王發(fā)智

（齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾161006）

0 引言

靜脈輸液是一種最常用的臨床治療方法，臨床上應(yīng)根據(jù)藥物和患者情況不同配以不同的輸液速度；有些藥輸液速度過快，可能會導(dǎo)致中毒，更嚴(yán)重時會導(dǎo)致水腫和心力衰竭；輸液速度過慢則可能發(fā)生藥量不夠或者無謂地延長輸液時間，使治療受影響，并給患者和護理工作增加不必要的負擔(dān)[1]。 常規(guī)臨床輸液，普遍采用掛瓶輸液，用眼睛觀察，依靠手動夾子來控制液滴速度，不易精確控制輸液速度，而且護士工作量大。

智能型醫(yī)用輸液泵可滿足多種功能的需求。 歸納起來，它能實現(xiàn)以下功能：

（1）可精確測量和控制輸液速度；

（2）可精確測定和控制輸液量；

（3）液流線性度好，不產(chǎn)生脈動；

（4）能對氣泡、空液、漏液和輸液管阻塞等異常情況進行報警，并自動切斷輸液通路；

（5）實現(xiàn)智能控制輸液[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

紅外振蕩裝置產(chǎn)生紅外脈沖，紅外信號通過液滴池后形成不同的脈沖峰值，經(jīng)過放大裝置放大，使高、低峰值之間的反差加大，脈沖經(jīng)過施密特整形后，低峰值脈沖被削減，高峰值脈沖通過，對于可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)電路，當(dāng)有脈沖來時其處于暫穩(wěn)態(tài)，沒有脈沖時處于穩(wěn)態(tài)。因為有液滴通過時，紅外信號被吸收，產(chǎn)生一次低電平，在單片機中設(shè)置下降沿觸發(fā)，計算下降沿數(shù)目可以得到液滴數(shù)目（20 滴=1ml）。 單片機與CAN 總線控制器連接，彼此通訊，從單片機送來的數(shù)據(jù)，進而控制步進電機，步進電機帶動蠕動泵轉(zhuǎn)動。 根據(jù)上述設(shè)計思想設(shè)計的系統(tǒng)總體原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)的硬件和系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能緊密相關(guān)， 因此先要從系統(tǒng)要達到的功能入手，然后再用硬件實現(xiàn)這些功能。 系統(tǒng)需要顯示“滴速”和“瓶量”兩種[3]，平時主要是顯示“滴速”，并可以用“ml/min”和“滴/min”兩種方法顯示，當(dāng)然這兩種方法可以通過鍵盤輸入切換功能來實現(xiàn)。 紅外調(diào)制發(fā)射電路可由555 電路實現(xiàn)，紅外接收放大采用紅外接收放大一體的管子， 后級只需要把信號整形并變成液滴頻率的信號即可，這里用555, 74LS122 或74HC123 實現(xiàn)。 具體原理如下：紅外脈沖接收管接收并放大紅外信號， 在經(jīng)過施密特觸發(fā)器濾除干擾后送給液滴變換電路。 接下來是如何去測量滴速。 本文利用8253 的定時器產(chǎn)生一個固定定時，同時利用8253 對液滴計數(shù)，當(dāng)定時器溢出的時候，用單片機把定時器8253 計的滴數(shù)讀出，再把這個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為每分鐘的滴速，這樣就完成液滴測量。 液滴速度測量的原理實際上是測量在規(guī)定時間單穩(wěn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，在GATE0 腳加上控制電平來控制規(guī)定時間，OUT0 輸出產(chǎn)生速度上限控制報警， 速度下限則由軟件完成。

系統(tǒng)接口電路設(shè)計中包括鍵盤顯示單元設(shè)計及報警單元設(shè)計，在鍵盤顯示部分采用目前最常用的8279 器件， 報警電路利用單片機的P1.1 和P1.2 口控制兩個LED，進行報警顯示。

在鍵盤中設(shè)定了如下功能鍵：數(shù)字輸入+、數(shù)字輸入-、左移、右移、瓶量/速度選擇、清零確認、顯示選擇（ml/min 和滴/min）、報警消除、暫停、確認。

鍵盤顯示部分采用8279 專用鍵盤顯示接口電路。 按照需要的功能，規(guī)劃并設(shè)計硬件電路，P2.0 為片選地址線，/INT0 作為中斷。復(fù)位端和單片機的復(fù)位端相連。 設(shè)置10 個按鍵，驅(qū)動6 個LED。 單片機系統(tǒng)的晶振為12MHz?？紤]到8279 直接驅(qū)動數(shù)碼管的能力不夠，設(shè)置了驅(qū)動緩沖器74LS244/241。

使用L297+L298 做成的兩相雙極性步進電機馬達驅(qū)動，采用定電流截波方式驅(qū)動，每相電流可達2A，L297 是步進馬達控制器，用來產(chǎn)生兩相雙極性驅(qū)動信號與馬達截波電流設(shè)定，L298 是用來驅(qū)動步進電機電力輸出，是雙全橋接方式驅(qū)動，由于采用雙極性驅(qū)動，因此馬達線圈完全利用，使步進電機可以達到最佳的驅(qū)動[4]。

由ALE、/WR、/RD 組合產(chǎn)生穩(wěn)定的2MHz 脈沖，供給8253。 8253三個計數(shù)器把它分頻供給L297，L297 產(chǎn)生脈沖分配給L298，L298 驅(qū)動兩相步進電機。 步進電機驅(qū)動部分電路原理圖如圖2 所示。

