郭要強(qiáng) 盧志增

【摘要】文章基于微電腦智能控制原理，采用單片機(jī)程控驅(qū)動(dòng)輸注裝置技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了一種用于術(shù)后病人減輕疼痛感覺的智能化電子鎮(zhèn)痛泵。使用atmel公司生產(chǎn)的加強(qiáng)型AT89C51系列單片機(jī)，該芯片具有較高的穩(wěn)定性和性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各類醫(yī)療器械設(shè)備儀器中。并采用步進(jìn)電機(jī)程控方式，實(shí)現(xiàn)了鎮(zhèn)痛藥物的精準(zhǔn)輸注，保證了病人在使用時(shí)的安全、便捷與最佳的鎮(zhèn)痛效果。

【關(guān)鍵詞】微電腦智能控制;atmelAT89C51單片機(jī);步進(jìn)電機(jī)程控;安全鎮(zhèn)痛

The design of the intelligent medical electronic analgesia pump

Guo Yao Qiang ， Lu zhizeng

（Henan tuoren medical equipment group co.，LTD，Henan xinxiang）

Abstract：Article，on the basis of the principle of microcomputer intelligent control adopts single-chip microcomputer program control drive technology infusion device，designed and produced a feeling for postoperative patients alleviate the pain of intelligent electronic analgesia pump.Using atmel company produces the enhanced AT89C51 MCU series，the chip has the advantages of high stability，and cost-effective，widely used in all kinds of medical instrument equipment instrument.Using step motor and photoelectric coding SPC infusion，realized the accurate infusion of analgesic drugs，ensure the safety of the patient when use，convenient，and the best analgesic effect.

Key words：Microcomputer intelligent control;AtmelAT89C51 microcontroller;Stepper motor program;Safe analgesia

一、引言

電子泵是一種能夠準(zhǔn)確控制輸液滴數(shù)或輸液流速，保證藥物能夠速度均勻，藥量準(zhǔn)確并且安全地進(jìn)入病人體內(nèi)發(fā)揮作用的一種儀器。同時(shí)，輸液泵還能提高臨床給藥操作的效率和靈活性，降低護(hù)理工作量。輸液泵通常是機(jī)械或電子的控制裝置，它通過作用于輸液導(dǎo)管達(dá)到控制輸液速度的目的。常用于需要嚴(yán)格控制輸液量和藥量的情況，如在應(yīng)用升壓藥物，抗心律失常藥藥物，嬰幼兒靜脈輸液或靜脈麻醉時(shí)。

二、電子鎮(zhèn)痛泵的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是采用微機(jī)系統(tǒng)、泵裝置、檢測(cè)裝置、報(bào)警裝置和輸入及顯示裝置控制，控制藥液輸送并進(jìn)行異常報(bào)警的設(shè)計(jì)。在詳細(xì)的了解了設(shè)計(jì)要求后，通過資料的查閱，對(duì)各部分功能的掌握以及以往輸液器成品的了解，在反復(fù)比較和計(jì)算的前提下，建立了總體方案的框圖，如圖1所示。

圖1 總體方案框圖

總體上確立了以單片機(jī)芯片為核心的框架，通過按鍵啟停和過程中的調(diào)速命令傳達(dá)給單片機(jī)從而控制步進(jìn)電機(jī)的啟停，進(jìn)而控制推注結(jié)構(gòu)而使液體流速的改變。顯示部分采用數(shù)碼管顯示方式，可以顯示滴速等信息。輸液前，當(dāng)導(dǎo)管中有氣泡時(shí)，按2秒鐘增進(jìn)鍵后快速推進(jìn)，自動(dòng)排氣，流液燈閃亮，延伸管口出液時(shí)止。當(dāng)輸液過程結(jié)束、報(bào)警器報(bào)警，之后通過按鍵可以使輸液過程復(fù)位并進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)。

三、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)的選用

總體設(shè)計(jì)的硬件核心--單片機(jī)。實(shí)際中，MCS-51系列單片機(jī)價(jià)格低廉，派生產(chǎn)品數(shù)量眾多，便于開發(fā)，在一般領(lǐng)域，其性能能滿足大部分的需要，目前應(yīng)用最廣泛，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍將是主流。AT89系列單片機(jī)各類型號(hào)均以MCS-51為核心發(fā)展而來，AT89c51單片機(jī)是AT89系列的主流，使用非常廣泛。89C51各類型號(hào)外部引腳相互兼容，89C51實(shí)際有效引腳為40個(gè)。具有PDIP、TQFP、PLCC三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求，使用時(shí)均需插入與其對(duì)應(yīng)的插座中。如圖2所示：

圖2 AT89c51單片機(jī)

由于供應(yīng)以及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限制的，但單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)其功能所需要的信號(hào)數(shù)目卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此數(shù)，因此出現(xiàn)了需要與可能的矛盾，這就可以給出的一些信號(hào)的引腳賦予第二功能來解決。

1.I/O引腳（32條）

P0.0--P0.7：P0口8位準(zhǔn)雙向口線。

P1.0—P1.7：P1口8位準(zhǔn)雙向口線。

P2.0--P2.7：P2口8位準(zhǔn)雙向口線。

P3.0--P3.7：P3口8位準(zhǔn)雙向口線。

（二）控制引腳（4條）

1.ALE/PROG

地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE輸出的信號(hào)用于控制鎖存器把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，配合P0口引腳的第二功能使用，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。正常操作時(shí)因能按晶振頻率1/6的固定頻率，從ALE端發(fā)出正脈沖信號(hào)，所以有時(shí)可以加以利用，但應(yīng)注意，每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，會(huì)少輸入一個(gè)ALE脈沖。此引腳第二功能是對(duì)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器固化程序時(shí)，作為編程脈沖輸入端。

2.

