1、用MSP430單片機(jī)設(shè)計便攜式醫(yī)用自動輸液器東南大學(xué)電子工程系李璞趙寧摘要:本文簡述了一種醫(yī)用自動輸液器的設(shè)計,采用TI的MSP430系列單片機(jī)為控制芯片,配有顯示模塊、輸液泵驅(qū)動模塊和鍵控模塊等。整機(jī)機(jī)構(gòu)新穎、體積小、耗電少、操作方便、使用安全可靠。關(guān)鍵詞:單片機(jī);液晶;步進(jìn)電機(jī);輸液概述對于可進(jìn)行自助式護(hù)理的病人來說,需要一種可以由病人自己操作,自動定時、定量向病人進(jìn)行輸液的智能型自動輸液器,以達(dá)到治療和鎮(zhèn)痛的目的。本文簡述了一種醫(yī)用自動輸液器的設(shè)計,它采用電池作供電電源,功耗小、體積小、重量輕,滿足了便攜式的需要。此外,該儀器使用安全可靠,計量準(zhǔn)確,自動化程度高,適應(yīng)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的要求

2、。其主要功能如下:根據(jù)要求設(shè)定滴數(shù)、輸液總量及藥液總量等參數(shù);可隨時改變原設(shè)定參數(shù),并可以在運(yùn)行時隨時暫停輸液;不同的使用者可以有自己的一套運(yùn)行參數(shù),并通過密碼進(jìn)入自己的設(shè)定環(huán)境;LCD顯示,可實(shí)時察看所用藥液及藥液剩余量;自動檢測流速,在輸液異常或輸液結(jié)束時,自動停止輸液并聲光提示;藥液用完自動發(fā)出換液信號,在換液期間禁止所有操作;重要的操作均由兩個組合鍵來完成,防止誤操作,安全可靠;在第一次使用之前可快速排空輸液管中的空氣。硬件設(shè)計MSP430系列單片機(jī)是TI公司近期推出的16位系列單片機(jī),現(xiàn)已有x1xx、x3xx及x4xx等幾個系列。該系列是一組超低功耗的微控制器,供電電壓范圍1.83.

3、6V,特別適用于使用電池長期工作的場合。由于具有16位的RISC結(jié)構(gòu)、16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器,MSP430 系列單片機(jī)達(dá)到了最大的代碼效率。考慮到本設(shè)計有低功耗、體積小的要求,所以選用MSP430F1121型單片機(jī)芯片。該芯片特有的FLASH 存儲器在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。MSP430F1121內(nèi)部有一個數(shù)控振蕩器(DCO和一個晶體振蕩器,帶有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器,一個看門狗定時器,一個模擬比較器,12個I/O 口(每位均有獨(dú)立的中斷能力,可獨(dú)立控制。另外,它還具有4kB+256字節(jié)的FLASH ROM和256字節(jié)的RAM的存儲空間。因此,在整個硬

4、件電路上無須外加程序存儲器。當(dāng)單片機(jī)處于閑置狀態(tài)時,可以讓其處于睡眠狀態(tài)以降低供耗,可供選擇的4種工作模式可讓其最低功耗幾乎為零。功耗低、體積小、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)使其特別適用于本便攜式電池供電儀器的設(shè)計。本輸液器的電路原理框圖,由電源電路、輸液泵驅(qū)動、液晶顯示驅(qū)動和按鍵控制等電路組成。電源電路整個電路由四節(jié)電池供電,除了可以用電池供電外還可以通過直流輸入端由小型的變壓器供電,滿足在室內(nèi)及走動的需要。由于TI單片機(jī)的供電電壓比其它模塊低,只有3.6V,選擇L31A作為MSP430F1121的穩(wěn)壓芯片。為保證輸液正常工作,電源電路中還配有電池電量檢測裝置,在電池電量比較低,可能會影響到輸液正常工作的

5、情況下及時報警,提醒更換電池。采用MSP430F1121內(nèi)置比較器模塊,無須外加專門的電池檢測芯片,只需兩個電阻就可以完成此功能。鍵控模塊根據(jù)功能上的需要,本輸液器的鍵控模塊能實(shí)現(xiàn)的主要操作如下:使用前進(jìn)行滴速、輸出藥液量等參數(shù)的設(shè)定,不同的使用者可以有自己的一套運(yùn)行參數(shù),并通過密碼進(jìn)入;在輸液時可隨時暫停輸液,并可以在任意時刻重新啟動繼續(xù)輸液;輸液開始前迅速排空新輸液膠管的空氣;任意切換按鍵聲音的有無及報警的聲光方式等。出于醫(yī)療儀器安全可靠的考慮,為防止按鍵的誤按動帶來的不安全因素,一些主要的按鍵操作都是用組合鍵的形式完成的,即只有特定的兩個鍵被同時按下時才生效。這樣完成所有的操作總共只需要

