基于STM32F4的智能配液机设计与实现

李长有，张攀

河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454003

引言

静脉用药调配中心靠人工使用注射器配液，配液过程存在效率低、精度差、劳动强度大的缺点。提高静脉用药调配中心的配药效率及精度对提高临床的药品质量和药品服务有至关重要的作用[1-3]。在某些生化、理化实验室经常使用到蠕动泵抽液、排液、滴液。蠕动泵具有无污染、精度高、密封性好、双向同等输送液体的能力[4-5]。

传统的蠕动泵机械结构简单，功能简单，不方便操作，且不方便更换弹性软管。本文设计的智能配液机主要分为两部分：远程手柄系统和主机系统。手柄内部的蓝牙装置和主机内部的蓝牙装置连接配对，在主机触摸屏选择不同的工作模式之后，通过按动手柄按键控制主机工作。配药人员也可以通过操控触摸屏的按钮控制主机工作。

主机控制系统采用STM32F407高性能32位主控芯片控制辊组步进电机运行，可精确地定量抽/排药液，实现静脉用药调配中心数字化配液。如长时间抽/排药液，弹性软管的弹性会有所下降，不能恢复到最初的形状，所以要定期的更换弹性软管[6-7]。配药人员通过操控触摸屏可以轻松实现更换弹性软管。

1 主机硬件系统设计实现

传统的蠕动泵存在更换软管操作复杂的问题，本文设计的配药机通过触摸屏点击按钮即可实现轻松换管。需要更换弹性软管时，只用点击触摸屏上的“换管推出”按钮，即可方便更换软管。本文设计制作的配液机如图1所示。

图1 主机机械主体

2 智能配液机工作模式

配液机具有自动、手动、定量、连续、标定等工作模式。配液机主控芯片STM32F4搭载μC/OSIII嵌入式操作系统，支持多任务处理，可以实现主机复杂的功能[8-17]；搭载emWin图形库，可以设计制作炫丽的图形[12-14]；搭载的FATFS嵌入式文件系统可以根据需要记录主机的工作数据[13]。

（1）自动模式：点击某个按键之后，主机开始抽液或排液，松开此按键配液机仍处于工作状态，再次点击任意按键之后配液机停止工作。此种模式适合大量药液的转移。

（2）手动模式：点击某个按键之后，主机开始工作，松开此按键主机停止工作。此种工作状态需要按键一直处于按下状态，一旦松开按键，配液机就停止工作。

（3）定量模式：需要单次定量抽/排药液时，通过触摸屏设置工作量x（mL），点击手柄按键之后主机开始工作，当主机抽/排药液量达到设置的工作量时，自动停止；也可以点击触摸屏上的“点击启动”按钮，之后配液机开始工作，抽/排设置的工作量之后自动停止。

（4）连续模式：配药人员在配置小容量西林瓶、安瓿瓶时，需要频繁地拔插针头，极为费事耗力。连续模式可以解决这一难题。此种工作模式下需要设置4个参数：间隔时间 t1（s）、间隔时间 t2（s）、循环次数 N、工作量 x（mL）。按下手柄按键之后配液机开始工作，当抽/排液体量达到所设置的工作量x后暂停工作，等停止时间达到t1秒之后配液机再次启动，如此循环N次之后配液机暂停工作，结束本次循环，等停止时间达到t2秒之后，配液机又开始启动继续下一次循环。配液机在工作的过程中，无论是处于工作状态，还是处于暂停状态（t1暂停或t2暂停），再次点击手柄任意按键都会结束本次任务。根据配液人员的熟练程度设置时间t1和托盘中西林瓶、安瓿瓶的个数设置循环次数N。通过触摸屏也可以完成此种工作模式。

（5）标定模式：该模式下可以调整主机的工作速度和流量精度。通过标定某些特定量的脉冲数可以精确调节定量抽/排药液的量。特殊的标定分解算法可以获取输入任意数值下的脉冲数，通过控制步进电机的脉冲个数实现精确控制抽/排药液的量。图2为配药人员使用配液机样机配液。

图2 样机试用

主机在定量和连续模式时抽/排的药液量必须精确。除了保证硬件机械加工精度外，软件中控制定量的算法更为重要。软件中不是通过求平均数值方法得到的脉冲数，如100 mL对应50000个脉冲，那么1 mL就对应500个脉冲；而是通过设置固定几个量的脉冲数，然后通过不同的组合来得到所需要的量。

