智能恒温遥控注射装置的设计与实现

刘晓龙，何梦晓，刘方玉，胡容博，侯 钦，许思毛*

（1.广西师范大学，广西桂林 541006；2.新疆师范大学，乌鲁木齐 830054；3.乌鲁木齐市第四人民医院设备科，乌鲁木齐 830002；4.慕尼黑工业大学建筑实现与机器人学教研室，德国慕尼黑 80333；5.汕头大学医学院第二附属医院消化内科，广东汕头 476000）

0 引言

当前医护人员在为隔离患者输液、换药时需频繁进入高危环境内，导致感染风险增加，并且部分治疗药物如丙种球蛋白、α-干扰素、糖皮质激素等对贮存温度有要求的药液在转运或长时间注射过程中受温度影响较大，温度过高或过低都会影响药物的生物活性[1]。

目前已研制的遥控注射设备在微创脊柱外科手术与各类X 射线造影检查中已有初步应用[2-5]，但无法长时间保存有贮存温度要求的药液。为此，本实验设计并实现了一种基于单片机的智能恒温遥控注射装置。本装置以STC89C52 单片机为控制核心，采用DS18B20 温度传感器实时反馈药舱内药液温度，以模糊算法为基础并进一步结合比例-积分-微分（proportion-inteegration-differentiation，PID）控制，通过操控H 桥电路以驱动氧化铝高温陶瓷发热片与半导体制冷片，进而对药液进行恒温储存。步进电动机受红外遥控指令操控，可替代人手推注以实现遥控注射功能。经实验证明，本装置药舱温度稳定，遥控注射精度较高，可满足多种领域的需要。

1 恒温遥控注射装置设计

1.1 硬件设计

本装置采用模块化电路设计，由主控模块、红外遥控模块、注射模块、智能温控模块、显示模块和参数设置模块等组成，如图1 所示。

图1 恒温遥控注射装置组成框图

1.1.1 主控模块

主控模块以STC89C52 单片机为核心，该单片机为互补型金属氧化物半导体（complementary metaloxide-semiconductor，CMOS）型 8 位处理器，可在低电压条件下工作并具备在线编程功能，具有抗干扰强、功耗低、速度快、价格低等优点[6]。其通用IO 管脚能与MCS-51 型单片机的指令集较好兼容。

1.1.2 红外遥控模块

红外遥控模块由发射、接收两部分组成。当按下按键产生发射指令时，载波为38 kHz 的信号由控制器发出并传递给红外发射二极管，红外接收部分通过红外线接收头接收后解码并执行相应指令[7-8]。

红外信号发射器由遥控集成电路、按键矩阵、红外发射二极管、电源等组成，实物如图2 所示。脉冲信号通过遥控指令编码器加工后转换为遥控编码脉冲，由载波实现脉冲幅度调制（pulse amplitude modulation，PAM），红外发射二极管被载有遥控指令的调制信号激励后发射出红外信号。

图2 红外信号发射器实物图

接收部分由红外一体化接收电路构成（如图3所示），主要包括红外接收二极管、解调器、循环控制电路、前置放大电路和带通滤波器。其中HX1838 型红外接收二极管电压为2.7～5.5 V，采用环氧树脂塑封，具有功耗低、抗干扰强、灵敏度高等特点，能匹配COMS、TTL（transistor-transistor-logic）电路[9]。

图3 红外一体化接收电路框架图

1.1.3 智能温控模块

智能温控模块由温度采集与温度控制2 个部分组成。

温度采集部分选用DS18B20 单线数字传感器，其测量区间为-55～125 ℃，精度高达±0.5 ℃，电压范围为3.5～5.5 V，连接于单片机P3.4 端口，通信只需一条输入输出线[10-11]，具有抗干扰强、体积小、精度高、易配处理器、功耗低等特点[12]。传感器DQ 引脚穿过上拉电阻后与单片机P3.4 接口相连，VCC 引脚接电源，GND 引脚接地。时钟脉冲信号由低温度系数振荡器输出后在高温度系数振荡器产生的门周期内进行次数记录，计数器将低温度系数振荡器的脉冲进行运算得出温度数值。传感器内部构架如图4 所示，温度采集电路如图5 所示。

