基于STM32的無針注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張研　楊道業(yè)

摘要：無針注射器的研制結(jié)合了物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等多種學(xué)科，利用此項(xiàng)技術(shù)可以不使用傳統(tǒng)注射器的針頭，進(jìn)行針對(duì)皮內(nèi)、皮下等部位的給藥，具有無痛、藥物吸收好、操作方便、消除了交叉感染等諸多優(yōu)點(diǎn)。安瓿瓶密封性的好壞是決定無針注射器性能的重要因素之一。本文主要設(shè)計(jì)了一種速度可調(diào)節(jié)并且可實(shí)時(shí)監(jiān)測的無針注射系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)器部分采用特制的音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)安瓿的驅(qū)動(dòng)器，硬件部分采樣用STM32作為無針注射器的主控芯片，主要設(shè)計(jì)了無針注射器的發(fā)射、返回電路和加速度監(jiān)測電路，利用高精度的加速度傳感器ADXL001來測量音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度，最后把加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，利用Matlab軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，來得到音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度，然后利用相互的關(guān)系計(jì)算出安瓿中液體噴射的速度。

關(guān)鍵詞：無針注射器；安瓿瓶；音圈電機(jī)；STM32；Matlab

一、 引言

無針注射技術(shù)是一種獨(dú)特的經(jīng)皮膚給藥方法，它的原理是：利用動(dòng)力在安瓿瓶內(nèi)的藥液從噴孔擠壓而形成高速射流，射流的速度和壓力足以刺破人體皮膚，從而在人體皮膚上制造一個(gè)小創(chuàng)口，并將藥液注射進(jìn)人體組織。跟傳統(tǒng)的針刺注射相比，無針注射的優(yōu)勢顯而易見，具有操作簡單、注射時(shí)無痛感、藥物吸收率高、無針刺傷害和交叉感染防止產(chǎn)生皮下結(jié)節(jié)以降低處理費(fèi)用等諸多優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的無針注射器的組成通常有三個(gè)部分，第一是用來吸取藥液、存儲(chǔ)藥液和噴射藥液的安瓿瓶；第二個(gè)是觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生推動(dòng)安瓿瓶的動(dòng)力裝置（本文用的是音圈電機(jī)）；其次就是控制裝置。為了克服動(dòng)力源的缺陷，設(shè)計(jì)了以音圈電機(jī)為動(dòng)力源、基于電磁力驅(qū)動(dòng)的無針注射系統(tǒng)，并對(duì)此系統(tǒng)得射流速度進(jìn)行分析，以便測得流體在不同的速度下，射進(jìn)人體皮下組織的深淺度。

二、 音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無針注射系統(tǒng)的原理

音圈電機(jī)是一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線位移的直流伺服電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、高速、高加速和響應(yīng)快等特點(diǎn)。音圈電機(jī)的工作原理是依據(jù)安培力的原理，當(dāng)給音圈電機(jī)通電時(shí)，通電線圈在磁場中產(chǎn)生沿軸線方向的電磁力，使動(dòng)子帶動(dòng)負(fù)載做直線運(yùn)動(dòng)；本實(shí)驗(yàn)中我們改變線圈通電的時(shí)間來改變電磁力的大小，以此來改變音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)的快慢。在音圈電機(jī)發(fā)射出去之后，我們可以在電機(jī)兩端加一個(gè)反向的電流，使運(yùn)動(dòng)出去的動(dòng)子向后運(yùn)動(dòng)。我們在音圈電機(jī)的動(dòng)子上面安裝一個(gè)高性能加速度傳感器（ADXL001），該芯片的輸出腳通過一根引線可以直接接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最后再連接到單片機(jī)。音圈電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、 音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無針注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)為核心器件，主要設(shè)計(jì)了音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、音圈電機(jī)動(dòng)子返回電路、加速度測量電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

（一） 音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本文采用STM32作為驅(qū)動(dòng)電路的主控芯片，硬件部分主要設(shè)計(jì)了音圈的電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，包括音電機(jī)的發(fā)射和返回電路。發(fā)射電路的原理是給電機(jī)通正向的電流，在安培力的作用下由線圈組成的動(dòng)子向前運(yùn)動(dòng)，來產(chǎn)生一個(gè)推力推動(dòng)安瓿瓶的運(yùn)動(dòng)。返回電路的原理是通過繼電器切換來給音圈電機(jī)通一個(gè)反向的電流，來使發(fā)射出去的音圈電機(jī)的動(dòng)子自動(dòng)地收回來。具體電路圖如圖2。

