基于STM32輸液器驗氣系統設計

劉松 ，蘇軍，彭玲，劉炳榮，周成，王艷慶

1 江西三鑫醫療科技股份有限公司，南昌市，330052

2 天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津市，300072

3 南昌大學，南昌市，330031

0 引言

靜脈注射是臨床最常見的治療方式，據相關統計80.0%以上的住院患者都需以輸液方式進行治療[1]。而常見的輸液器產品，會存在如下兩種不合格情況：①輸液器漏液，因為一次性使用輸液器采用的零配部件較多，組裝這些配件共需要十幾個步驟，當前行業內采用環己酮將管路的不同部分進行粘接和組裝，當組裝過程中的任何連接部位出現組裝不到位或者配件缺陷，都很有可能造成產品漏液，影響治療效果[2]；②藥液流動不順暢，主要造成的影響因素是由于空氣過濾器排氣不通暢所導致[2]；所造成的主要原因有：空氣過濾器處堵塞，如果空氣過濾器上殼配件出現毛邊過大，組裝后可能出現通氣不暢的問題，進而導致輸液器液體流動不暢[3-4]。為此本團隊設計了一種基于STM32的輸液器驗氣系統，采用氣體壓力傳感器檢測輸液器漏氣與堵塞等壓力參數，并將檢測的數據傳到上位機實時顯示，以便于及時掌握漏氣與堵塞的情況[5]，實現產品質量追溯；同時采用兩個工位進行檢測，提高驗氣機檢驗質量的效率。

1 系統概述

以STM32主芯片為輸液器驗氣系統的開發平臺，采用氣體壓力傳感器檢測輸液器內壓力值，并將傳感器檢測到的壓力值，經由數據采集電路轉換為由單片機計算的電信號，利用USB串口通信的方式[6]，將計算數據傳輸到上位機上進行顯示，同時可以在氣體壓力傳感器自帶的液晶屏上觀察到檢測壓力值。顯示屏上可以進行歷史檢驗數據查詢以及存儲，以便實現質量追溯，系統框架如圖1所示。

圖1 輸液器驗氣系統框架圖Fig.1 Block diagram of gas detection system based-on infusion set

2 基于STM32輸液器驗氣系統硬件設計

采用STM32F103作為該輸液器驗氣系統的主芯片，該芯片是基于Cortex-M3內核，其主頻高達 72 MHz；具備體積較小、功耗低和外設多等特點[7]。主芯片具有12位、逐次逼近型模擬數字轉換方式[8]；包含18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源[9]；可以實現單次、連續、掃描或間斷模式執行通道的A/D轉換方式[10]。轉化結果以左或右對齊形式存儲在16位數據寄存器當中[11]。

采用氣體壓力傳感器檢測輸液器內的壓力值，利用氣體流過的壓力，傳感器輸出電壓信號，將產生的電壓信號的大小轉換得到壓力值。實際生產過程中，為加快效率按照雙工位的要求，每組工位連接2個氣體壓力傳感器。

2.1 氣體壓力傳感器信號采集電路

氣體壓力需要用壓力傳感器來測量，采用SMC—PSE543A傳感器進行測量，該傳感器采用硅材料作為敏感膜片，精度高、可靠性高、溫度性能好。傳感器自身的內部處理電路，將壓力的大小轉換為電壓輸出信號，采集電路對傳感器輸出的電壓信號做分壓、濾波處理后，根據轉換后電壓信號的大小來判斷壓力的數值。信號采集電路由設計的5個采集通道構成，電路如圖2所示。

圖2 氣壓力傳感器信號方式采集電路圖Fig.2 Air pressure sensor signal acquisition circuit diagram

2.2 USB串口傳輸電路

該系統以USB串口通信形式，將采集數據發送至上位機當中，具有方便使用[12]、傳輸速率快的特點。USB串口通信電路，采用CH340G芯片進行數據通信[12]。具備高效全速USB設備接口，外圍元器件包含電容和晶振，支持5 V和3.3 V供電，引腳2和引腳3連接到STM32F103的UART，引腳5和引腳6連接到電腦的USB接口[13]。

