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【摘要】文章基于微电脑智能控制原理，采用单片机程控驱动输注装置技术，设计并制作了一种用于术后病人减轻疼痛感觉的智能化电子镇痛泵。使用atmel公司生产的加强型AT89C51系列单片机，该芯片具有较高的稳定性和性价比的优势，广泛应用于各类医疗器械设备仪器中。并采用步进电机程控方式，实现了镇痛药物的精准输注，保证了病人在使用时的安全、便捷与最佳的镇痛效果。
【关键词】微电脑智能控制;atmelAT89C51单片机;步进电机程控;安全镇痛
The design of the intelligent medical electronic analgesia pump
Guo Yao Qiang ， Lu zhizeng
（Henan tuoren medical equipment group co.，LTD，Henan xinxiang）
Abstract：Article，on the basis of the principle of microcomputer intelligent control adopts single-chip microcomputer program control drive technology infusion device，designed and produced a feeling for postoperative patients alleviate the pain of intelligent electronic analgesia pump.Using atmel company produces the enhanced AT89C51 MCU series，the chip has the advantages of high stability，and cost-effective，widely used in all kinds of medical instrument equipment instrument.Using step motor and photoelectric coding SPC infusion，realized the accurate infusion of analgesic drugs，ensure the safety of the patient when use，convenient，and the best analgesic effect.
Key words：Microcomputer intelligent control;AtmelAT89C51 microcontroller;Stepper motor program;Safe analgesia
一、引言
電子泵是一种能够准确控制输液滴数或输液流速，保证药物能够速度均匀，药量准确并且安全地进入病人体内发挥作用的一种仪器。同时，输液泵还能提高临床给药操作的效率和灵活性，降低护理工作量。输液泵通常是机械或电子的控制装置，它通过作用于输液导管达到控制输液速度的目的。常用于需要严格控制输液量和药量的情况，如在应用升压药物，抗心律失常药药物，婴幼儿静脉输液或静脉麻醉时。
二、电子镇痛泵的总体架构设计
本系统结构就是采用微机系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置控制，控制药液输送并进行异常报警的设计。在详细的了解了设计要求后，通过资料的查阅，对各部分功能的掌握以及以往输液器成品的了解，在反复比较和计算的前提下，建立了总体方案的框图，如图1所示。
图1 总体方案框图
总体上确立了以单片机芯片为核心的框架，通过按键启停和过程中的调速命令传达给单片机从而控制步进电机的启停，进而控制推注结构而使液体流速的改变。显示部分采用数码管显示方式，可以显示滴速等信息。输液前，当导管中有气泡时，按2秒钟增进键后快速推进，自动排气，流液灯闪亮，延伸管口出液时止。当输液过程结束、报警器报警，之后通过按键可以使输液过程复位并进入调整状态。
三、硬件系统的设计
（一）单片机的选用
总体设计的硬件核心--单片机。实际中，MCS-51系列单片机价格低廉，派生产品数量众多，便于开发，在一般领域，其性能能满足大部分的需要，目前应用最广泛，在相当长的一段时间内仍将是主流。AT89系列单片机各类型号均以MCS-51为核心发展而来，AT89c51单片机是AT89系列的主流，使用非常广泛。89C51各类型号外部引脚相互兼容，89C51实际有效引脚为40个。具有PDIP、TQFP、PLCC三种封装形式，以适应不同产品的需求，使用时均需插入与其对应的插座中。如图2所示：
图2 AT89c51单片机
由于供应以及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此出现了需要与可能的矛盾，这就可以给出的一些信号的引脚赋予第二功能来解决。
1.I/O引脚（32条）
P0.0--P0.7：P0口8位准双向口线。
P1.0—P1.7：P1口8位准双向口线。
P2.0--P2.7：P2口8位准双向口线。
P3.0--P3.7：P3口8位准双向口线。
（二）控制引脚（4条）
1.ALE/PROG
地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE输出的信号用于控制锁存器把P0口输出的低8位地址锁存起来，配合P0口引脚的第二功能使用，以实现低位地址和数据的隔离。正常操作时因能按晶振频率1/6的固定频率，从ALE端发出正脉冲信号，所以有时可以加以利用，但应注意，每次访问外部数据存储器时，会少输入一个ALE脉冲。此引脚第二功能是对内部程序存储器固化程序时，作为编程脉冲输入端。 2.