圖3中U1是一個(gè)光耦芯片，START接單片機(jī)的一個(gè)管腳，當(dāng)START為低電平的時(shí)候光耦導(dǎo)通，場效應(yīng)管的柵源級(jí)電壓（GS間的電壓）達(dá)到其開啟電壓，Q1導(dǎo)通，24 V的電壓加到音圈電機(jī)兩端，電機(jī)的定子向前運(yùn)動(dòng)。電機(jī)運(yùn)動(dòng)的快慢是通過改變場效應(yīng)管導(dǎo)通的時(shí)間來確定的，導(dǎo)通的時(shí)間越長電磁力越大，運(yùn)動(dòng)速度就越快，也就是改變START管教通高低電平的時(shí)間，通低電平的時(shí)間越長，場效應(yīng)管導(dǎo)通的時(shí)間越長，24 V的電壓加到音圈電機(jī)兩端的時(shí)間就越長，這樣產(chǎn)生的電磁力越大，音圈電機(jī)就運(yùn)動(dòng)得越快。當(dāng)START為高電平的時(shí)候，Q1未開啟，電機(jī)不動(dòng)。START1也接單片機(jī)的另一個(gè)管腳，當(dāng)START1為低電平的時(shí)候，通過繼電器切換，把5 V的電壓加到音圈電機(jī)的兩端，產(chǎn)生一個(gè)很小的電磁力把電機(jī)打出去的動(dòng)子緩慢地收回來。需要注意的是，這里的5 V電源是提供音圈電機(jī)讓其發(fā)轉(zhuǎn)，收回動(dòng)子的。它的地（DGND）和其他電源的地（AGND）是分開，也就是不共地。這樣才能把電源分開，音圈電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)都不受干擾。

（二） 音圈電機(jī)動(dòng)子速度的測量

定子速度測量包括加速度信號(hào)檢測電路和AD轉(zhuǎn)換電路。本文中加速度傳感器選用的是ADXL001芯片，該型號(hào)的傳感器具有體積小、低功耗、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。ADXL001加速度計(jì)采用全差分式傳感器結(jié)構(gòu)和電路路徑，對(duì)EMI/RFI干擾具有出色的抑制能力。ADXL001是一款X軸加速度和振動(dòng)檢測器件，向引腳8標(biāo)記振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生趨正輸出電壓。它的輸出腳可以直接連到ADC的輸入，本文采用AD7606作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器來接收加速度傳感器輸出的電壓信號(hào)，其通過總線方式跟單片機(jī)相連，最后通過485通訊把單片機(jī)采集到的信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)，再用Matlab對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。圖4為加速度測量電路。

四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

本實(shí)驗(yàn)通過改變START管教通低電平的時(shí)間來改變音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。最后通過音圈電機(jī)動(dòng)子上面固定的加速度傳感器傳回的電壓的大小，來確定音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度。下面就是START管教通不同時(shí)間的低電平測得的加速度的大小。把采集到的數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行分析。由于ADXL001傳感器測到的是音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度，在音圈電機(jī)不動(dòng)的時(shí)候測得ADXL001返回的電壓為2.6 V，當(dāng)電機(jī)加速運(yùn)行時(shí)傳感器返回的電壓大于2.6 V，當(dāng)電機(jī)減速運(yùn)行時(shí)傳感器返回的電壓低于2.6 V，已知ADXL001傳感器輸出的靈敏度標(biāo)稱值為24.2 mV/g，模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606的采樣頻率為50 Khz，這樣就能得到每一時(shí)刻電機(jī)運(yùn)行的速度。我們在不同的時(shí)刻取電機(jī)運(yùn)動(dòng)的1000個(gè)點(diǎn)來分析其速度的大小。圖5表示START管腳通電平30 ms時(shí)候測得的加速度，圖6表示START管腳通電平60 ms時(shí)候測得的加速度，圖7表示START管腳通電平70 ms時(shí)候測得的加速度，圖8表示START管腳通電平200 ms時(shí)候測得的加速度。endprint

由上圖可知，音圈電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程是先加速運(yùn)行再減速運(yùn)行直到最后停止，本文只測音圈電機(jī)速度的大小，所以只需要計(jì)算加速的過程，減速的過程無需考慮，這樣我們主要分析前300個(gè)點(diǎn)。由圖像可知START管教通低電平的時(shí)間越長，電機(jī)加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長，電機(jī)的速度就越大。

實(shí)驗(yàn)中我們用的安瓿瓶活塞的直徑為3.38 mm，孔徑為100 um，活塞的速度跟音圈電機(jī)動(dòng)子的速度是相同的。所以在START管腳通不同時(shí)間低電平的情況下，取5組電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分析。最后利用MATLAB計(jì)算期間的關(guān)系，得到以下幾組數(shù)據(jù)如表1所示。

五、 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種速度可調(diào)節(jié)并且可測量的基于音圈電機(jī)的無針注射系統(tǒng)，此系統(tǒng)的硬件是基于STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。這是一種全新的音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，相對(duì)于傳統(tǒng)的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來說具有很好的應(yīng)用前景。

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作者簡介：張研，安徽省合肥市，安徽省合肥市第六中學(xué)高三31班；楊道業(yè)，江蘇省南京市，南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院。endprint