图4 DS18B20 内部构架

图5 温度采集电路

温度控制部分元件选用XH-C1206S 半导体制冷片与CT-JRP404020 氧化铝陶瓷发热板。XHC1206S 制冷片电压为12 V，功率为72 W，在全固态制冷领域内有广泛应用，具有体积小且无滑动部件、噪声小等优点[13]。根据Peltier 效应，热量转移会发生在直流电通过的2 种不同半导体材料串联而成的电偶两端之间[14]，因此为进一步降低半导体冷端温度，在装置热端安装散热片与微型风扇。CT-JRP404020氧化铝陶瓷发热板电压为12 V、功率为18 W，具有绝缘性好、体积小、热效率高等特点[15]。温度传感器采集的药舱温度高于预设值时将制冷片端继电器闭合，发热板端继电器断开进行制冷，反之进行制热。温度控制电路如图6 所示。

图6 温度控制电路

1.1.4 注射模块

注射模块由驱动芯片、步进电动机、传动部件3个部分组成。单片机传出的控制信号输入驱动芯片，经放大后进入步进电动机。步进电动机轴与精密丝杆通过联轴器相连，因此精密丝杆可跟随步进电动机轴同步旋转。精密丝杆上的内螺纹块与精密滑杆上的滑块连为一体，当精密丝杆旋转时，可带动内螺纹块与滑块、注射器推杆顶块、注射器推杆卡槽组成的复合体在水平面内做直线运动。注射器针筒由于被固定在注射器卡槽内，而注射器推杆柄被固定于注射器推杆卡槽内，因此传动部件整体可将步进电动机转子的圆周运动转换为注射器推杆的直线运动，从而执行药液输注。当注射动作完成或复位完毕时滑块触碰限位开关实现限位保护。注射电路如图7 所示，注射模块实物如图8 所示。

图7 注射电路

图8 注射模块实物图

（1）驱动芯片。驱动芯片选择ULN2003AN，其采用达林顿阵列设计与塑封工艺，能直接处理以往依靠标准逻辑缓存器处理的各种数据，具有工作电流大、电压高的特性[16]。

（2）步进电动机。电动机采用28BY-J48 型步进电动机，其电压为5 V，轴径为5 mm，减速比与步进角度分别为1/64 和5.625°，电动机轴通过联轴器与滑台的精密丝杆相连。

（3）传动部件。传动部件包含联轴器、精密丝杆、精密滑杆、电动机座、注射器推杆顶块、滑块、内螺纹块、丝杆支架、滑杆支架、注射器卡槽和注射器推杆卡槽。其中丝杆选用0.25 mm 螺距精密丝杆，滑杆选择1 mm 直径精密滑杆。

1.1.5 显示模块

显示模块包含温度显示与注射显示2 个部分。温度显示选用LCD1602 液晶显示器，经编码后可显示药舱实时温度、预设最高温度、预设最低温度等信息[17]。LCD1602 显示内容多样，驱动也较为方便，是一种应用广泛的字符型液晶显示器。为了消除错误显示以及调节液晶显示器的对比度，在V0 端口接入电位器进行调整。温度显示电路如图9 所示。注射显示采用3641BS 型四位一体共阳辉光管，该管能在小电流与低电压条件下工作，体积小且采用固态封装。其正常电流20 mA，屏显尺寸为0.36 in（9.144 mm），经编程后能显示步进电动机转向、预输注液体总量、注射速度等信息。注射显示电路如图10 所示。

图9 温度显示电路

图10 注射显示电路

1.1.6 参数设置模块

温度参数设置采用3 个轻触式机械开关实现，当按下时电路导通。本装置运行时单片机对按键进行扫描以判别开合状态，实现数据导入。其3个开关分别接入单片机P1.1、P1.2、P1.3 端口，依次控制增加预设温度、降低预设温度、切换选择预设最高温度/预设最低温度。注射参数设置依赖红外发射器实现，通过按键矩阵中的输液总量设置键、输液总量增加键、输液总量减少键、数字按键设置液体输注总量，通过加速键、减速键可预选注射速度。

1.2 软件设计

软件采用Keil 进行设计，编程语言为C 语言。考虑到控制功能的优劣决定设备的恒温能力，故选用模糊算法为基础控制算法，其具有无需建立数学模型、实时控制性好且鲁棒性强等特点[18]。在此基础上结合PID 控制，大大提升了稳态与动态效果。其中智能温控流程如图11（a）所示。在工作前预先设置温度参数，工作时传感器采集药舱温度数据后发送至单片机，通过操控H 桥电路以驱动氧化铝高温陶瓷发热片与半导体制冷片，对药舱实施温控，电路循环工作直到稳定药舱温度处于设置区间内。遥控注射流程如图11（b）所示，系统初始化后可按下红外信号发射器上的输液总量设置键进入输液总量选择界面，此时按下遥控面板上的数字键或输液总量增加/减少键可调整输注液体的总量，设置精度为0.1 mL。药液推注速度可选择范围为1～1 200 mL/h，在此区间内，可以1 mL/h 为一挡按需调节注射速度。当预设药物总量输注完毕、一次性注射器内药液全部注射完毕、操作者通过红外信号发射器键入暂停指令时，注射模块则停止工作。此时按下复位键，电动机反转带动注射器推杆卡槽倒退复位。

