一種便攜式人體自動(dòng)輸液泵輸液系統(tǒng)的開發(fā)

輸液器的最大輸液速度為200 gtt/min(10 ml/min)，可算出輸液時(shí)每分鐘內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖的最大數(shù)目Nmax為：

Nmax=200 N=3 800

通過鍵盤可以以藥液流量和輸液滴速兩種方式設(shè)置輸液速度，由于程序中的最小單位為滴，所以首先將藥液流量方式下設(shè)置的輸液速度轉(zhuǎn)換為輸液滴速，則藥液流量V_M(ml/min)的輸液滴速當(dāng)量G_M(gtt/min)為：

G_M=20V_M

根據(jù)上面的推導(dǎo)，對(duì)于設(shè)定的輸液滴速當(dāng)量G_M，需要在每分鐘內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目為19G_M，可推得微控制器TMS320LF2407A定時(shí)器1產(chǎn)生周期中斷的周期寄存器T1PR值為：

在1～200 gtt/min的輸液速度范圍內(nèi)，定時(shí)器1產(chǎn)生周期中斷的周期寄存器T1PR的范圍應(yīng)為：1 578 948～7 895 μs。TMS320LF2407A取CLKIN為10 MHz，CLKOUT為4×CLKIN= 40 MHz，Timer1為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，預(yù)分頻值為64，定時(shí)器時(shí)鐘為0.625 MHz，最大的定時(shí)周期為104 856μs。因此程序中設(shè)置一個(gè)全局變量count，如圖6所示。每次執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)對(duì)變量count加1計(jì)數(shù)，并判斷是否達(dá)到設(shè)置的計(jì)數(shù)累計(jì)時(shí)間，若沒有達(dá)到累計(jì)時(shí)間，則等待下一次中斷，并重復(fù)判斷過程。

當(dāng)設(shè)定好輸液速度后，DSP會(huì)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)的裝載初值存入周期寄存器T1PR中，并把計(jì)數(shù)寄存器T1CNT清零，按下“運(yùn)行”鍵后，定時(shí)器便從零開始計(jì)數(shù)，直到溢出產(chǎn)生周期中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，計(jì)數(shù)寄存器T1CNT重新賦零，清除定時(shí)器1周期中斷標(biāo)志，count計(jì)數(shù)到時(shí)，使信號(hào)SM_CLK的電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，然后等待下一次中斷，則SM_CLK所在引腳按照一定周期產(chǎn)生占空比為1/2的PWM脈沖。這樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在該P(yáng)WM負(fù)脈沖信號(hào)的上升沿向前步進(jìn)一個(gè)步距角度。

3 輸液速度閉環(huán)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

輸液速度檢測(cè)電路由美國HONEYWELL公司的小型觸力傳感器FSS1500NST、ADI公司的微功耗集成儀表放大器AD623、微功耗電壓基準(zhǔn)源ADR361等元件組成。輸液速度檢測(cè)電路原理如圖7所示。

FSS1500NST使用專門設(shè)計(jì)的精制壓電硅電阻傳感元件，具有精密可靠的力傳感性能。具有小功率、無放大、無補(bǔ)償特點(diǎn)的惠斯通電橋電路設(shè)計(jì)，該傳感器通過不銹鋼球，將施加的觸力直接集中到硅傳感元件上，電阻值隨施加力而變化，可在測(cè)力范圍內(nèi)提供穩(wěn)定mV級(jí)輸出信號(hào)。其主要參數(shù)如下：

工作力為0～1 500g，零位偏置為0 mV，靈敏度為0.12 mV/g，輸入電阻為5.0 kΩ，輸出電阻為5.0 kΩ。

惠斯通電橋就是利用壓電電阻的高級(jí)觸力傳感器，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以測(cè)量橋式電路兩臂平衡時(shí)其中一個(gè)臂上的未知電阻，如圖7所示的壓電電阻R1。激勵(lì)電壓或激勵(lì)電流被施加于橋上，施加到壓電元件的壓力可以改變?cè)撾娮瑁虼水a(chǎn)生電壓變化。原理如下：

取R1=R2=R3=R4時(shí)，被測(cè)量使電阻R1產(chǎn)生一個(gè)△R1，得到：

AD623提供軌到軌滿電源幅度輸出，采用單電源(+3～+12 V)或雙電源(±2.5～±6 V)供電;它可以測(cè)量差分電壓，最大工作電流僅為85 mA，非常適合電池供電的便攜式設(shè)備;具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)漂移與低增益誤差等特點(diǎn)，從而使誤差最小;在AD623的參考引腳施加低阻抗電壓源可以改變輸出電壓;增益通過一只外接電阻可方便地調(diào)節(jié)。無外接電阻RG時(shí)，被設(shè)計(jì)為單位增益(G=1)，接入電阻RG時(shí)，增益可高達(dá)1000，計(jì)算公式為：

RG=100 kΩ(G-1)

ADR361提供穩(wěn)定的2.5 V輸出電壓。經(jīng)過放大的輸出信號(hào)加上基準(zhǔn)電壓2.5 V，作為模擬信號(hào)Uo輸出到DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ADR361使信號(hào)Uo處于DSP的有效輸入范圍內(nèi)。

由于輸液泵是靠輸液管擠壓進(jìn)行輸液，不可避免存在脈動(dòng)問題，測(cè)得的輸液管壓力隨之存在脈動(dòng)。DG-1蠕動(dòng)泵有10個(gè)滾輪，步進(jìn)電機(jī)8拍方式工作，步距角為0.9°，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)360°需要400個(gè)脈沖，輸液管脈動(dòng)頻率為40個(gè)脈沖。設(shè)計(jì)中采用每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿到來時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步的同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，40次A/D轉(zhuǎn)換的值取算術(shù)平均值作為一個(gè)脈動(dòng)周期的壓力值。以所設(shè)置輸液速度的壓力值為基準(zhǔn)，當(dāng)壓力或高或低時(shí)對(duì)TMS320LF2407A定時(shí)器1周期中斷的周期寄存器T1PR的預(yù)置值進(jìn)行調(diào)整，改變PwM脈沖的周期，以上下調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，使輸液始終穩(wěn)定為所設(shè)置的輸液速度。

4 輸液速度實(shí)驗(yàn)

初次使用或更換輸液管時(shí)，應(yīng)利用量杯先校準(zhǔn)輸液泵的精度，根據(jù)精度值789.5μs/ml修正步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖的定時(shí)范圍7 895～1 578 948 μs。

為盡量減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在測(cè)試時(shí)的誤差，分別進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，對(duì)獲得的3組數(shù)據(jù)取平均值，同時(shí)為判斷3次測(cè)量結(jié)果波動(dòng)情況，計(jì)算了3次測(cè)量結(jié)果中最大值和最小值的差值，結(jié)果如表1所列。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，輸液速度誤差基本可以控制在3%的范圍內(nèi)，同時(shí)，3次測(cè)量的輸液速度基本保持一致，說明輸液的穩(wěn)定性較好。

結(jié)語

該自動(dòng)控制系統(tǒng)解決了便攜式自動(dòng)輸液泵輸液速度的自動(dòng)控制問題，實(shí)現(xiàn)了輸液過程中輸液速度較為精確的控制，提高了便攜式自動(dòng)輸液泵輸液的安全性和可靠性。