摘 要：該文分析了微量注射泵工作原理，對(duì)注射泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行了多個(gè)方案設(shè)計(jì)和分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，為微量注射泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有用的參考方案。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療器械 注射泵 控制系統(tǒng) 微震動(dòng)傳感器 步進(jìn)電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（b）-0071-02

微量注射泵主要應(yīng)用于動(dòng)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(diǎn)討論了采用單片機(jī)進(jìn)行控制的方案，并對(duì)方案在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 微量注射泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

微量注射泵是光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品，主要由控制系統(tǒng)和微量推進(jìn)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(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出控制脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)工作，絲桿由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，由螺母（推頭）將絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推頭推動(dòng)注射器的活塞進(jìn)行注射藥物。通過(guò)設(shè)定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，控制螺桿的旋轉(zhuǎn)速度可以調(diào)整其對(duì)注射器針?biāo)ǖ耐七M(jìn)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(shè)置鍵、傳感系統(tǒng)等組成。傳感系統(tǒng)采用高精度微震動(dòng)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(jìn)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、減速機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)置微量注射泵速計(jì)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(shè)計(jì)與分析

2.1 單片機(jī)控制模式

主控制器為STC90C51單片機(jī)，通過(guò)編程使系統(tǒng)分為手動(dòng)、自動(dòng)和特定滴速模式。手動(dòng)模式下，用手轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，微震動(dòng)傳感器將點(diǎn)滴落下信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊送入單片機(jī)，并由顯示模塊顯示滴速；自動(dòng)模式下，由鍵盤(pán)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(guò)單片機(jī)比較設(shè)定滴速和滴速檢測(cè)值的差異，并判斷增大或減小PWM輸出，超出范圍后，啟動(dòng)聲光報(bào)警。系統(tǒng)邏輯框見(jiàn)圖2。

2.2 電位器控制模式

不使用單片機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取每分鐘0～60 °轉(zhuǎn)動(dòng)角所對(duì)應(yīng)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(pán)輸入，實(shí)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(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)。系統(tǒng)邏輯框見(jiàn)圖3。

2.3 方案分析

單片機(jī)控制模式具有功能多樣的特點(diǎn)，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(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)整較為困難。因此，本文采用單片機(jī)控制模式。

3 控制模塊設(shè)計(jì)與分析

3.1 硬件控制模塊設(shè)計(jì)

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

3.2 PWM輸出模塊

PWM相對(duì)線性控制具有節(jié)能、易控制、提高電機(jī)運(yùn)行效率的特點(diǎn)[3]，本文實(shí)驗(yàn)采用PWM電路控制電機(jī)。用單片機(jī)產(chǎn)生矩形波，經(jīng)放大電路放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該方案優(yōu)點(diǎn)是不需要另搭外圍電路，通過(guò)編程即可改變輸出矩形波占空比，從而控制電機(jī)。PWM產(chǎn)生及占空比控制，使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM時(shí)，本文先后采用了兩種方法，一種是編寫(xiě)延時(shí)由IO口直接輸出，另一種是使用定時(shí)器，通過(guò)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(shí)不夠精確，因此而采用鍵盤(pán)控制時(shí)，使用了外部中斷來(lái)控制占空比。本文使用了三個(gè)獨(dú)立鍵盤(pán)，分別控制占空比增加、占空比減小以及特定占空比（45°時(shí)的占空比）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驗(yàn)證了單片機(jī)控制模式方案設(shè)計(jì)，采用的測(cè)試儀器有示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、秒表等測(cè)試設(shè)備。測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)加占空比鍵按下后，轉(zhuǎn)動(dòng)角度值變大；減占空比鍵按下后，轉(zhuǎn)動(dòng)角度值值變小。實(shí)驗(yàn)證明占空比控制非常重要，也證明了PWM波的頻率對(duì)響應(yīng)速度有很大影響，同時(shí)驗(yàn)證了方案的可行性，為微量注射泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]陳浩.微量注射泵的工作原理及其應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2012，10（9）：47-48.

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

[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2007：30-35.