单片机控制的输液泵系统设计
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第七篇监洲与控刺系统技术单片机控制的输液泵系统设计田建君北方工业大学机电学院，北京，１０００４１摘要本文介绍了一种由８９Ｃ５２单片机控制的输液泵系统｝介绍了其组成和原理，并论述了提高精度和可靠性的方法。谊系统可以自动控制输液速度和输液量，具有报警功能，成本低而性能好，可以广泛应用于临床输液以厦药品成分分析等场合。关键词单片机，输液泵，电机
引言
随着医疗事业的发展，人们对临床输液的要求越来越高，医生和患者都希望能有一种智能化、高性能的输液装置。单片机控制的输液泵系统，可以自动控制输液速度、输液量，具有管路堵塞报警、气泡报警等功能，可以大大减轻护士的工作强度，是一种性能价格比很高的医用设备。
２输液泵系统组成
输液泵系统由微小流量泵、步进电机和单片机控制系统等组成。步进电机带动微小流量泵工作，单片机控制步进电机的转速，进而控制输液速度。单片机控制的气泡检测电路和阻塞检测电路，可以监测输液过程中是否有输液管阻塞现象以及是否有气泡产生。输液泵系统主要性能指标为输液容量：１～１ｍｌ；
输液速度：１～２５０ｍｌ／ｈ；
输液容量误差：＜５％；输液速度误差：＜５％。该系统具有设定输液速度、预置输液量、输液累积实时显示、管路堵塞报警和气泡报警等功能。
３微小流量泵原理
微小流量泵采用了挤压条挤压输液管的工作方式。挤压条的挤压由凸轮的转动来带动。三个凸轮安装在同～根轴上，以轴的转动带动凸轮的转动，每个凸轮带动一个挤压条，使每个挤压条能够按照预期的工作时序图来工作。三个挤压条动作时序分别存在９０。、１８０。的相位差，这样随着挤压条按照时序图先后挤压输液管，药液便能由输液管中按规定的方向流出，如图１所示。这种微小流量泵精度高，运行可靠“。。
ｌ轴；２凸轮；３一挤压条；４一凸轮；５挤压条；６凸轮７一弹簧；８支座；９输液管图１微小流量泵原理示意图２００３年全国单片机及嵌入式系统学术年会论文集（下册）４系统硬件设计硬件设计的基本思路是实用、可靠以及小型化。为此选用了美国ＡＴＭＥＩ，公司的ＡＴ８９Ｃ５２单片机。该单片机和ＭＣＳ一５１单片机兼容，内部带有８ＫＢ的Ｆｌａｓｈ存储器，性能优越，使用非常方便。显示器采用ＨＤ６１８３０图形液晶显示控制器，它可以显示图形、英文、汉字等繁杂符号。它具有专用指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置，以及实现画面卷动、位操作等功能。它可直接与ＣＰＵ相接。键盘采用４×４键盘，包括数字键和功能键。功能键包括运行、停止、复位、参数调整、容量／速度设定等功能键。硬件原理框图如图２所示…。
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报警蜂鸣器Ｈ——ｑ步进电机驱动电路Ｉ
图２硬件原理框图气泡检测电路由红外传感器及放大器组成。传感器采用ＧＫｌ２２红外对管，当有气泡通过时，发射管发射出的光信号由于气泡的影响而改变了强度，造成接收管电压的改变，经放大器ＬＭ３２４放大后，给８９Ｃ５２发出一个低电平信号。阻塞检测电路由一个橡胶导管及微动开关组成，当出现输液阻塞现象时，药液流人橡胶导管，触动微动开关，微动开关发给８９Ｃ５２一个低电平信号，８９Ｃ５２接到低电平信号后，控制报警峰鸣器及故障报警灯进行声光报警，步进电机停止运动，进行故障处理。
步进电机驱动电路采用达林顿电路，８９Ｃ５２通过驱动电路来驱动步进电机，步进电机转速与输液速度成正比。控制电机的转速即可改变输液的速度。
输液容量与步进电机运行的步数以及输液泵系统的脉冲当量（即步进电机每运行一步输液泵输出药液的体积）成正比。不同的输液管对应的脉冲当量不同。控制步进电机运行的步数即可控制输液量。
５软件设计
软件设计包括两部分：一部分是８９Ｃ５２单片机的监控程序，包括键盘扫描于程序，显示子程序、参数调整子程序等；另一部分是输液控制程序。当按下运行键后，即进入输液控制程序。输液控制程序流程图如图３所示。另外，还有气泡报警监
控子程序、声音报警子程序和显示灯报警子程序等一３。６步进电机速度控制
由于受步进电机本身特性的限制，在电机启、停及运行速度突变时，往往会出现失步现象，从而影响输液泵系统的精度。为解决这一问题，本系统采用了软件实现自动升、降速的方法。步进电机控制速度图如图４所示。图中加、减速段近似于指数曲线，启动时速度逐渐加大可以避免冲击，加速到一定频率后恒速运行，快到终点时速度缓慢减小，直到走完规定的步数后停机。这样可以避免失步现象。自动升、降速控制的原理框图如５所示。其中误差寄存器Ａ中的存数Ｎ等于指令脉冲数Ｎ☆々与输出脉冲数Ｎ＃Ⅲ之差，即Ｎ＝Ｎ＊｝一Ｎ－女图３输液控制程序流程图第七篇监测与控制系统技术图４步进电机控制速度图图５自动升、降速控制原理框图对Ｎ以厶的频率进行累加运算．当累加之和超过累加器的容量时，将在最高位产生溢出。此溢出脉冲即作为输出脉冲ｋｍ控制步进电机。在Ａｔ时间内对Ｎ累加后的累加数Ｎｎ为Ｎ｛＝Ｎｆ累加数Ｎｏ的溢出次数为
一ＮｆｏＡｔＮａ一泵嘉誊疆一１７
式中ｎ——累加器和寄存器的位数。输出脉冲频率为‰＝警一訾一ｋＮ
ＡＮ一（ｆ∞｝一ｆ＊ｍ）△ｔ一（ｋ｝ｋＮ）Ａｔ
写成微分形式有：“＋一÷等＋‰
当指令脉冲由０突变为ｋｍ时，上述方程的解为ｋ自一ｋ々（１ｅｔ）式中Ｔ——时间常数。这就是电机速度上升的过程“。当指令脉冲由‰々突变为０时，上述微分方程的解为