本設(shè)計用硬件產(chǎn)生脈沖分配碼驅(qū)動， 程序中控制8253 的脈沖頻率就可以控制步進電機的轉(zhuǎn)速，設(shè)定好工作速度后，根據(jù)這一數(shù)值查表對應(yīng)某一值，利用這一數(shù)值在這基礎(chǔ)上系統(tǒng)進行加速或減速，當(dāng)測量數(shù)值和設(shè)定小于規(guī)定的數(shù)時記錄這個脈沖率并停止調(diào)速，這就是軟件流程的主要思想。采用AT89C52 單片機產(chǎn)生控制信號。單片機內(nèi)部的RAM 和ROM 即可滿足要求。 在以后的實際運用中,如需擴展較多的外部RAM 和ROM 時,可加上數(shù)據(jù)緩沖器。

圖2 步進電機驅(qū)動部分電路原理圖

步 進 電 機 控 制 信 號 通 過AT89C52 單 片 機P1 口 的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 四個口輸出的具有時序的方波經(jīng)74HC04 芯片(為方便輸出,起非門的作用)作為步進電機的控制信號。 為了增加步進電機工作的靈活性，在起動步進電機工作之后,當(dāng)有鍵按下，設(shè)置產(chǎn)生外部中斷,達到靈活控制步進電機的目的[5]。

單片機對CAN 總線控制芯片SJA1000 進行正確初始化后， 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過PC82C250 輸出至CAN 總線。 在硬件電路的設(shè)計過程中，為了增強抗干擾能力，SJA1000 的TX0 和RX0 引腳并沒有直接和PCA82C250（CAN 總線收發(fā)器）的TXD,RXD 相連接，而是通過高速光耦6N137 后與PCA82C250 相連，這樣可以實現(xiàn)總線上各CAN 節(jié)點之間的電氣隔離。 在光耦的使用過程中，一定要注意光耦6N137 的兩側(cè)必須使用完全獨立的兩組電源Vcc 和+5V, 否則光耦將起不到任何作用。 圖3 給出了基于SJA1000 的CAN 總線接口模塊電路。 在PCA82C250 與CAN 總線的連接部分，可以將CANH 和CANL 兩個引腳各自通過1 個5Ω 的電阻與CAN 總線相連， 這樣可以起到限流的作用，以保護PC82C250 免受過流的沖擊。

圖3 基于SJA1000 的CAN 總線接口電路

驅(qū)動器PCA82C250 是控制器與物理總線之間的接口，從CAN 控制器SJA1000 出來的數(shù)據(jù)流需經(jīng)過驅(qū)動器PCA82C250 才可由總線相連，驅(qū)動器PCA82C250 除加強總線的差動發(fā)送和接收功能外，還有如下特點：具有抗瞬間干擾，保護總線傳輸能力，采用斜率控制，降低射頻干擾，過熱保護及總線與電源之間的短路保護，低電流待機模式，未上電節(jié)點不會干擾總線， 總線可連接110個節(jié)點。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件采用功能模塊的設(shè)計思想方法進行編寫，可增加系統(tǒng)整體可移植性。 系統(tǒng)軟件需要的功能模塊主要有：鍵盤模塊、顯示模塊、測量信號模塊、步進電機驅(qū)動控制模塊、通訊模塊、報警模塊。 這樣分類也和硬件的設(shè)置相對應(yīng)。 軟件各模塊的相互連接需要主控模塊對它們進行控制。 按照主控模塊的執(zhí)行順序來工作。 這就是整個系統(tǒng)的軟件構(gòu)建方案。

在系統(tǒng)中要考慮抗干擾設(shè)計問題，在硬件方案上已有體現(xiàn)， 例如施密特觸發(fā)器就是濾除干擾。 軟件抗干擾主要是在沒有利用的程序段中加入長跳轉(zhuǎn)到0000H，使程序出錯后能自動重新歸位。 設(shè)置自定義的標(biāo)志寄存器，用來連接各程序模塊相互之間傳送信息。軟件模塊的相互關(guān)系如圖4 所示。

圖4 軟件模塊分配圖

2 結(jié)論

現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的飛速發(fā)展和人民重視身體健康程度，要求相應(yīng)配套的醫(yī)療設(shè)施和服務(wù)提高，輸液作為最為常用的醫(yī)學(xué)手段，對輸液控制和治療關(guān)系也變得越來越密切。

本文的創(chuàng)新點是探討和實現(xiàn)了一種智能型的支持網(wǎng)絡(luò)運行的醫(yī)用輸液泵系統(tǒng)，采用紅外線間接測量液滴速度，同時利用液滴速度快慢與空瓶、阻塞、漏液、速度失控之間的關(guān)系，省去了目前同類輸液設(shè)備中采用壓力傳感器測量阻塞和漏液的方法，降低了成本，但是這一功能仍然還存在。

［1］陸仲達,何鵬,徐鳳霞.基于電力線載波技術(shù)的輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008,6-2：112-113.

［2］王國輝,等.智能型醫(yī)用輸液泵及其應(yīng)用.物理治療與手術(shù)治療[J].2002,3：56-58.

［3］Intel.Interfacing.a MCS-51 Microcontroller to an 82527 CAN Controller[J].2007:103-108.

［4］田建君.單片機控制輸液泵系統(tǒng)設(shè)計[J].中小型機電,2004,1(31)：53-55.

［5］孟武勝,李亮.基于AT89C52 單片機的步進控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微電機,2007:64-66.