6、四個鍵。考慮到單片機(jī)的I/O口資源比較豐富,而且每個I/O口均有獨(dú)立的中斷能力,因此4個鍵直接接到單片機(jī)的I/O口上,通過中斷的方式由CPU來響應(yīng)。由于硬件電路的簡化,與之對應(yīng)的軟件也大大簡化。另外,為了提高整機(jī)的安全性能,還配有由于異常情況造成的流速過快而產(chǎn)生的壓力超標(biāo)及藥液袋的外圍保護(hù)殼被打開的報警裝置,報警的同時停止輸液,禁止所有操作。顯示模塊液晶顯示器采用飛利浦公司具有I2C總線的低功耗LCD驅(qū)動器PCF8576,該芯片有40個段輸出和4個背極輸出,可完成最大為160個段的LCD顯示。PCF8576的二總線I2C數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)使其與微控制器的連線也減至最低,因而最大限度地減少了顯示系統(tǒng)的

7、開銷(PCF8576的具體使用請參看有關(guān)資料。泵驅(qū)動模塊本系統(tǒng)的輸液泵驅(qū)動模塊由兩相4線式的步進(jìn)電機(jī)和泵體組成。由于輸液要求計量準(zhǔn)確、可靠,因此選用步進(jìn)電機(jī)做為動力裝置。步進(jìn)電機(jī)是一種把脈沖激勵的變化轉(zhuǎn)換為精確轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu),即將脈沖信號變成電機(jī)相應(yīng)角位移的機(jī)械。因此,通過控制脈沖的個數(shù)就可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時間,通過改變脈沖的頻率就可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。電機(jī)運(yùn)行驅(qū)動泵體的凸輪機(jī)構(gòu)循環(huán)壓縮膠管,實(shí)現(xiàn)輸液功能。為了讓輸液泵安全、可靠的工作,并從簡化硬件電路的角度出發(fā),步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行不由單片機(jī)驅(qū)動達(dá)林頓管直接控制,而是通過兩根控制線對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動模塊間接進(jìn)行控制,分別實(shí)現(xiàn)啟動與控制。

8、這里,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片選用的是MOO8335。啟動信號啟動步進(jìn)電機(jī)工作,而運(yùn)轉(zhuǎn)時間和停止時間則由控制信號來控制。本儀器輸液的速度是通過步進(jìn)電機(jī)停止、轉(zhuǎn)動的時間的不同來控制的,步進(jìn)電機(jī)在整個運(yùn)行期間轉(zhuǎn)速保持恒定。藥液用完自動發(fā)出換液信號,在換液期間禁止所有操作;重要的操作均由兩個組合鍵來完成,防止誤操作,安全可靠;在第一次使用之前可快速排空輸液管中的空氣。硬件設(shè)計MSP430系列單片機(jī)是TI公司近期推出的16位系列單片機(jī),現(xiàn)已有x1xx、x3xx及x4xx等幾個系列。該系列是一組超低功耗的微控制器,供電電壓范圍1.83.6V,特別適用于使用電池長期工作的場合。由于具有16位的RISC結(jié)構(gòu)、16

9、位寄存器和常數(shù)發(fā)生器,MSP430 系列單片機(jī)達(dá)到了最大的代碼效率。考慮到本設(shè)計有低功耗、體積小的要求,所以選用MSP430F1121型單片機(jī)芯片。該芯片特有的FLASH 存儲器在系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。MSP430F1121內(nèi)部有一個數(shù)控振蕩器(DCO和一個晶體振蕩器,帶有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器,一個看門狗定時器,一個模擬比較器,12個I/O 口(每位均有獨(dú)立的中斷能力,可獨(dú)立控制。另外,它還具有4kB+256字節(jié)的FLASH ROM和256字節(jié)的RAM的存儲空間。因此,在整個硬件電路上無須外加程序存儲器。當(dāng)單片機(jī)處于閑置狀態(tài)時,可以讓其處于睡眠狀態(tài)以

10、降低供耗,可供選擇的4種工作模式可讓其最低功耗幾乎為零。功耗低、體積小、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)使其特別適用于本便攜式電池供電儀器的設(shè)計。本輸液器的電路原理框圖,由電源電路、輸液泵驅(qū)動、液晶顯示驅(qū)動和按鍵控制等電路組成。電源電路整個電路由四節(jié)電池供電,除了可以用電池供電外還可以通過直流輸入端由小型的變壓器供電,滿足在室內(nèi)及走動的需要。由于TI單片機(jī)的供電電壓比其它模塊低,只有3.6V,選擇L31A作為MSP430F1121的穩(wěn)壓芯片。為保證輸液正常工作,電源電路中還配有電池電量檢測裝置,在電池電量比較低,可能會影響到輸液正常工作的情況下及時報警,提醒更換電池。采用MSP430F1121內(nèi)置比較器模塊,無

