張研　楊道業(yè)

摘要：無針注射器的研制結合了物理、化學、生物、機械、計算機等多種學科，利用此項技術可以不使用傳統(tǒng)注射器的針頭，進行針對皮內、皮下等部位的給藥，具有無痛、藥物吸收好、操作方便、消除了交叉感染等諸多優(yōu)點。安瓿瓶密封性的好壞是決定無針注射器性能的重要因素之一。本文主要設計了一種速度可調節(jié)并且可實時監(jiān)測的無針注射系統(tǒng)。驅動器部分采用特制的音圈電機作為驅動安瓿的驅動器，硬件部分采樣用STM32作為無針注射器的主控芯片，主要設計了無針注射器的發(fā)射、返回電路和加速度監(jiān)測電路，利用高精度的加速度傳感器ADXL001來測量音圈電機運動的速度，最后把加速度傳感器采集到的數據發(fā)送給PC機，利用Matlab軟件對采集到的數據進行分析和處理，來得到音圈電機運動的速度，然后利用相互的關系計算出安瓿中液體噴射的速度。

關鍵詞：無針注射器；安瓿瓶；音圈電機；STM32；Matlab

一、 引言

無針注射技術是一種獨特的經皮膚給藥方法，它的原理是：利用動力在安瓿瓶內的藥液從噴孔擠壓而形成高速射流，射流的速度和壓力足以刺破人體皮膚，從而在人體皮膚上制造一個小創(chuàng)口，并將藥液注射進人體組織。跟傳統(tǒng)的針刺注射相比，無針注射的優(yōu)勢顯而易見，具有操作簡單、注射時無痛感、藥物吸收率高、無針刺傷害和交叉感染防止產生皮下結節(jié)以降低處理費用等諸多優(yōu)點。一個標準的無針注射器的組成通常有三個部分，第一是用來吸取藥液、存儲藥液和噴射藥液的安瓿瓶；第二個是觸發(fā)時產生推動安瓿瓶的動力裝置（本文用的是音圈電機）；其次就是控制裝置。為了克服動力源的缺陷，設計了以音圈電機為動力源、基于電磁力驅動的無針注射系統(tǒng)，并對此系統(tǒng)得射流速度進行分析，以便測得流體在不同的速度下，射進人體皮下組織的深淺度。

二、 音圈電機驅動的無針注射系統(tǒng)的原理

音圈電機是一種將電信號轉換成直線位移的直流伺服電機，具有結構簡單、體積小、高速、高加速和響應快等特點。音圈電機的工作原理是依據安培力的原理，當給音圈電機通電時，通電線圈在磁場中產生沿軸線方向的電磁力，使動子帶動負載做直線運動；本實驗中我們改變線圈通電的時間來改變電磁力的大小，以此來改變音圈電機運動的快慢。在音圈電機發(fā)射出去之后，我們可以在電機兩端加一個反向的電流，使運動出去的動子向后運動。我們在音圈電機的動子上面安裝一個高性能加速度傳感器（ADXL001），該芯片的輸出腳通過一根引線可以直接接到模數轉換器，最后再連接到單片機。音圈電機的結構如圖1所示。

三、 音圈電機驅動的無針注射系統(tǒng)的設計

硬件系統(tǒng)采用STM32單片機為核心器件，主要設計了音圈電機驅動電路、音圈電機動子返回電路、加速度測量電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

（一） 音圈電機驅動電路的設計

本文采用STM32作為驅動電路的主控芯片，硬件部分主要設計了音圈的電機的驅動電路，包括音電機的發(fā)射和返回電路。發(fā)射電路的原理是給電機通正向的電流，在安培力的作用下由線圈組成的動子向前運動，來產生一個推力推動安瓿瓶的運動。返回電路的原理是通過繼電器切換來給音圈電機通一個反向的電流，來使發(fā)射出去的音圈電機的動子自動地收回來。具體電路圖如圖2。

