基于STM32F4的智能配液機設計與實現(xiàn)

李長有，張攀

河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454003

引言

靜脈用藥調(diào)配中心靠人工使用注射器配液，配液過程存在效率低、精度差、勞動強度大的缺點。提高靜脈用藥調(diào)配中心的配藥效率及精度對提高臨床的藥品質(zhì)量和藥品服務有至關重要的作用[1-3]。在某些生化、理化實驗室經(jīng)常使用到蠕動泵抽液、排液、滴液。蠕動泵具有無污染、精度高、密封性好、雙向同等輸送液體的能力[4-5]。

傳統(tǒng)的蠕動泵機械結構簡單，功能簡單，不方便操作，且不方便更換彈性軟管。本文設計的智能配液機主要分為兩部分：遠程手柄系統(tǒng)和主機系統(tǒng)。手柄內(nèi)部的藍牙裝置和主機內(nèi)部的藍牙裝置連接配對，在主機觸摸屏選擇不同的工作模式之后，通過按動手柄按鍵控制主機工作。配藥人員也可以通過操控觸摸屏的按鈕控制主機工作。

主機控制系統(tǒng)采用STM32F407高性能32位主控芯片控制輥組步進電機運行，可精確地定量抽/排藥液，實現(xiàn)靜脈用藥調(diào)配中心數(shù)字化配液。如長時間抽/排藥液，彈性軟管的彈性會有所下降，不能恢復到最初的形狀，所以要定期的更換彈性軟管[6-7]。配藥人員通過操控觸摸屏可以輕松實現(xiàn)更換彈性軟管。

1 主機硬件系統(tǒng)設計實現(xiàn)

傳統(tǒng)的蠕動泵存在更換軟管操作復雜的問題，本文設計的配藥機通過觸摸屏點擊按鈕即可實現(xiàn)輕松換管。需要更換彈性軟管時，只用點擊觸摸屏上的“換管推出”按鈕，即可方便更換軟管。本文設計制作的配液機如圖1所示。

圖1 主機機械主體

2 智能配液機工作模式

配液機具有自動、手動、定量、連續(xù)、標定等工作模式。配液機主控芯片STM32F4搭載μC/OSIII嵌入式操作系統(tǒng)，支持多任務處理，可以實現(xiàn)主機復雜的功能[8-17]；搭載emWin圖形庫，可以設計制作炫麗的圖形[12-14]；搭載的FATFS嵌入式文件系統(tǒng)可以根據(jù)需要記錄主機的工作數(shù)據(jù)[13]。

（1）自動模式：點擊某個按鍵之后，主機開始抽液或排液，松開此按鍵配液機仍處于工作狀態(tài)，再次點擊任意按鍵之后配液機停止工作。此種模式適合大量藥液的轉移。

（2）手動模式：點擊某個按鍵之后，主機開始工作，松開此按鍵主機停止工作。此種工作狀態(tài)需要按鍵一直處于按下狀態(tài)，一旦松開按鍵，配液機就停止工作。

（3）定量模式：需要單次定量抽/排藥液時，通過觸摸屏設置工作量x（mL），點擊手柄按鍵之后主機開始工作，當主機抽/排藥液量達到設置的工作量時，自動停止；也可以點擊觸摸屏上的“點擊啟動”按鈕，之后配液機開始工作，抽/排設置的工作量之后自動停止。

（4）連續(xù)模式：配藥人員在配置小容量西林瓶、安瓿瓶時，需要頻繁地拔插針頭，極為費事耗力。連續(xù)模式可以解決這一難題。此種工作模式下需要設置4個參數(shù)：間隔時間 t1（s）、間隔時間 t2（s）、循環(huán)次數(shù) N、工作量 x（mL）。按下手柄按鍵之后配液機開始工作，當抽/排液體量達到所設置的工作量x后暫停工作，等停止時間達到t1秒之后配液機再次啟動，如此循環(huán)N次之后配液機暫停工作，結束本次循環(huán)，等停止時間達到t2秒之后，配液機又開始啟動繼續(xù)下一次循環(huán)。配液機在工作的過程中，無論是處于工作狀態(tài)，還是處于暫停狀態(tài)（t1暫停或t2暫停），再次點擊手柄任意按鍵都會結束本次任務。根據(jù)配液人員的熟練程度設置時間t1和托盤中西林瓶、安瓿瓶的個數(shù)設置循環(huán)次數(shù)N。通過觸摸屏也可以完成此種工作模式。

（5）標定模式：該模式下可以調(diào)整主機的工作速度和流量精度。通過標定某些特定量的脈沖數(shù)可以精確調(diào)節(jié)定量抽/排藥液的量。特殊的標定分解算法可以獲取輸入任意數(shù)值下的脈沖數(shù)，通過控制步進電機的脈沖個數(shù)實現(xiàn)精確控制抽/排藥液的量。圖2為配藥人員使用配液機樣機配液。

圖2 樣機試用

主機在定量和連續(xù)模式時抽/排的藥液量必須精確。除了保證硬件機械加工精度外，軟件中控制定量的算法更為重要。軟件中不是通過求平均數(shù)值方法得到的脈沖數(shù)，如100 mL對應50000個脈沖，那么1 mL就對應500個脈沖；而是通過設置固定幾個量的脈沖數(shù)，然后通過不同的組合來得到所需要的量。