ｋｍ—ｋ｝ｅ｛这就是电机速度下降的过程。可见，当‰々突变时，ｋＨｊ均按指数曲线变化。在本系统中用软件的方法来完成电机启动和停止时的自动升、降速的过程。累加脉冲和指令脉冲采用软件延时的方法产生。利用８９Ｃ５２的两个定时／计数器Ｔ。和Ｔ．来作为计数器，每个机器指令周期Ｔ。值减１；当Ｔ。值减至０时发出一个累加脉冲，同时Ｔ。赋初值，Ｔ．值减１，重复上述过程。当Ｔ。值减为０时发出一个指令脉冲。由此可知，Ｔ－的初值表示了累加脉冲频率ｆ，，和指令脉冲频率ｆ☆ｐ的比值。误差寄存器中存数Ｎ—Ｎ＊々Ｎ钏，。每当ＣＩ’ｕ产生一个指令脉冲时，误差寄存器的值加１；每当累加器产生溢出时，误差寄存器的值减ｌ。每当ｃＩ，ｕ产生一个累加脉冲时，将误差寄存器中的数Ｎ与Ｅ次存储在寄存器Ｂ中的累加数相加，若产生溢出，则发送一个输出脉冲，将在累加器中的余数存人寄存器Ｂ中；若无溢出．则将累加结果存人寄存器Ｂ中。自动升、降速运行控制程序流程图如图６所示。２００３年会国单片机及嵌入式系统学术年会论文集（下册）（ａ）主程序流程图（ｂ）累加脉冲产生流程图图６自动升、降速运行控制程序流程图７提高精度与可靠性的措施７．１输液精度的提高（累计误差的消除）针对自动输液装置容易出现的问题，采取了以下措施来完善系统的性能。输液泵使用一段时间后，挤压条和凸轮会有一定的磨损，弹簧会产生变形（弹力变差）。这会使得输液精度下降，此时应消除累积误差。笔者采用了软件设定的办法来进行误差消除：按下调整键，即可进入累积误差消除程序；通过调整参数可消除累积误差，从而提高输液精度。７．２气泡报警监控输液管中液体里出现气泡时，系统应发出报警声。气泡报警是一个重要的功能。气泡监测报警涉及安全问题，至关重要。报警功能出错主要发生在输液泵连续工作１０ｈ以上时。此时由于长时间工作受热，气泡检测基准值容易偏离标准，导致有气泡不能正常报警。为此在软件中设计了气泡报警监控程序，来保证报警功能，即在软件中设定，连续工作８ｈ以上时，自动检测气泡基准值是否正常。气泡报警监控子程序流程图如图７所示。
８结论利用８９Ｃ５２单片机控制的输液泵系统具有成本低、使用方便和功能完善的特点。由于特别采取了提高输液精度和安全可靠性的措施，该装置具有较高的精度和可靠性，能有效提高医护人员工作效率，可广泛用于临床以及药品成分分析等场合。
图７气泡报警监控子程序流程图第七篇监测与控制系统技术参考文献１余俊．中国机械设计大典（１）．南昌：江西科学技术出版社，２００２．７２７～７３１２贾智平，石冰．微机原理与接口技术．北京：中国水利水电出版社，１９９９（６）：１６７～１６９３齐秋群，等．ＭＯＴＯＲＯＬＡ单片机实用技巧集萃（二）．北京：电子工业出版社，１９９７．２９－－３１４白恩远，王俊元．现代数控机床伺服及检测技术．北京：机械工业出版社，１９９１．５９
ＴｈｅＤｅｓｉｇｎ
ｏｆＩｎｆｕｓｉｏｎＰｕｍｐＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
ｂｙＳｉｎｇｌｅ—ＣｈｉｐＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ
ＴｉａｎＪｉａｎｊｕｎ
ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｅｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉＪｉｎｇ，１０００４１，Ｐ，ＲＣｈｉｎａ
ＡｂｅｔｒａｃｔＴｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｋｉｎｄｏｆｉｎｆｕｓｉｏｎｐｕｍｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙ８９Ｃ５２ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｗｅｒｅｅｘｐｌａｉｎｅｄ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｌｓｏ
ｐｌａｉｎｅｄ．Ｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｓｐｅｅｄｏｆｉｎｆｕｓｉｏｎａｎｄｖｏｌｕｍｅｏｆｍｅｄｉｃｉｎａｌｌｉｑｕｉｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｉｔｇｉｖｅａｌａｍ，ｉｔｓｌｅｓｓａｎｄｉｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｇｏｏｄＩｔｂｅｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｆｏｒｆｕｓｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｍｅｄｉｃｉｎｅｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓＳｉｎｇｌｅ—ＣｈｉｐＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ，ＩｎｆｕｓｉｏｎＰｕｍｐ，Ｍｏｔｏｒ
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