王昌明 全燕鳴 郭清達(dá)

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基于STC單片機(jī)的小劑量霧化吸入治療控制系統(tǒng)

王昌明 全燕鳴 郭清達(dá)

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

霧化吸入治療是一種新型的治療手段，但對(duì)間斷、小劑量給藥的霧化裝置研究較少。采用STC單片機(jī)作為小劑量霧化控制核心，闡述系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案、功能電路設(shè)計(jì)和測(cè)試方案。該系統(tǒng)具有微劑量藥液的霧化控制功能，并能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)的霧化次數(shù)、霧化電流和環(huán)境溫度。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較好的霧化控制效果，霧化量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

STC單片機(jī)；霧化吸入治療控制；傳感器

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)所使用的治療方法也得到了極大的豐富。霧化吸入治療作為一種新型的治療手段，因其治療過(guò)程安全且效果顯著等特點(diǎn)，已經(jīng)成為臨床治療最重要的方式之一。其工作原理是通過(guò)霧化裝置把藥液霧化成微粒，被使用者吸入體內(nèi)，從而達(dá)到局部或全身治療的目的[1]。霧化裝置是霧化吸入治療的核心，但目前霧化裝置的研究停留在連續(xù)、大劑量給藥等方面，對(duì)小劑量給藥?kù)F化控制的研究較少。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套小劑量霧化吸入治療控制系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有可行性，霧化量控制能夠滿(mǎn)足使用要求，并能夠查看系統(tǒng)霧化次數(shù)、霧化電流和環(huán)境溫度等。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

霧化吸入治療控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)小劑量藥液霧化過(guò)程的精確控制，保證霧化過(guò)程的穩(wěn)定。系統(tǒng)主要有電源模塊、開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、AD采樣模塊、霧化控制模塊和LCD顯示模塊等，如圖1所示。

系統(tǒng)模塊功能要求：電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，保證系統(tǒng)正常工作；開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止；溫度檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)影響霧化量穩(wěn)定性因子（外界溫度）的檢測(cè)；A/D采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)影響霧化量大小的主要因子（電流）的檢測(cè)；霧化控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電流大小與時(shí)間的控制，達(dá)到控制霧化量；LCD顯示模塊實(shí)時(shí)顯示霧化次數(shù)、霧化電流和環(huán)境溫度值。

圖1　霧化吸入治療控制系統(tǒng)功能模塊組成

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

小劑量霧化吸入治療控制硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，是在STC單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展各個(gè)功能的硬件電路。

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是其能夠正常工作的最基本條件，也是整個(gè)霧化吸入治療控制系統(tǒng)的核心?？刂葡到y(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。在單片機(jī)P1口（P1.0~P1.7）有10位8路高速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度達(dá)到250 k/s，具有高速、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。STC單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　STC單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

2.2功能模塊電路設(shè)計(jì)

2.2.1電源模塊

電源電路是整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)能穩(wěn)定有效工作的先決條件。根據(jù)各個(gè)硬件電路的配置要求，系統(tǒng)所需6 V、5 V和2.5V直流電。加熱絲工作電壓為6V直流電；STC單片機(jī)、電子開(kāi)關(guān)、DS18B20、LCD1602以及AD8218的工作電壓為5V直流電；AD8218的參考電壓為2.5 V直流電。為獲得更穩(wěn)定的電壓，電路中分別采用78L05和X60008-25兩種穩(wěn)壓IC實(shí)現(xiàn)6 V到5 V和2.5 V的轉(zhuǎn)換，其具體轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3　電壓轉(zhuǎn)換電路圖

2.2.2開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊

開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊采用集成開(kāi)關(guān)和指示燈的IC模塊。開(kāi)關(guān)的作用是感應(yīng)氣流的變化，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)啟停。當(dāng)氣流增大到開(kāi)關(guān)S1的最低閾值時(shí)，通過(guò)氣流壓力使開(kāi)關(guān)S1閉合，同時(shí)指示燈D2點(diǎn)亮，在輸出端AT形成一個(gè)高低電平的變化并輸入給單片機(jī)。其電路圖如圖4所示。

圖4　開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路圖

2.2.3溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊使用DS18B20溫度傳感器，其有獨(dú)特的單線接口，并具有較寬的溫度檢測(cè)范圍（-55℃~125℃）。其接線如圖5所示[3]。

圖5　DS18B20接線圖

2.2.4A/D采樣模塊

STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器，可做按鍵掃描、電壓檢測(cè)等。在電路中，需要對(duì)采樣電阻（10 mΩ）得到的毫伏級(jí)小信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。AD8218芯片是一種典型高壓、高分辨率的分流放大器，在0 mV~250 mV的整個(gè)輸入差分電壓范圍內(nèi)能保持線性輸出，同時(shí)，該芯片還有著非常好的溫度適用性。AD8218輸入至輸出的變換函數(shù)為