3 手柄工作原理设计

手柄的机械结构要卡紧针头，方便配药人员插进药瓶中。手柄控制系统靠电池供电，为了节省电量，手柄电路控制系统必须有低功耗节能处理。手柄内部为精密微振传感器，当手柄长时间静止放置，手柄内部的STC15F104E在一定时间内没有检测到震动信号，就会进入休眠模式。手柄内部工作原理如图3所示。手柄工作过程中会产生轻微的晃动，震动开关工作时，P3.2接收的是低电平信号；震动开关不工作时，P3.2接收的是高电平信号。手柄处于工作状态时，KEY1或KEY2被按下或者手柄在医护人员手中受到晃动，P3.2、P3.3、P3.4接口电平发生变化。STC15F104E通过检查P3.2、P3.3、P3.4的电平信号来判断手柄是否处于工作状态。若连续一段时间内检测P3.2、P3.3、P3.4都是高电平信号，那么就认为手柄处于静止不工作状态，这时STC15F104E的P3.5接口输出低电平通过三极管Q1切断蓝牙模块的电源，自身也进入休眠状态，手柄系统进入低功耗模式。

图3 手柄工作原理图

当手柄受到外界震动时，P3.2接收到低电平信号，唤醒STC15F104E，然后通过P3.5输出高电平接通蓝牙模块的电源，蓝牙模块得电后进入自动连接模式，配对后进入正常工作状态。P3.2、P3.3、P3.4是STC15F104E的外中断0、外中断1、外中断2，这三个I/O口任意一个接收到低电平信号后都会唤醒单片机的休眠。若拿起手柄的动作比较轻缓并没有使震动开关接通，按动了其中某一个按键，也可以唤醒单片机的休眠。

4 手柄控制系统的实现

配药人员通过手柄可以实现无方式控制主机工作。手柄软件工作流程图如图4所示。

（1）通过触摸屏选择自动工作模式，等待手柄蓝牙跟主机蓝牙之间的配对连接，实现一对一通信。实际测试中大概1～3 s主从蓝牙可以正常配对连接。

（2）选择主机工作方式，自动、手动、定量、连续其中一种。主机面板按下不同的按钮，主机蓝牙发送不同的字符，手柄蓝牙判断接收的字符，进入不同的控制模式状态。

（3）通过按动手柄按键控制主机进行抽液或者排液。

（4）长时间静止放置，没有震动或者输入信号，手柄自动进入休眠模式。

图4 手柄工作流程

（5）再次使用时，晃动手柄或按动按键唤醒休眠模式进入正常工作状态。

（6）手柄工作时蓝牙处于自动连接模式，自动搜索周围蓝牙设备，根据预先设置的蓝牙名字密码进行配对连接，跟主机蓝牙配对连接之后便可控制主机工作。

5 临床实际应用效果及流量控制

实际操作时，配药人员可以通过手柄控制主机工作或者通过触摸屏控制主机工作。手柄操作或触摸面板操作都可以实现相同的定量效果。使用时一人负责把软管一端插进药瓶或药袋中，另一人操作手柄负责把药液抽排到另一个药瓶或药袋中。配液机在医院实际使用效果如图5所示。

图5 使用效果图

在实际使用中，最关心的是配液机的流量，通过调节步进电机转速可以改变配液的最大抽排药液的速度。在标定界面下，修改“转动速度”参数（步进电机最大工作频率）可以改变最大抽排药液速度。标定界面参数如图6所示。

图6 标定界面

在自动模式模式下测试蠕动泵的流量，启动主机，开始计时，达到100 mL时立即停止主机工作，通过秒表记录时间来测算实际流量。辊组直径D=42 mm，蠕动泵软管内径为4 mm。

表1 频率与实际流量关系

实际使用时速度不宜过快。若拔出针头时不够迅速会造成药袋充入过多空气，出现鼓包现象。实际使用时，9～10 mL/s是最佳抽排药速度。

6 总结

本论文致力于研制一台能在静脉用药调配中心运行的配液机，能够实现无线操控、触摸操控、精确定量、方便校准、更换软管等功能。通过无线手柄操控实现了对主机的远程操作，无线手柄除了具有基本的无线通信功能外，还可以实现自动休眠触碰唤醒功能，触摸屏友好的人机界面可以方便配药人员操控，实现数字化配液。该配液机样机在某医院经过长时间试运行，得到了预期效果，最后批量制作了第一代配液机。