2 恒温遥控注射装置具体实现

图11 软件控制流程图

本装置使用12 V、2 A 外接电源，采用2 mm 厚聚甲基丙烯酸甲酯板制作外壳，为保证温控效果，在药舱内部铺设非交联闭孔结构的聚乙烯发泡棉，壳体缝隙填充聚氨酯密封剂。各部件连接关系与原理构造如图12 所示。整个装置通过轻触式机械开关预先设置期望温度区间，温控电路循环工作以将药舱温度稳定于设置区间内。当有注射需求时可使用红外信号发射器提前设置液体输注总量与注射速度，随后进一步操控装置完成注射动作，药液通过预先埋入机体的留置针进行输注。

图12 装置原理构造三视图

3 测试与结果

本装置于2020 年1—4 月在广西师范大学运动医学实验室完成设计与制作，经多次调校后各功能模块运行稳定，暂无故障发生，实物如图13 所示。应用测试于2020 年4 月在新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院完成，主要测试恒温功能与遥控注射功能。

图13 智能恒温遥控注射装置实物图

3.1 恒温功能测试

为了测试装置的温控效果，在密闭空间进行测试。开机后通过参数设置按键将温度预设值设定为2～8 ℃后依次置入 35、5、-15 ℃的环境温度中，随后选用testo 905T1 电子测温计记录液体推进器内药液温度变化数据并绘制曲线。经初步试验，本装置能够在不同室温下对药液进行恒温保存，测试结果如图14 所示。

3.2 遥控注射功能测试

首先测试红外发射与接收功能，启动红外信号发射器，通过遥控发射模块键入指令，发射管上的载波波形通过RIGOL DS1102ZE数字示波器测试，结果如图15 所示。随后通过机械按键依次输入开始、暂停、加速、减速等指令，驱动器PWM 波输出波形如图16所示。

随后将本装置吸入蒸馏水后进行遥控注射功能测试，结果显示注射器推杆及推杆卡槽在工作行程中运行平稳且全程无摩擦与异响，液体输出均匀。装置注射精度采用Infutest 2000 型输液泵分析仪进行测量，分别选取1、3、5 mL/h 3 种注射速度进行采样间隔为30 s、共计60 min 的流量测量[19]。将预设注射速度与实际注射速度数据汇总后利用流量示值相对误差公式：δ=（Qi-Q0）/Q0（其中Qi为测试仪所测流速，Q0为受测仪器设定流速，δ为示值相对误差）计算得到示值相对误差为4.78%。

以上测试结果表明，本装置遥控灵敏，驱动波形完全正确，传动部件能将步进电动机转子的圆周运动转化为注射器推杆卡槽的直线运动，装置控制液体输注的精准度较高，可以实现对常用药液进行遥控注射。

图14 不同模拟室温下药舱内药液温度变化曲线

图15 加载到红外发射二极管上的载波波形

图16 智能恒温遥控注射装置PWM 波波形

4 结语

本装置实现了最初实验设计的智能温控与遥控注射功能，药液储存在药舱内可恒温保存并可随时接收遥控指令通过留置针进行注射。经测试，本装置运行良好、性能稳定，可按预设参数对药液进行温控并精准完成开始、暂停、加速、减速、倒退复位等注射指令，液体输注精度较高。此外，本装置可驳接一次性注射器，具有方便更换、成本低廉等优点。与传统手动注射相比，本装置控制药液输注速度更为均匀，并可在各种高危环境下代替人工操作以减少职业暴露次数。操作者可透过隔离玻璃实时观察注射效果，灵活把控注射药物总量、注射时机与注射速度。另一方面，在室温过低的环境下，本装置可对无温储要求的药液进行加热后恒温保存，以避免输注药液过于冰冷刺激机体产生不适感，未来可广泛应用于X 射线造影检查、临床治疗、生化研究等多个领域。但本装置尚未进行大规模人体试验，故其可靠性与稳定性还有待验证。下一阶段研究将进行临床试验并着力于结合自动静脉穿刺机器人技术，不断改进以助力实现机械完全取代传统手工注射。