2.3 電源電路

本系統采用 24 V直流供電，為了達到對電源的雙重保護，在電源入口端增加肖特基二極管，利用二極管的單向導電，防止電源反接造成元器件的損害。整體電源模塊為電路板提供24 V、5 V和3.3 V電壓[14]，24 V給電磁閥提供電源，5 V給驅動部分提供電源[15]，3.3 V給主芯片STM32F103最小系統供電[16]。5 V電壓是由LM2576S轉換得來，LM2576S是降壓開關型集成穩壓芯片，內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，并具有完善的保護電路，包括保護電流及熱高溫斷電路等，最大輸出電流高達3 A，以最少的外圍電路的方式，組成高效穩定的電路，具體電路如圖3所示。STM32單片機3.3 V工作電壓，由LDO芯片AMS1117－3.3 V通過轉換得到[12]。

圖3 穩壓電源電路Fig.3 Regulated power supply circuit

2.4 氣動控制電路

本系統采用光耦隔離方案配合外圍器件電路，直接控制驅動芯片來實現氣動控制[17]。能有效地保護主控STM32F103芯片提高系統的抗干擾能力，每一個輸出端都有LED指示燈方便檢查維護。驅動芯片采取ULN2003，該驅動芯片是大電流驅動陣列、高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅NPN復合晶體管構成7對達林頓管，輸出端可達500 mA/50 V，在5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，內部還包含了一個消線圈反電動勢的二極管，無需增添外圍器件就能夠直接驅動電磁閥[18-19]。4個輸出端口作為通氣接口，2個輸出端口作為壓緊接口，1個做預留。具體電路，如圖4所示。

圖4 氣動控制電路Fig.4 Pneumatic control circuit

3 軟件設計

采用模塊化的程序設計方案及思路，其中包含STM32F103最小系統軟件、氣壓傳感器數據采集軟件、數據分析處理軟件、數據保存軟件以及串口通訊軟件等。系統通過壓力傳感器分別采集1、2工位的氣體的壓力，并利用數據采集電路，將氣壓力值轉換成單片機內部AD電壓值，以USB串口通訊的形式將數據傳輸到上位機進行實時呈現。系統上電后首先執行初始化操作，把裝有壓力傳感器的氣嘴裝置接于輸液器口中，使氣體通過輸液器，使用外部按鍵控制系統的運行，軟件流程，如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖Fig.5 System software flow chart

4 實驗數據對比分析

為了確保實驗的可靠性，需要對輸液器驗氣系統設計的可行性以及準確性進行驗證。實驗當中，設置兩組對照：機器測量值與人工檢測值。當系統上電后，將輸液器一側夾緊，另一側插入裝有氣體的壓力傳感器裝置上并通氣、保壓，采集壓力傳感器壓力值，把系統采集測量的值通過USB串口通訊的方式發送到上位機顯示，輸液器驗氣系統，如圖6所示。作業人員使用氣壓力表進行檢測。

圖6 輸液器驗氣系統Fig.6 Infusion set gas check system

為了驗證系統的穩定以及重復性，分別進行多次測量，根據輸液器驗氣要求，驗氣測試壓力為0.08～0.12 MPa，保壓時間為3 s，壓力下降范圍即泄漏量為0～1 kPa，判定為合格。若指針不斷下降，泄漏量大于1 kPa，則輸液器有滲漏，判定不合格。放氣時，松開輸液器，指示針不下降或下降緩慢，則該輸液器有阻塞。具體實驗測試結果如表1所示。

表1 泄漏量測試對比Tab.1 Comparison of leakage test

由測試數據分析可知：①分別進行單只測量，共測量10只，驗氣機與人工泄漏量測量，進行對照，每組數據的相對誤差均在±5 %范圍之內，為合格范圍之內；②分別進行10批次測量，每批100只，與人工進行檢測對比，準確率均為100%；③作業人員和驗氣機進行工作效率對照，測試10批，機器每批100只平均1.5 min，人工每批100只平均3.6 min，檢驗時間減少2.1 min。

5 結論

研制了一種基于STM32的輸液器驗氣系統，利用氣體壓力傳感器檢測輸液器內氣體壓力，通過數據處理電路，實現了2個工位氣壓力傳感器采集到的氣體壓力，轉換為電壓信號，最后采用STM32內部的AD轉換模塊，對信號進行數據采集計算，最終把計算結果以USB串口通訊的方式發送到上位機實時呈現，方便人員進行操作。實際測量結果表明，本系統具有一定的穩定性，精度相對較高等特點，實驗測量相對誤差在±5% 范圍，相對于人工進行檢驗，提高了工作效率及降低人員工作強度，符合設計的基本要求。