11、須外加專門的電池檢測芯片,只需兩個電阻就可以完成此功能。鍵控模塊根據(jù)功能上的需要,本輸液器的鍵控模塊能實(shí)現(xiàn)的主要操作如下:使用前進(jìn)行滴速、輸出藥液量等參數(shù)的設(shè)定,不同的使用者可以有自己的一套運(yùn)行參數(shù),并通過密碼進(jìn)入;在輸液時可隨時暫停輸液,并可以在任意時刻重新啟動繼續(xù)輸液;輸液開始前迅速排空新輸液膠管的空氣;任意切換按鍵聲音的有無及報警的聲光方式等。出于醫(yī)療儀器安全可靠的考慮,為防止按鍵的誤按動帶來的不安全因素,一些主要的按鍵操作都是用組合鍵的形式完成的,即只有特定的兩個鍵被同時按下時才生效。這樣完成所有的操作總共只需要四個鍵。考慮到單片機(jī)的I/O口資源比較豐富,而且每個I/O口均有獨(dú)立的中斷

12、能力,因此4個鍵直接接到單片機(jī)的I/O口上,通過中斷的方式由CPU來響應(yīng)。由于硬件電路的簡化,與之對應(yīng)的軟件也大大簡化。另外,為了提高整機(jī)的安全性能,還配有由于異常情況造成的流速過快而產(chǎn)生的壓力超標(biāo)及藥液袋的外圍保護(hù)殼被打開的報警裝置,報警的同時停止輸液,禁止所有操作。顯示模塊液晶顯示器采用飛利浦公司具有I2C總線的低功耗LCD驅(qū)動器PCF8576,該芯片有40個段輸出和4個背極輸出,可完成最大為160個段的LCD顯示。PCF8576的二總線I2C數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)使其與微控制器的連線也減至最低,因而最大限度地減少了顯示系統(tǒng)的開銷(PCF8576的具體使用請參看有關(guān)資料。泵驅(qū)動模塊本系統(tǒng)的輸液泵驅(qū)動

13、模塊由兩相4線式的步進(jìn)電機(jī)和泵體組成。由于輸液要求計量準(zhǔn)確、可靠,因此選用步進(jìn)電機(jī)做為動力裝置。步進(jìn)電機(jī)是一種把脈沖激勵的變化轉(zhuǎn)換為精確轉(zhuǎn)子位置增量運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu),即將脈沖信號變成電機(jī)相應(yīng)角位移的機(jī)械。因此,通過控制脈沖的個數(shù)就可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時間,通過改變脈沖的頻率就可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度。電機(jī)運(yùn)行驅(qū)動泵體的凸輪機(jī)構(gòu)循環(huán)壓縮膠管,實(shí)現(xiàn)輸液功能。為了讓輸液泵安全、可靠的工作,并從簡化硬件電路的角度出發(fā),步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行不由單片機(jī)驅(qū)動達(dá)林頓管直接控制,而是通過兩根控制線對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動模塊間接進(jìn)行控制,分別實(shí)現(xiàn)啟動與控制。這里,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片選用的是MOO8335。啟動信號啟動步進(jìn)電機(jī)工作,

14、而運(yùn)轉(zhuǎn)時間和停止時間則由控制信號來控制。本儀器輸液的速度是通過步進(jìn)電機(jī)停止、轉(zhuǎn)動的時間的不同來控制的,步進(jìn)電機(jī)在整個運(yùn)行期間轉(zhuǎn)速保持恒定。軟件設(shè)計MSP430的內(nèi)核結(jié)構(gòu)來自具有高透明格式的精簡指令集(RISC的設(shè)計思想。指令分為硬件實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核指令和利用這一硬件結(jié)構(gòu)具有更高效率的模擬指令,使用起來非常方便。在本系統(tǒng)中,單片機(jī)在完成初始化任務(wù)(設(shè)置標(biāo)志位、定時器、比較器和看門狗的工作方式后,就進(jìn)入睡眠狀態(tài),進(jìn)而處于低功耗工作模式,任一中斷可將其喚醒,轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的子程序。單片機(jī)的工作,大多數(shù)的操作都設(shè)置成中斷方式,在閑置期間單片機(jī)處于超低功耗工作模式,大大降低了整機(jī)的功耗。整個程序流程。結(jié)束語在設(shè)計便攜式醫(yī)用自動輸液器中,由于選用超低功耗的MSP430單片機(jī)作為控制芯片