圖3中U1是一個光耦芯片，START接單片機的一個管腳，當START為低電平的時候光耦導通，場效應管的柵源級電壓（GS間的電壓）達到其開啟電壓，Q1導通，24 V的電壓加到音圈電機兩端，電機的定子向前運動。電機運動的快慢是通過改變場效應管導通的時間來確定的，導通的時間越長電磁力越大，運動速度就越快，也就是改變START管教通高低電平的時間，通低電平的時間越長，場效應管導通的時間越長，24 V的電壓加到音圈電機兩端的時間就越長，這樣產生的電磁力越大，音圈電機就運動得越快。當START為高電平的時候，Q1未開啟，電機不動。START1也接單片機的另一個管腳，當START1為低電平的時候，通過繼電器切換，把5 V的電壓加到音圈電機的兩端，產生一個很小的電磁力把電機打出去的動子緩慢地收回來。需要注意的是，這里的5 V電源是提供音圈電機讓其發(fā)轉，收回動子的。它的地（DGND）和其他電源的地（AGND）是分開，也就是不共地。這樣才能把電源分開，音圈電機正轉和反轉都不受干擾。

（二） 音圈電機動子速度的測量

定子速度測量包括加速度信號檢測電路和AD轉換電路。本文中加速度傳感器選用的是ADXL001芯片，該型號的傳感器具有體積小、低功耗、反應靈敏等特點。ADXL001加速度計采用全差分式傳感器結構和電路路徑，對EMI/RFI干擾具有出色的抑制能力。ADXL001是一款X軸加速度和振動檢測器件，向引腳8標記振動時，產生趨正輸出電壓。它的輸出腳可以直接連到ADC的輸入，本文采用AD7606作為模數轉換器來接收加速度傳感器輸出的電壓信號，其通過總線方式跟單片機相連，最后通過485通訊把單片機采集到的信號發(fā)送給上位機，再用Matlab對接收到的數據進行處理分析。圖4為加速度測量電路。

四、 實驗數據及處理

本實驗通過改變START管教通低電平的時間來改變音圈電機的運動速度。最后通過音圈電機動子上面固定的加速度傳感器傳回的電壓的大小，來確定音圈電機運動的速度。下面就是START管教通不同時間的低電平測得的加速度的大小。把采集到的數據在MATLAB中進行分析。由于ADXL001傳感器測到的是音圈電機運動的加速度，在音圈電機不動的時候測得ADXL001返回的電壓為2.6 V，當電機加速運行時傳感器返回的電壓大于2.6 V，當電機減速運行時傳感器返回的電壓低于2.6 V，已知ADXL001傳感器輸出的靈敏度標稱值為24.2 mV/g，模數轉換器AD7606的采樣頻率為50 Khz，這樣就能得到每一時刻電機運行的速度。我們在不同的時刻取電機運動的1000個點來分析其速度的大小。圖5表示START管腳通電平30 ms時候測得的加速度，圖6表示START管腳通電平60 ms時候測得的加速度，圖7表示START管腳通電平70 ms時候測得的加速度，圖8表示START管腳通電平200 ms時候測得的加速度。endprint

由上圖可知，音圈電機的運動過程是先加速運行再減速運行直到最后停止，本文只測音圈電機速度的大小，所以只需要計算加速的過程，減速的過程無需考慮，這樣我們主要分析前300個點。由圖像可知START管教通低電平的時間越長，電機加速運動的時間就越長，電機的速度就越大。

實驗中我們用的安瓿瓶活塞的直徑為3.38 mm，孔徑為100 um，活塞的速度跟音圈電機動子的速度是相同的。所以在START管腳通不同時間低電平的情況下，取5組電機運動速度進行分析。最后利用MATLAB計算期間的關系，得到以下幾組數據如表1所示。

五、 結論

本文設計了一種速度可調節(jié)并且可測量的基于音圈電機的無針注射系統(tǒng)，此系統(tǒng)的硬件是基于STM32單片機實現的，具有結構簡單、操作方便、易于控制等優(yōu)點。這是一種全新的音圈電機的驅動電路，相對于傳統(tǒng)的音圈電機驅動電路來說具有很好的應用前景。

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作者簡介：張研，安徽省合肥市，安徽省合肥市第六中學高三31班；楊道業(yè)，江蘇省南京市，南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院。endprint