用MSP430系列单片机设计便携式医用自动输液器

    摘要：介绍了一种医用自动输液器的设计方案，该输液器以TI的MSO430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。该设计方案整机结构新颖，体积小，耗电少，操作方便，使用安全可靠。

    关键词：MSP430；液晶；步进电机；输液

１　引言

对于需要自助式护理的病人来说，尤其是由于手术后、晚期癌症、分娩等原因所导致的慢性疼痛的病人，往往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。为此，笔者设计了一种便携式医用自动输液器，该仪器采用电池作为供电电源，并具有功耗小、体积小、重量轻等特点，可满足便携式需要。此外，该仪器使用安全可靠、计量准确、自动化程度高，可适应现代医学发展的要求。该自动输液器的主要功能如下：

(１)可根据要求设定滴数、输液总量及药液总量等参数。

(２)随时可改变原设定参数，并可以在运行时随时暂停输液。

(３)不同的使用者可以有自己的一套运行参数，并可通过密码进入自己的设定环境。

(４)带有ＬＣＤ显示，可实时察看所用药液及药液剩余量。

(５)自动检测流速，在输液异常或输液结束时，可自动停止输液并进行声光提示。

(６)药液用完自动发出换液信号，在换液期间禁止所有操作。

(７)重要的操作均由两个组合键来完成，可防止误操作，安全可靠。

(８)在第一次使用之前能够快速排空输液管中的空气。

２　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。该系列是一组超低功耗的微控制器，供电电压范围为１．８～３．６Ｖ，特别适用于长期使用电池工作的场合。由于其具有１６位ＲＩＳＣ结构、１６位寄存器和常数发生器，因而ＭＳＰ４３０ 系列单片机具有最大的代码效率。考虑到本设计有低功耗、小体积的要求，所以，选用了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ＴＩＭＥＲ－Ａ、一个看门狗定时器 Ｗａｔｃｈｄｏｇ Ｔｉｍｅｒ－Ａ、一个模拟比较器 Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ－Ａ 和１２个Ｉ／Ｏ 口（每位均有独立的中断能力，可独立控制），另外，还具有４ｋＢ＋２５６字节的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ和２５６字节的ＲＡＭ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，可以使其处于睡眠状态以降低功耗，并可通过选择４种工作模式来使其最低功耗几乎为零。其功耗低，体积小，功能强大的特点使其特别适用于便携式电池供电的仪器设计。

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

２．１ 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变压器供电，以满足在室内及走动等不同场合的需要。由于ＴＩ单片机的供电电压比其它模块的要低（只有３．６Ｖ），因此可选择Ｌ３１Ａ作为ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１的稳压芯片。为保证输液正常，电源电路中还配有电池电量检测装置，以便在电池电量比较低、可能会影响到正常输液的情况下及时报警，以提醒更换电池。因此，利用单片机ＭＳＰ４３０Ｆ１１２１内置比较器模块的特点，即可不用外加专门的电池检测芯片，而只需两个电阻就可以完成此功能。

２．２ 键控模块

出于对医疗仪器安全可靠的考虑，为防止按键的误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能生效。这样，完成所有的操作一共只需要四个键。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个键可直接接到单片机的Ｉ／Ｏ口上，并通过中断方式由ＣＰＵ来响应。由于硬件电路比较简单，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，该装置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。

２．３ 显示模块

液晶显示器采用的是ＰＨＩＬＩＰＳ公司的具有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１６０个段的ＬＣＤ显示。ＰＣＦ８５７６的二总线Ｉ２Ｃ数据传输结构可使其与微控制器的连线减至最低，从而最大限度地减少显示系统的开销。ＰＣＦ８５７６的使用可参看有关资料。

２．４ 泵驱动模块

本系统用的输液泵驱动模块由两相４线式步进电机和泵体组成。由于输液要求计量准确、可靠，因而选用步进电机作为动力装置。步进电机是一种可以把脉冲激励的变化转换成精确转子位置增量运动的执行机构，它可将脉冲信号变成电机相应角位移的机械量，从而通过控制脉冲的个数来控制电机转动的时间，并通过改变脉冲的频率控制电机运转的速度。由电机驱动泵体的凸轮机构循环压缩胶管，从而实现输液功能。为了让输液泵安全、可靠地工作，并且从简化硬件电路的角度出发，步进电机的运行并不是由单片机来驱动达林顿管直接控制的，而是通过两根控制线对步进电机的驱动模块进行间接控制，并分别实现启动与控制。这里的步进电机驱动芯片选用的是ＭＯＯ８３３５。启动信号用于启动步进电机，而运转时间和停止时间则由控制信号控制。本仪器输液的速度是通过步进电机停、转时间的不同来控制的，因为步进电机在整个运行期间，其转速可以保持恒定。

３　软件设计

ＭＳＰ４３０的内核结构采用具有高透明格式的精简指令集（ＲＩＳＣ）设计。指令分为硬件实现的内核指令和利用这一硬件结构的具有更高效率的模拟指令，使用起来非常方便。在本系统中，单片机完成初始化任务（设置标志位，设置定时器，比较器，看门狗的工作方式）后，就进入低功耗睡眠状态，任一中断均可将其唤醒，转而执行相应的子程序。单片机的大多数操作都采用中断方式。整个程序流程如图２所示。

４　结束语

在设计便携式医用自动输液器时，由于选用了超低功耗的ＭＳＰ４３０单片机作为控制芯片而且其它的外围芯片功耗也很低，同时在软件设计中也充分采用了ＭＳＰ４３０的多种节能工作方式，从而使得整机在工作中的功耗很小，可完全满足电池供电的要求。此外，由于ＭＳＰ４３０单片机功能强大，外围芯片数目少，而且所有的元器件均选择贴片式，从而大大地减小了仪器的体积。该设计通过单片机驱动步进电机控制药液的输出速度，这使得注射速度更加均匀、输液精度更高，定时、定量准确、自动化程度也更高，因此可以达到在医院及家庭临床上使用的要求。目前该智能输液器已在临床上得到了应用。