外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，有效，發(fā)出低電平，可以用作對(duì)外部程序存儲(chǔ)器的讀操作選通信號(hào)。

3./Vpp

訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)（=0），CPU只執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令;而當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)（=1），則CPU優(yōu)先從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行指令，并可自動(dòng)延至外部程序存儲(chǔ)器單元。對(duì)于E2PROM型單片機(jī)（89C51）或EPROM型單片機(jī)（8751），在E2PROM或EPROM編程期間，第二功能Vpp引腳用于施加一個(gè)+12V或+21V電源。

4.RST/VPD RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，當(dāng)RST端輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平是，單片機(jī)完成復(fù)位初始化操作;第二功能VPD是備用電源引入端，當(dāng)電源發(fā)生故障引起電壓降低到下限值時(shí)，備用電源經(jīng)此端向內(nèi)部RAM提供電壓，以保護(hù)內(nèi)部RAM中的信息不丟失。

（三）時(shí)鐘引腳（2條）

XTAL1為外接晶振輸入端，XTAL2為外接晶振輸出端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此兩個(gè)引線端用于接外接石英晶體和微調(diào)電容;當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。

（四）電源引腳（2條）

Vss：地線：Vcc：+5V電源。

四、單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的電路連接

步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)有一定的布進(jìn)角，由此可知步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需的脈沖個(gè)數(shù)。本設(shè)計(jì)采用的是四相步進(jìn)電機(jī)，知，該步進(jìn)電機(jī)有6根引線，其中，以下連線為其中的一根。由實(shí)際可知，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片可采用ULN2003，這是一種高耐壓、大電流達(dá)林頓管IC—ULN2003。

ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。

ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還 可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。

ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封裝。

方框圖如圖3所示：

圖3 方框圖

ULN2003內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V，電流=500mA，輸入電壓=5V，適用于TTL COMS，由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。

ULN2003是一個(gè)非門電路，包含7個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)350mA，9腳可以懸空。

比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳。

作用：

ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列，多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。

輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。

ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。 該電路的特點(diǎn)如下：

ULN2003的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。

ULN2003是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。

五、軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)

假如說，硬件就是身軀，那么，軟件就是思想和靈魂。軟件的正常工作是硬件發(fā)揮作用的唯一途徑。所以，必須要配備完善的軟件系統(tǒng)才能正常工作，且充分發(fā)揮其硬件的各種功能。軟件各模塊的相互連接需要主控模塊對(duì)它們進(jìn)行控制。按照主控模塊的執(zhí)行順序來工作。這就是整個(gè)系統(tǒng)的軟件方案。整個(gè)輸液過程如圖4所示：

圖4 輸液全過程流程

通過按鍵可以控制整個(gè)過程的啟停，之后在預(yù)設(shè)參數(shù)下步進(jìn)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)無氣泡時(shí)，通過數(shù)碼管可以顯示輸液的有關(guān)信息，在一切正常的情況下，輸液過程停止;.當(dāng)輸液過程結(jié)束、報(bào)警器報(bào)警，之后通過按鍵可以使輸液過程復(fù)位并進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)。

初始化模塊，輸液速度，報(bào)警裝置和時(shí)間都會(huì)被清零，電機(jī)回到初始位置。裝置都處于默認(rèn)狀態(tài)。流程圖如圖5所示：

圖5 初始化模塊

六、步進(jìn)電機(jī)的控制

失步和過沖現(xiàn)象分別出現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止的時(shí)候。一般情況下，系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率比較低，而要求的運(yùn)行速度往往比較高。如果系統(tǒng)以要求的運(yùn)行速度直接啟動(dòng)，因?yàn)樵撍俣纫殉^極限啟動(dòng)頻率而不能正常啟動(dòng)，輕則可能發(fā)生丟步，重則根本不能啟動(dòng)，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行起來以后，如果達(dá)到終點(diǎn)時(shí)立即停止發(fā)送脈沖串，令其立即停止，則由于系統(tǒng)慣性作用，電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過平衡位置，如果負(fù)載的慣性很大，會(huì)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到接近終點(diǎn)平衡位置的下一個(gè)平衡位置，并在該位置停下。

步進(jìn)電機(jī)控制速度圖如圖6所示：

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制速度圖

圖中加、減速段近似于指數(shù)曲線，啟動(dòng)時(shí)速度逐漸加大可以避免沖擊，加速到一定頻率后恒速運(yùn)行，快到終點(diǎn)時(shí)速度緩慢減小，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機(jī)，這樣可以避免失步現(xiàn)象。步進(jìn)電機(jī)啟停調(diào)速流程如圖7所示：

圖7 步進(jìn)電機(jī)啟停的調(diào)速

七、結(jié)論

本文給出了基于微電腦程控輸注藥物鎮(zhèn)痛的應(yīng)用方案，該方案利用單片機(jī)在醫(yī)用電子輸注泵上的應(yīng)用，系統(tǒng)采用微機(jī)電系統(tǒng)、泵裝置、檢測(cè)裝置、報(bào)警裝置和輸入及顯示裝置控制，控制藥液輸送并進(jìn)行異常報(bào)警的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在低成本上多功能的應(yīng)用，具有較高的輸液精度和鎮(zhèn)痛效果;滿足現(xiàn)代醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展的需要，具有很好的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：

郭要強(qiáng)（1980—），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于河南駝人集團(tuán)產(chǎn)品研究院。

盧志增（1987—），男，大學(xué)專科，工程師，現(xiàn)供職于河南駝人集團(tuán)產(chǎn)品研究院。