介紹了一種醫(yī)用自動(dòng)輸液器的設(shè)計(jì)方案,，該輸液器以德州儀器的MSO430系列單片機(jī)為控制芯片,，配有顯示模塊,、輸液泵驅(qū)動(dòng)模塊和鍵控模塊等。該設(shè)計(jì)方案整機(jī)結(jié)構(gòu)新穎,，體積小,，耗電少，操作方便,，使用安全可靠,。
１ 引言
對(duì)于需要自助式護(hù)理的病人來(lái)說(shuō)，尤其是由于手術(shù)后,、晚期癌癥,、分娩等原因所導(dǎo)致的慢性疼痛的病人，往往需要一種可以由病人自己操作,、自動(dòng)定時(shí),、定量向病人進(jìn)行輸液的智能型自動(dòng)輸液器，以達(dá)到治療和鎮(zhèn)痛的目的,。為此,，筆者設(shè)計(jì)了一種便攜式醫(yī)用自動(dòng)輸液器，該儀器采用電池作為供電電源,，并具有功耗小,、體積小、重量輕等特點(diǎn),，可滿(mǎn)足便攜式需要,。此外，該儀器使用安全可靠,、計(jì)量準(zhǔn)確,、自動(dòng)化程度高，可適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的要求,。該自動(dòng)輸液器的主要功能如下：
(１)可根據(jù)要求設(shè)定滴數(shù),、輸液總量及藥液總量等參數(shù)。
(２)隨時(shí)可改變?cè)O(shè)定參數(shù),，并可以在運(yùn)行時(shí)隨時(shí)暫停輸液,。
(３)不同的使用者可以有自己的一套運(yùn)行參數(shù)，并可通過(guò)密碼進(jìn)入自己的設(shè)定環(huán)境,。
(４)帶有ＬＣＤ顯示,，可實(shí)時(shí)察看所用藥液及藥液剩余量。
(５)自動(dòng)檢測(cè)流速,，在輸液異?；蜉斠航Y(jié)束時(shí)，可自動(dòng)停止輸液并進(jìn)行聲光提示,。
(６)藥液用完自動(dòng)發(fā)出換液信號(hào),，在換液期間禁止所有操作,。
(７)重要的操作均由兩個(gè)組合鍵來(lái)完成，可防止誤操作,，安全可靠,。
(８)在第一次使用之前能夠快速排空輸液管中的空氣。
２ 硬件設(shè)計(jì)
ＭＳＰ４３０系列單片機(jī)是ＴＩ公司近期推出的１６位系列單片機(jī),。該系列是一組超低功耗的微控制器,，供電電壓范圍為１．８～３．６Ｖ，特別適用于長(zhǎng)期使用電池工作的場(chǎng)合,。由于其具有１６位ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu),、１６位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，因而ＭＳＰ４３０ 系列單片機(jī)具有最大的代碼效率,?？紤]到本設(shè)計(jì)有低功耗、小體積的要求,，所以,，選用了ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１型單片機(jī)芯片。該芯片特有的ＦＬＡＳＨ 存儲(chǔ)器在系統(tǒng)設(shè)計(jì),、開(kāi)發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn),。ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內(nèi)部有一個(gè)數(shù)控振蕩器（ＤＣＯ）和一個(gè)晶體振蕩器，帶有３個(gè)捕獲／比較寄存器的１６位定時(shí)器ＴＩＭＥＲ－Ａ,、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器 Ｗａｔｃｈｄｏｇ Ｔｉｍｅｒ－Ａ、一個(gè)模擬比較器 Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ－Ａ 和１２個(gè)Ｉ／Ｏ 口（每位均有獨(dú)立的中斷能力,，可獨(dú)立控制）,，另外，還具有４ｋＢ＋２５６字節(jié)的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ和２５６字節(jié)的ＲＡＭ存儲(chǔ)空間,，因此在整個(gè)硬件電路上無(wú)須外加程序存儲(chǔ)器,。當(dāng)單片機(jī)處于閑置狀態(tài)時(shí)，可以使其處于睡眠狀態(tài)以降低功耗,，并可通過(guò)選擇４種工作模式來(lái)使其最低功耗幾乎為零,。其功耗低，體積小,，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)使其特別適用于便攜式電池供電的儀器設(shè)計(jì),。
本輸液器的電路結(jié)構(gòu)原理框圖如圖１所示，它由電源電路,、輸液泵驅(qū)動(dòng),、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、按鍵控制等電路組成,。
２．１ 電源電路
整個(gè)電路由四節(jié)電池供電,，除了可以用電池供電外,，還可以通過(guò)直流輸入端由小型變壓器供電，以滿(mǎn)足在室內(nèi)及走動(dòng)等不同場(chǎng)合的需要,。由于ＴＩ單片機(jī)的供電電壓比其它模塊的要低（只有３．６Ｖ）,，因此可選擇Ｌ３１Ａ作為ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１的穩(wěn)壓芯片。為保證輸液正常,，電源電路中還配有電池電量檢測(cè)裝置,，以便在電池電量比較低、可能會(huì)影響到正常輸液的情況下及時(shí)報(bào)警,，以提醒更換電池,。因此，利用單片機(jī)ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１內(nèi)置比較器模塊的特點(diǎn),，即可不用外加專(zhuān)門(mén)的電池檢測(cè)芯片,，而只需兩個(gè)電阻就可以完成此功能。
２．２ 鍵控模塊
