便携式双控灌洗仪的结构及控制系统设计

冯泽锐，张志强，曲明亮，于 恒

(北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192)

0 引言

灌洗仪是一类使用率很高的医疗仪器，临床多应用于刺激肠蠕动、腹部的特殊检查、稀释和清除肠道内有害物质、手术前的清洁灌肠以及小儿肠套叠整复等诊断和治疗操作。大型医用灌肠仪价格昂贵、结构复杂，不利于携带；简易灌洗仪在使用时不能调节灌洗液的温度、压力和流量[1]，容易出现漏液，增加患者的不适感。

本文设计了一种便携式双控灌洗仪，它是集微型蠕动泵、加热带、药液目标温度及使用时间显示屏、防回流装置、防导管脱落等措施为一体的装置，具有携带方便、可调温调压等特点[2]，有较高的实用价值。

1 整体结构设计

借鉴文献[3]，本文设计的便携式双控灌洗仪由容器瓶、压力控制系统、温度控制系统、导管系统4大部分组成。容器瓶由装配盖、瓶体、外壳、刻度仪及底座安装板组成；压力控制系统由微型蠕动泵、防回流装置及线路板组成；温度控制系统由加热带、温度传感器及OLED显示屏组成；导管系统由导管、鲁尔单向阀及软管接头组成。

灌洗仪的三维模型如图1所示。

图1 便携式双控灌洗仪的三维模型

图1中各部分功能如下：外壳1，通过隔离加热片与外界的热量交换，从而达到减少热量损失的作用；显示屏2，显示灌洗仪的实时温度和目标温度；按钮3，控制灌洗仪的工作状态；按钮4，流量和温度加键，当按钮3切换到OFF状态，这时控制的是目标温度增加，当按钮3切换到ON状态，这时控制的是流量增加；按钮5，流量和温度减键，当按钮3切换到OFF状态，这时控制的是目标温度减少，当按钮3切换到ON状态，这时控制的是流量减少；出液口6，连接输液管并设有单向阀，能够防止回流现象发生。

灌洗仪的剖面如图2所示。

其中，微型蠕动泵内安装了12 V的安全电机，容器瓶底部两侧的进液管和出液管安装有防返流阀，容器瓶的瓶体和外壳间放置有12 V的加热带。

图2 便携式双控灌洗仪剖面

2 加热带功率的确定

在便携式双控灌洗仪的整体结构设计中，加热带和微型蠕动泵的选型成为重点，其中加热带功率决定着灌洗仪的温控效果，微型蠕动泵电压的选择影响着灌洗仪流量调节的范围。

考虑到便携性，兼顾加热时间和流量控制需求，选择工作电压为12 V的加热带和蠕动泵。

加热带功率确定需考虑以下几个因素：

1) 热损耗。一般热损失主要来自被加热液体表面的散热、内壁材料的热量吸收以及透过内壁材料的散热这3个方面。本文中的灌洗仪工作时是个密闭的空间，加热带与外壳间是真空状态，且外壳内表面镀银，因而被加热液体表面的散热和透过内壁材料的散热可忽略不计，热损失只需计算内壁材料的热量吸收即可。

2) 目标温度。本文设定目标温度为36.7 ℃。

3) 总加热时间。首先预设加热时间范围，确定这个范围内的加热带功率，然后计算此功率下的总加热时间，跟设计需求的时间进行比较，从而调整加热带功率的最佳值。

2.1 计算被加热液体吸收的热量

常温按20 ℃计，目标温度为36.7 ℃，灌洗仪的容量为600 ml，则加热液体需要的热量为

Qabsorb=c0m0Δt=4.208 4×104J

(1)

式中：c0为比热容；m0为液体质量；Δt为液体温度变化。在计算时可以将液体看作水，则通过计算得到液体的质量m0=0.6 kg，而水的比热容c0=4.2×103J/(kg·℃)。

2.2 计算保温材料吸收的热量

内壁材料是304不锈钢，容器的重量为300 g，则加热时不锈钢材料吸收的热量为

Qlost=c1m1Δt=2.505×103J

(2)

式中：c1=0.5×103J/(kg·K)为304不锈钢比热容；m1为容器质量；Δt为温度变化。

2.3 加热带功率的选定

根据热平衡条件，加热带发出的总热量为

Q=Qabsorb+Qlost=4.458 9×104J

(3)

加热效率为

(4)

假定加热时间为15～20 min，加热带的最小功率为

(5)

加热带的最大功率为

(6)

由式(5)～(6)，当加热带功率在37.1 ～49.5 W时，可满足加热时间要求，故最终选取的加热带功率为40 W。

2.4 计算总加热时间

总加热时间包括加热带加热时间和导热时间，当加热带功率为40 W时，加热时间为

(7)