3 手柄工作原理設計

手柄的機械結構要卡緊針頭，方便配藥人員插進藥瓶中。手柄控制系統(tǒng)靠電池供電，為了節(jié)省電量，手柄電路控制系統(tǒng)必須有低功耗節(jié)能處理。手柄內(nèi)部為精密微振傳感器，當手柄長時間靜止放置，手柄內(nèi)部的STC15F104E在一定時間內(nèi)沒有檢測到震動信號，就會進入休眠模式。手柄內(nèi)部工作原理如圖3所示。手柄工作過程中會產(chǎn)生輕微的晃動，震動開關工作時，P3.2接收的是低電平信號；震動開關不工作時，P3.2接收的是高電平信號。手柄處于工作狀態(tài)時，KEY1或KEY2被按下或者手柄在醫(yī)護人員手中受到晃動，P3.2、P3.3、P3.4接口電平發(fā)生變化。STC15F104E通過檢查P3.2、P3.3、P3.4的電平信號來判斷手柄是否處于工作狀態(tài)。若連續(xù)一段時間內(nèi)檢測P3.2、P3.3、P3.4都是高電平信號，那么就認為手柄處于靜止不工作狀態(tài)，這時STC15F104E的P3.5接口輸出低電平通過三極管Q1切斷藍牙模塊的電源，自身也進入休眠狀態(tài)，手柄系統(tǒng)進入低功耗模式。

圖3 手柄工作原理圖

當手柄受到外界震動時，P3.2接收到低電平信號，喚醒STC15F104E，然后通過P3.5輸出高電平接通藍牙模塊的電源，藍牙模塊得電后進入自動連接模式，配對后進入正常工作狀態(tài)。P3.2、P3.3、P3.4是STC15F104E的外中斷0、外中斷1、外中斷2，這三個I/O口任意一個接收到低電平信號后都會喚醒單片機的休眠。若拿起手柄的動作比較輕緩并沒有使震動開關接通，按動了其中某一個按鍵，也可以喚醒單片機的休眠。

4 手柄控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

配藥人員通過手柄可以實現(xiàn)無方式控制主機工作。手柄軟件工作流程圖如圖4所示。

（1）通過觸摸屏選擇自動工作模式，等待手柄藍牙跟主機藍牙之間的配對連接，實現(xiàn)一對一通信。實際測試中大概1～3 s主從藍牙可以正常配對連接。

（2）選擇主機工作方式，自動、手動、定量、連續(xù)其中一種。主機面板按下不同的按鈕，主機藍牙發(fā)送不同的字符，手柄藍牙判斷接收的字符，進入不同的控制模式狀態(tài)。

（3）通過按動手柄按鍵控制主機進行抽液或者排液。

（4）長時間靜止放置，沒有震動或者輸入信號，手柄自動進入休眠模式。

圖4 手柄工作流程

（5）再次使用時，晃動手柄或按動按鍵喚醒休眠模式進入正常工作狀態(tài)。

（6）手柄工作時藍牙處于自動連接模式，自動搜索周圍藍牙設備，根據(jù)預先設置的藍牙名字密碼進行配對連接，跟主機藍牙配對連接之后便可控制主機工作。

5 臨床實際應用效果及流量控制

實際操作時，配藥人員可以通過手柄控制主機工作或者通過觸摸屏控制主機工作。手柄操作或觸摸面板操作都可以實現(xiàn)相同的定量效果。使用時一人負責把軟管一端插進藥瓶或藥袋中，另一人操作手柄負責把藥液抽排到另一個藥瓶或藥袋中。配液機在醫(yī)院實際使用效果如圖5所示。

圖5 使用效果圖

在實際使用中，最關心的是配液機的流量，通過調(diào)節(jié)步進電機轉速可以改變配液的最大抽排藥液的速度。在標定界面下，修改“轉動速度”參數(shù)（步進電機最大工作頻率）可以改變最大抽排藥液速度。標定界面參數(shù)如圖6所示。

圖6 標定界面

在自動模式模式下測試蠕動泵的流量，啟動主機，開始計時，達到100 mL時立即停止主機工作，通過秒表記錄時間來測算實際流量。輥組直徑D=42 mm，蠕動泵軟管內(nèi)徑為4 mm。

表1 頻率與實際流量關系

實際使用時速度不宜過快。若拔出針頭時不夠迅速會造成藥袋充入過多空氣，出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。實際使用時，9～10 mL/s是最佳抽排藥速度。

6 總結

本論文致力于研制一臺能在靜脈用藥調(diào)配中心運行的配液機，能夠實現(xiàn)無線操控、觸摸操控、精確定量、方便校準、更換軟管等功能。通過無線手柄操控實現(xiàn)了對主機的遠程操作，無線手柄除了具有基本的無線通信功能外，還可以實現(xiàn)自動休眠觸碰喚醒功能，觸摸屏友好的人機界面可以方便配藥人員操控，實現(xiàn)數(shù)字化配液。該配液機樣機在某醫(yī)院經(jīng)過長時間試運行，得到了預期效果，最后批量制作了第一代配液機。