出于對(duì)醫(yī)療儀器安全可靠的考慮,，為防止按鍵的誤動(dòng)帶來(lái)的不安全因素,，一些主要的按鍵操作都是用組合鍵的形式完成的，即只有特定的兩個(gè)鍵被同時(shí)按下時(shí)才能生效,。這樣,，完成所有的操作一共只需要四個(gè)鍵?？紤]到單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口資源比較豐富,，而且每個(gè)Ｉ／Ｏ口均有獨(dú)立的中斷能力，因此,，４個(gè)鍵可直接接到單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口上,，并通過(guò)中斷方式由ＣＰＵ來(lái)響應(yīng)。由于硬件電路比較簡(jiǎn)單,，與之對(duì)應(yīng)的軟件也大大簡(jiǎn)化,。另外，為了提高整機(jī)的安全性能,，該裝置還配有由于異常情況造成的流速過(guò)快而產(chǎn)生的壓力超標(biāo)及藥液袋的外圍保護(hù)殼被打開(kāi)的報(bào)警裝置,，報(bào)警的同時(shí)停止輸液，禁止所有操作,。
２．３ 顯示模塊
液晶顯示器采用的是ＰＨＩＬＩＰＳ公司的具有Ｉ２Ｃ總線(xiàn)的低功耗ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)器ＰＣＦ８５７６,，該芯片有４０個(gè)段輸出和４個(gè)背極輸出，可完成１６０個(gè)段的ＬＣＤ顯示,。ＰＣＦ８５７６的二總線(xiàn)Ｉ２Ｃ數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)可使其與微控制器的連線(xiàn)減至最低,，從而最大限度地減少顯示系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)。ＰＣＦ８５７６的使用可參看有關(guān)資料,。
２．４ 泵驅(qū)動(dòng)模塊
本系統(tǒng)用的輸液泵驅(qū)動(dòng)模塊由兩相４線(xiàn)式步進(jìn)電機(jī)和泵體組成,。由于輸液要求計(jì)量準(zhǔn)確,、可靠，因而選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置,。步進(jìn)電機(jī)是一種可以把脈沖激勵(lì)的變化轉(zhuǎn)換成精確轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),，它可將脈沖信號(hào)變成電機(jī)相應(yīng)角位移的機(jī)械量，從而通過(guò)控制脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間,，并通過(guò)改變脈沖的頻率控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度,。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵體的凸輪機(jī)構(gòu)循環(huán)壓縮膠管，從而實(shí)現(xiàn)輸液功能,。為了讓輸液泵安全,、可靠地工作，并且從簡(jiǎn)化硬件電路的角度出發(fā),，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行并不是由單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管直接控制的,，而是通過(guò)兩根控制線(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行間接控制，并分別實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)與控制,。這里的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用的是ＭＯＯ８３３５,。啟動(dòng)信號(hào)用于啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和停止時(shí)間則由控制信號(hào)控制,。本儀器輸液的速度是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)停,、轉(zhuǎn)時(shí)間的不同來(lái)控制的，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行期間,，其轉(zhuǎn)速可以保持恒定,。
３ 軟件設(shè)計(jì)
ＭＳＰ４３０的內(nèi)核結(jié)構(gòu)采用具有高透明格式的精簡(jiǎn)指令集（ＲＩＳＣ）設(shè)計(jì)。指令分為硬件實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核指令和利用這一硬件結(jié)構(gòu)的具有更高效率的模擬指令,，使用起來(lái)非常方便,。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)完成初始化任務(wù)（設(shè)置標(biāo)志位,，設(shè)置定時(shí)器，比較器,，看門(mén)狗的工作方式）后,，就進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，任一中斷均可將其喚醒,，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的子程序,。單片機(jī)的大多數(shù)操作都采用中斷方式。整個(gè)程序流程如圖２所示,。
４ 結(jié)束語(yǔ)
在設(shè)計(jì)便攜式醫(yī)用自動(dòng)輸液器時(shí),，由于選用了超低功耗的ＭＳＰ４３０單片機(jī)作為控制芯片而且其它的外圍芯片功耗也很低，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中也充分采用了ＭＳＰ４３０的多種節(jié)能工作方式,，從而使得整機(jī)在工作中的功耗很小,，可完全滿(mǎn)足電池供電的要求,。此外，由于ＭＳＰ４３０單片機(jī)功能強(qiáng)大,，外圍芯片數(shù)目少,，而且所有的元器件均選擇貼片式，從而大大地減小了儀器的體積,。該設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制藥液的輸出速度,，這使得注射速度更加均勻、輸液精度更高,，定時(shí),、定量準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度也更高,，因此可以達(dá)到在醫(yī)院及家庭臨床上使用的要求,。目前該智能輸液器已在臨床上得到了應(yīng)用。