导热方式采用单层圆筒加热，导热的材料为304不锈钢，导热系数λ=16 W/(m·K)，因而按单层圆筒壁热传导公式计算热流量。图3为单层圆筒壁的导热示意图。

图3 单层圆筒壁的导热示意图

设圆筒的内半径为r1，外半径为r2，长度为L，圆筒壁外温度为t1，圆筒壁内温度为t2。若在半径为r处取一微分厚度dr，则传热面积Α=2πrL,可以看成是常数。由傅里叶定律，通过这一微分厚度dr的圆筒壁热流量为

(8)

整理后得

(9)

已知圆筒长度L=140.7 mm，圆筒的内半径r1=74 mm，圆筒的外半径r2=75.4 mm,圆筒壁外温度t1=180 ℃(即加热带表面的最大干烧温度)，圆筒壁内温度t2=36.7 ℃，则圆筒壁热流量

(10)

选用加热片的额定功率为P=40 W，因Φ≫P，导热时间可忽略不计，则灌洗仪内液体加热到目标温度总时间为19 min。加热总时间在预期范围之内，故加热带功率40 W为最佳值。

3 控制系统设计

3.1 系统结构

控制系统主要由MCU模块、驱动模块、温度采集模块、显示模块、按键模块、电源模块组成[4]。系统框图如图4所示。

图4 系统框图

3.2 功能模块

3.2.1 MCU模块

MCU采用STM32F103VET6单片机作为控制核心[5]。相比于大多51单片机，它有着高性能、低成本、低功耗的优势，使用arm内核，集成了非常丰富的接口、通信以及其他功能模块，基本不需要外部的硬件扩展。

3.2.2 驱动模块

驱动模块包括加热和流量调节。

加热采用的是环形硅胶加热带，其加热原理是通过运算控制MOS管的工作时间[6]，电路原理如图5所示。MOS管U2的G极接单片机，若G极为高电平，电路导通，加热带开始工作，灌洗仪处于加热状态；同时系统通过温度传感器获取液体温度，单片机将对设定的目标温度和当前温度进行比较，若当前温度达到设定温度，G极变为低电平，电路截止，加热带停止工作，此时处于保温状态。

图5 加热模块电路原理

流量调节采用的是微型蠕动泵中12 V直流电机，通过调整所输入PWM波的占空比[7]，来控制直流电机的转动速率，从而达到控制流量大小的目的。

3.2.3 温度采集模块

温度采集模块主要由3线温度传感器PT100和RTD数字转换器MAX31865组成。PT100测温时，其内部电阻器的阻值随温度变化而变化，MAX31865将PT100内的电阻与基准电阻之比转换为数字输出。PT100采集温度的范围为-200～450 ℃，显示精度为0.1 ℃。电路原理如图6所示。

3.2.4 显示模块

为了显示加热状态和实时温度，实现良好的人机交互功能，显示模块采用的是0.96寸的7针OLED显示屏。此显示屏具有功耗低(正常全屏显示汉字0.06 W)、体积小、分辨率高(128×64)等特点，可使用SPI通信方式，IO占口少。电路原理如图7所示。

图6 温度采集模块

图7 OLED显示模块

3.2.5 按键模块

3个按键分别控制启动、流量(温度)加、流量(温度)减。当按下启动键时，加热带开始加热，如果未达到目标温度，启动按键的指示灯就会慢闪，达到目标温度时，启动按键的指示灯关闭，提醒用户可以开始使用。电路原理如图8所示。

图8 按键模块

3.3 主程序设计

灌洗仪开机后，首先进行系统初始化，然后用户根据需求通过按键设定目标温度及流量大小。当温度达到要求后按键指示灯会进行提示，用户可以开始使用，从而实现温度控制和流量调节。系统的主程序流程如图9所示。

图9 系统主程序流程

4 功能测试

通过3D打印机打印结构零件，组装后进行温度控制和流量调节测试[8]。测试中，灌洗仪按预定要求成功完成灌洗任务，验证了该装置的可行性。对加热时间、最小和最大流量进行测试，目标温度设定为36.7 ℃，水初始温度为20 ℃，水的体积为600 ml，测试所得数据如表1所示。

表1 测试数据

从表1可以看出，实际加热时间与理论时间有

偏差，但基本满足设计需求，后续可以通过在内部安装搅拌装置，缩短加热时间。表1中的最小流量，是以水为介质进行试验测得的数据，而一般药液的粘稠度比水高，实际应用中最小流量值会小于6.7 ml/min，基本满足设计需求。

5 结束语

通过对现有医用灌洗产品调研分析，本文设计了一款便携式双控灌洗仪，与现有产品相比具有以下优点：1)结构上小下大，小巧便携，放置稳妥安全，且加热和动力调节装置不直接与容器内液体接触，无污染。2)系统具有良好的温控性能、速控性能和自动操作性能。

为了优化用户体验，下一步可以在缩短加热时间及提高机器的智能化方面进行改进。