圖6AD8218接線圖

2.2.5霧化控制模塊

霧化控制模塊的功能是通過(guò)單片機(jī)分別對(duì)加熱絲通電時(shí)間和通電電流進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)控制霧化量的目的。其接線如圖7所示。

圖7　霧化控制模塊接線圖

2.2.6LCD顯示模塊

LCD1602是一種兩行液晶顯示屏，每行可顯示16個(gè)字符，其主要特點(diǎn)有： 80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DDRAM；微功耗、體積小；編程簡(jiǎn)單、控制命令豐富且易操作。其接線如圖8所示。

圖8　LCD1602接線圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

霧化吸入治療控制系統(tǒng)的軟件功能，是在功能模塊的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)與測(cè)試，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示。

系統(tǒng)軟件工作流程：系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化；開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊開(kāi)始檢測(cè)氣流信號(hào)，若檢測(cè)到有氣流信號(hào)的輸入，則單片機(jī)接通霧化回路，加熱絲加熱進(jìn)行霧化操作，啟動(dòng)定時(shí)器，開(kāi)放中斷，同時(shí)采樣電阻將電壓信號(hào)輸入到AD8218芯片進(jìn)行調(diào)理后，送至單片機(jī)做A/D轉(zhuǎn)換；開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊不斷檢測(cè)氣流信號(hào)，若開(kāi)關(guān)閉合，則繼續(xù)等待定時(shí)完成，定時(shí)完成后，斷開(kāi)霧化回路，定時(shí)器重新賦值；若開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則霧化結(jié)束，定時(shí)器重新賦值；1次霧化完成后，霧化次數(shù)進(jìn)行加1；采集溫度信號(hào)，將所得到的霧化次數(shù)、霧化電流和環(huán)境溫度值在LCD上顯示[4-5]。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖9所示。

4　系統(tǒng)測(cè)試

本控制系統(tǒng)在霧化吸入治療領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了小劑量給藥?kù)F化控制方案，并滿(mǎn)足一定的精度，控制目標(biāo) 40 mg±10%。為此，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試條件見(jiàn)表1，系統(tǒng)手板如圖10所示。

圖9　系統(tǒng)主程序流程圖

在表1的測(cè)試條件下，對(duì)霧化系統(tǒng)進(jìn)行4組測(cè)試，每組試驗(yàn)重復(fù)6次。測(cè)量過(guò)程中，每次稱(chēng)重需要對(duì)電子秤進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)，并佩戴試驗(yàn)用手套，以防止手上的汗液沾到霧化裝置上影響測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析見(jiàn)表2。

表1　系統(tǒng)測(cè)試條件

圖10　霧化吸入治療控制系統(tǒng)手板

表2　系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集與分析

從表2測(cè)試結(jié)果可以看出，99.7%的霧化量（即正態(tài)分布圖中的±3σ范圍）能達(dá)到40 mg±10%，滿(mǎn)足要求。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套小劑量霧化吸入治療控制系統(tǒng)，在電路設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，制作了基于STC單片機(jī)的PCB板實(shí)物，并設(shè)計(jì)與編寫(xiě)了相應(yīng)的軟件程序。最后，對(duì)該系統(tǒng)的霧化量控制精度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)霧化過(guò)程的控制，小劑量霧化量達(dá)到預(yù)定控制要求。

參考文獻(xiàn)

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[5] 郭蘭英,趙祥模.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

The Small Dose of Inhalation Therapy Control System Based on STC Microcontroller

Wang Changming Quan Yanming Guo Qingda

(Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology)

The inhalation therapy is a new method of medicine inspiration treatment. At present, most of medical nebulizers have not the function of discontinuous control with small dose. By using high-performance STC MCU as core, authors design an atomizing control system. The paper describes the basic structure of the system, including hardware and software design in detail, and the test scheme. The circles, current, and environmental temperature could be displayed immediately. Experimental results show that the system can control the atomizing process effectively, and the atomizing value also meet the design requirements.

STC Microcontroller; Inhalation Therapy Control; Sensor

王昌明，男，1991年生，碩士研究生，主要研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器等。

全燕鳴（通訊作者），女，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：精密制造技術(shù)與裝備、現(xiàn)代檢測(cè)及故障診斷等。E-mail: meymquan@scut.edu.cn

郭清達(dá)，男，1986年生，博士研究生，主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺(jué)等。