實(shí)時控制性好且魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)[18]。在此基礎(chǔ)上結(jié)合PID 控制，大大提升了穩(wěn)態(tài)與動態(tài)效果。其中智能溫控流程如圖11（a）所示。在工作前預(yù)先設(shè)置溫度參數(shù)，工作時傳感器采集藥艙溫度數(shù)據(jù)后發(fā)送至單片機(jī)，通過操控H 橋電路以驅(qū)動氧化鋁高溫陶瓷發(fā)熱片與半導(dǎo)體制冷片，對藥艙實(shí)施溫控，電路循環(huán)工作直到穩(wěn)定藥艙溫度處于設(shè)置區(qū)間內(nèi)。遙控注射流程如圖11（b）所示，系統(tǒng)初始化后可按下紅外信號發(fā)射器上的輸液總量設(shè)置鍵進(jìn)入輸液總量選擇界面，此時按下遙控面板上的數(shù)字鍵或輸液總量增加/減少鍵可調(diào)整輸注液體的總量，設(shè)置精度為0.1 mL。藥液推注速度可選擇范圍為1～1 200 mL/h，在此區(qū)間內(nèi)，可以1 mL/h 為一擋按需調(diào)節(jié)注射速度。當(dāng)預(yù)設(shè)藥物總量輸注完畢、一次性注射器內(nèi)藥液全部注射完畢、操作者通過紅外信號發(fā)射器鍵入暫停指令時，注射模塊則停止工作。此時按下復(fù)位鍵，電動機(jī)反轉(zhuǎn)帶動注射器推桿卡槽倒退復(fù)位。

2 恒溫遙控注射裝置具體實(shí)現(xiàn)

圖11 軟件控制流程圖

本裝置使用12 V、2 A 外接電源，采用2 mm 厚聚甲基丙烯酸甲酯板制作外殼，為保證溫控效果，在藥艙內(nèi)部鋪設(shè)非交聯(lián)閉孔結(jié)構(gòu)的聚乙烯發(fā)泡棉，殼體縫隙填充聚氨酯密封劑。各部件連接關(guān)系與原理構(gòu)造如圖12 所示。整個裝置通過輕觸式機(jī)械開關(guān)預(yù)先設(shè)置期望溫度區(qū)間，溫控電路循環(huán)工作以將藥艙溫度穩(wěn)定于設(shè)置區(qū)間內(nèi)。當(dāng)有注射需求時可使用紅外信號發(fā)射器提前設(shè)置液體輸注總量與注射速度，隨后進(jìn)一步操控裝置完成注射動作，藥液通過預(yù)先埋入機(jī)體的留置針進(jìn)行輸注。

圖12 裝置原理構(gòu)造三視圖

3 測試與結(jié)果

本裝置于2020 年1—4 月在廣西師范大學(xué)運(yùn)動醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成設(shè)計與制作，經(jīng)多次調(diào)校后各功能模塊運(yùn)行穩(wěn)定，暫無故障發(fā)生，實(shí)物如圖13 所示。應(yīng)用測試于2020 年4 月在新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院完成，主要測試恒溫功能與遙控注射功能。

圖13 智能恒溫遙控注射裝置實(shí)物圖

3.1 恒溫功能測試

為了測試裝置的溫控效果，在密閉空間進(jìn)行測試。開機(jī)后通過參數(shù)設(shè)置按鍵將溫度預(yù)設(shè)值設(shè)定為2～8 ℃后依次置入 35、5、-15 ℃的環(huán)境溫度中，隨后選用testo 905T1 電子測溫計記錄液體推進(jìn)器內(nèi)藥液溫度變化數(shù)據(jù)并繪制曲線。經(jīng)初步試驗(yàn)，本裝置能夠在不同室溫下對藥液進(jìn)行恒溫保存，測試結(jié)果如圖14 所示。

3.2 遙控注射功能測試

首先測試紅外發(fā)射與接收功能，啟動紅外信號發(fā)射器，通過遙控發(fā)射模塊鍵入指令，發(fā)射管上的載波波形通過RIGOL DS1102ZE數(shù)字示波器測試，結(jié)果如圖15 所示。隨后通過機(jī)械按鍵依次輸入開始、暫停、加速、減速等指令，驅(qū)動器PWM 波輸出波形如圖16所示。

隨后將本裝置吸入蒸餾水后進(jìn)行遙控注射功能測試，結(jié)果顯示注射器推桿及推桿卡槽在工作行程中運(yùn)行平穩(wěn)且全程無摩擦與異響，液體輸出均勻。裝置注射精度采用Infutest 2000 型輸液泵分析儀進(jìn)行測量，分別選取1、3、5 mL/h 3 種注射速度進(jìn)行采樣間隔為30 s、共計60 min 的流量測量[19]。將預(yù)設(shè)注射速度與實(shí)際注射速度數(shù)據(jù)匯總后利用流量示值相對誤差公式：δ=（Qi-Q0）/Q0（其中Qi為測試儀所測流速，Q0為受測儀器設(shè)定流速，δ為示值相對誤差）計算得到示值相對誤差為4.78%。

以上測試結(jié)果表明，本裝置遙控靈敏，驅(qū)動波形完全正確，傳動部件能將步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為注射器推桿卡槽的直線運(yùn)動，裝置控制液體輸注的精準(zhǔn)度較高，可以實(shí)現(xiàn)對常用藥液進(jìn)行遙控注射。

圖14 不同模擬室溫下藥艙內(nèi)藥液溫度變化曲線

圖15 加載到紅外發(fā)射二極管上的載波波形

圖16 智能恒溫遙控注射裝置PWM 波波形

4 結(jié)語

本裝置實(shí)現(xiàn)了最初實(shí)驗(yàn)設(shè)計的智能溫控與遙控注射功能，藥液儲存在藥艙內(nèi)可恒溫保存并可隨時接收遙控指令通過留置針進(jìn)行注射。經(jīng)測試，本裝置運(yùn)行良好、性能穩(wěn)定，可按預(yù)設(shè)參數(shù)對藥液進(jìn)行溫控并精準(zhǔn)完成開始、暫停、加速、減速、倒退復(fù)位等注射指令，液體輸注精度較高。此外，本裝置可駁接一次性注射器，具有方便更換、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)手動注射相比，本裝置控制藥液輸注速度更為均勻，并可在各種高危環(huán)境下代替人工操作以減少職業(yè)暴露次數(shù)。操作者可透過隔離玻璃實(shí)時觀察注射效果，靈活把控注射藥物總量、注射時機(jī)與注射速度。另一方面，在室溫過低的環(huán)境下，本裝置可對無溫儲要求的藥液進(jìn)行加熱后恒溫保存，以避免輸注藥液過于冰冷刺激機(jī)體產(chǎn)生不適感，未來可廣泛應(yīng)用于X 射線造影檢查、臨床治療、生化研究等多個領(lǐng)域。但本裝置尚未進(jìn)行大規(guī)模人體試驗(yàn)，故其可靠性與穩(wěn)定性還有待驗(yàn)證。下一階段研究將進(jìn)行臨床試驗(yàn)并著力于結(jié)合自動靜脈穿刺機(jī)器人技術(shù)，不斷改進(jìn)以助力實(shí)現(xiàn)機(jī)械完全取代傳統(tǒng)手工注射。