摘 要：本文简述了一种医用自动输液器的设计，采用TI的MSP430系列单片机为控制芯片， 配有显示模块、输液泵驱动模块和键控模块等。整机机构新颖、体积小、耗电少、操作方便、使用安全可靠。

关键词：单片机；液晶；步进电机；输液

概述

对于可进行自助式护理的病人来说，需要一种可以由病人自己操作，自动定时、定量向病人进行输液的智能型自动输液器，以达到治疗和镇痛的目的。本文简述了一种医用自动输液器的设计，它采用电池作供电电源，功耗小、体积小、重量轻，满足了便携式的需要。此外，该仪器使用安全可靠，计量准确，自动化程度高，适应了现代医学发展的要求。其主要功能如下：

◆根据要求设定滴数、输液总量及药液总量等参数；
◆可随时改变原设定参数，并可以在运行时随时暂停输液；
◆不同的使用者可以有自己的一套运行参数，并通过密码进入自己的设定环境；
◆LCD显示，可实时察看所用药液及药液剩余量；
◆自动检测流速，在输液异常或输液结束时，自动停止输液并声光提示；
◆药液用完自动发出换液信号，在换液期间禁止所有操作；
◆重要的操作均由两个组合键来完成，防止误操作，安全可靠；
◆在第一次使用之前可快速排空输液管中的空气。

硬件设计

MSP430系列单片机是TI公司近期推出的16位系列单片机，现已有x1xx、x3xx及x4xx等几个系列。该系列是一组超低功耗的微控制器，供电电压范围1.8~3.6V，特别适用于使用电池长期工作的场合。由于具有16位的RISC结构、16位寄存器和常数发生器，MSP430 系列单片机达到了最大的代码效率。考虑到本设计有低功耗、体积小的要求，所以选用MSP430F1121型单片机芯片。该芯片特有的FLASH 存储器在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。MSP430F1121内部有一个数控振荡器（DCO）和一个晶体振荡器，带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器，一个看门狗定时器,一个模拟比较器,12个I/O 口（每位均有独立的中断能力，可独立控制）。另外，它还具有4kB+256字节的FLASH ROM和256字节的RAM的存储空间。因此，在整个硬件电路上无须外加程序存储器。当单片机处于闲置状态时，可以让其处于睡眠状态以降低供耗，可供选择的4种工作模式可让其最低功耗几乎为零。功耗低、体积小、功能强大的特点使其特别适用于本便携式电池供电仪器的设计。

本输液器的电路原理框图如图1所示，由电源电路、输液泵驱动、液晶显示驱动和按键控制等电路组成。

图1 电路原理框图(略)
图2 软件流程图(略)

电源电路

整个电路由四节电池供电，除了可以用电池供电外还可以通过直流输入端由小型的变压器供电，满足在室内及走动的需要。由于TI单片机的供电电压比其它模块低，只有3.6V，选择L31A作为MSP430F1121的稳压芯片。为保证输液正常工作，电源电路中还配有电池电量检测装置，在电池电量比较低，可能会影响到输液正常工作的情况下及时报警，提醒更换电池。采用MSP430F1121内置比较器模块，无须外加专门的电池检测芯片，只需两个电阻就可以完成此功能。

键控模块

根据功能上的需要，本输液器的键控模块能实现的主要操作如下：使用前进行滴速、输出药液量等参数的设定，不同的使用者可以有自己的一套运行参数，并通过密码进入；在输液时可随时暂停输液，并可以在任意时刻重新启动继续输液；输液开始前迅速排空新输液胶管的空气；任意切换按键声音的有无及报警的声光方式等。出于医疗仪器安全可靠的考虑，为防止按键的误按动带来的不安全因素，一些主要的按键操作都是用组合键的形式完成的，即只有特定的两个键被同时按下时才生效。这样完成所有的操作总共只需要四个键。考虑到单片机的I/O口资源比较丰富，而且每个I/O口均有独立的中断能力，因此4个键直接接到单片机的I/O口上，通过中断的方式由CPU来响应。由于硬件电路的简化，与之对应的软件也大大简化。另外，为了提高整机的安全性能，还配有由于异常情况造成的流速过快而产生的压力超标及药液袋的外围保护壳被打开的报警装置，报警的同时停止输液，禁止所有操作。

显示模块

液晶显示器采用飞利浦公司具有I2C总线的低功耗LCD驱动器PCF8576，该芯片有40个段输出和4个背极输出，可完成最大为160个段的LCD显示。PCF8576的二总线I2C数据传输结构使其与微控制器的连线也减至最低，因而最大限度地减少了显示系统的开销（PCF8576的具体使用请参看有关资料）。

泵驱动模块

本系统的输液泵驱动模块由两相4线式的步进电机和泵体组成。由于输液要求计量准确、可靠，因此选用步进电机做为动力装置。步进电机是一种把脉冲激励的变化转换为精确转子位置增量运动的执行机构，即将脉冲信号变成电机相应角位移的机械。因此，通过控制脉冲的个数就可以控制电机运转的时间，通过改变脉冲的频率就可以控制电机运转的速度。电机运行驱动泵体的凸轮机构循环压缩胶管，实现输液功能。为了让输液泵安全、可靠的工作，并从简化硬件电路的角度出发，步进电机的运行不由单片机驱动达林顿管直接控制，而是通过两根控制线对步进电机的驱动模块间接进行控制，分别实现启动与控制。这里，步进电机的驱动芯片选用的是MOO8335。启动信号启动步进电机工作，而运转时间和停止时间则由控制信号来控制。本仪器输液的速度是通过步进电机停止、转动的时间的不同来控制的，步进电机在整个运行期间转速保持恒定。

软件设计

MSP430的内核结构来自具有高透明格式的精简指令集（RISC）的设计思想。指令分为硬件实现的内核指令和利用这一硬件结构具有更高效率的模拟指令，使用起来非常方便。在本系统中，单片机在完成初始化任务（设置标志位、定时器、比较器和看门狗的工作方式）后，就进入睡眠状态，进而处于低功耗工作模式，任一中断可将其唤醒，转而执行相应的子程序。单片机的工作，大多数的操作都设置成中断方式，在闲置期间单片机处于超低功耗工作模式，大大降低了整机的功耗。整个程序流程如图2所示。

结束语

在设计便携式医用自动输液器中，由于选用超低功耗的MSP430单片机作为控制芯片，其它外围芯片也是低功耗的，并在软件设计中充分发挥了MSP430具有多种节能工作方式的优点，使整机在工作中功耗达到最少，满足了电池供电的要求。同时，由于MSP430单片机功能比较强大，使其外围芯片的数目减至最少，而且所有的元器件均选择贴片式的，大大减小了仪器的体积。通过单片机驱动步进电机控制药液的输出速度，注射速度均匀，输液精度高，定时、定量准确，自动化程度高。本设计已达到医院及家庭临床上使用的要求，并且已在临床上得到了应用。