外部程序存储器读选通信号。在读外部程序存储器时，有效，发出低电平，可以用作对外部程序存储器的读操作选通信号。
3./Vpp
访问程序存储控制信号。当信号为低电平时（=0），CPU只执行外部程序存储器指令;而当信号为高电平时（=1），则CPU优先从内部程序存储器执行指令，并可自动延至外部程序存储器单元。对于E2PROM型单片机（89C51）或EPROM型单片机（8751），在E2PROM或EPROM编程期间，第二功能Vpp引脚用于施加一个+12V或+21V电源。
4.RST/VPD RST是复位信号输入端，当RST端输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平是，单片机完成复位初始化操作;第二功能VPD是备用电源引入端，当电源发生故障引起电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。
（三）时钟引脚（2条）
XTAL1为外接晶振输入端，XTAL2为外接晶振输出端。当使用芯片内部时钟时，此两个引线端用于接外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
（四）电源引脚（2条）
Vss：地线：Vcc：+5V电源。
四、单片机与步进电机的电路连接
步进电机需要驱动芯片来驱动，步进电机有一定的布进角，由此可知步进电机转动一圈所需的脉冲个数。本设计采用的是四相步进电机，知，该步进电机有6根引线，其中，以下连线为其中的一根。由实际可知，步进电机的驱动芯片可采用ULN2003，这是一种高耐压、大电流达林顿管IC—ULN2003。
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还 可以在高负载电流并行运行。
ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
方框图如图3所示：
图3 方框图
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压=50V，电流=500mA，输入电压=5V，适用于TTL COMS，由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。
比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。
作用：
ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。
输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下：
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
五、软件架构的设计
假如说，硬件就是身躯，那么，软件就是思想和灵魂。软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。所以，必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能。软件各模块的相互连接需要主控模块对它们进行控制。按照主控模块的执行顺序来工作。这就是整个系统的软件方案。整个输液过程如图4所示：
图4 输液全过程流程
通过按键可以控制整个过程的启停，之后在预设参数下步进电机开始运转，当无气泡时，通过数码管可以显示输液的有关信息，在一切正常的情况下，输液过程停止;.当输液过程结束、报警器报警，之后通过按键可以使输液过程复位并进入调整状态。
初始化模块，输液速度，报警装置和时间都会被清零，电机回到初始位置。装置都处于默认状态。流程图如图5所示：
图5 初始化模块
六、步进电机的控制
失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系統以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。
步进电机控制速度图如图6所示：
图6 步进电机控制速度图
图中加、减速段近似于指数曲线，启动时速度逐渐加大可以避免冲击，加速到一定频率后恒速运行，快到终点时速度缓慢减小，直到走完规定的步数后停机，这样可以避免失步现象。步进电机启停调速流程如图7所示：
图7 步进电机启停的调速
七、结论
本文给出了基于微电脑程控输注药物镇痛的应用方案，该方案利用单片机在医用电子输注泵上的应用，系统采用微机电系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置控制，控制药液输送并进行异常报警的设计，实现了在低成本上多功能的应用，具有较高的输液精度和镇痛效果;满足现代医疗器械行业发展的需要，具有很好的应用前景。
参考文献
[1]王国辉.智能型医用输液泵及其应用[J].物理治疗与手术治疗，2002（3）56-58.
[2]周兴汉.一种新型输液泵硬件设计[J].计算机与现代化，2000（5）：61-36，76.
[3]黄丽明，陆爱姨.输液泵在ICU病房输液中的应用[J]. 广西医科大学学报，2006（6）.
作者简介：
郭要强（1980—），男，大学本科，高级工程师，现供职于河南驼人集团产品研究院。
卢志增（1987—），男，大学专科，工程师，现供职于河南驼人集团产品研究院。
【关键词】微电脑智能控制;atmelAT89C51单片机;步进电机程控;安全镇痛
The design of the intelligent medical electronic analgesia pump
Guo Yao Qiang ， Lu zhizeng
（Henan tuoren medical equipment group co.，LTD，Henan xinxiang）
Abstract：Article，on the basis of the principle of microcomputer intelligent control adopts single-chip microcomputer program control drive technology infusion device，designed and produced a feeling for postoperative patients alleviate the pain of intelligent electronic analgesia pump.Using atmel company produces the enhanced AT89C51 MCU series，the chip has the advantages of high stability，and cost-effective，widely used in all kinds of medical instrument equipment instrument.Using step motor and photoelectric coding SPC infusion，realized the accurate infusion of analgesic drugs，ensure the safety of the patient when use，convenient，and the best analgesic effect.
Key words：Microcomputer intelligent control;AtmelAT89C51 microcontroller;Stepper motor program;Safe analgesia
一、引言
電子泵是一种能够准确控制输液滴数或输液流速，保证药物能够速度均匀，药量准确并且安全地进入病人体内发挥作用的一种仪器。同时，输液泵还能提高临床给药操作的效率和灵活性，降低护理工作量。输液泵通常是机械或电子的控制装置，它通过作用于输液导管达到控制输液速度的目的。常用于需要严格控制输液量和药量的情况，如在应用升压药物，抗心律失常药药物，婴幼儿静脉输液或静脉麻醉时。
二、电子镇痛泵的总体架构设计
本系统结构就是采用微机系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置控制，控制药液输送并进行异常报警的设计。在详细的了解了设计要求后，通过资料的查阅，对各部分功能的掌握以及以往输液器成品的了解，在反复比较和计算的前提下，建立了总体方案的框图，如图1所示。
图1 总体方案框图
总体上确立了以单片机芯片为核心的框架，通过按键启停和过程中的调速命令传达给单片机从而控制步进电机的启停，进而控制推注结构而使液体流速的改变。显示部分采用数码管显示方式，可以显示滴速等信息。输液前，当导管中有气泡时，按2秒钟增进键后快速推进，自动排气，流液灯闪亮，延伸管口出液时止。当输液过程结束、报警器报警，之后通过按键可以使输液过程复位并进入调整状态。
三、硬件系统的设计
（一）单片机的选用
总体设计的硬件核心--单片机。实际中，MCS-51系列单片机价格低廉，派生产品数量众多，便于开发，在一般领域，其性能能满足大部分的需要，目前应用最广泛，在相当长的一段时间内仍将是主流。AT89系列单片机各类型号均以MCS-51为核心发展而来，AT89c51单片机是AT89系列的主流，使用非常广泛。89C51各类型号外部引脚相互兼容，89C51实际有效引脚为40个。具有PDIP、TQFP、PLCC三种封装形式，以适应不同产品的需求，使用时均需插入与其对应的插座中。如图2所示：
图2 AT89c51单片机
由于供应以及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此出现了需要与可能的矛盾，这就可以给出的一些信号的引脚赋予第二功能来解决。
1.I/O引脚（32条）
P0.0--P0.7：P0口8位准双向口线。
P1.0—P1.7：P1口8位准双向口线。
P2.0--P2.7：P2口8位准双向口线。
P3.0--P3.7：P3口8位准双向口线。
（二）控制引脚（4条）
1.ALE/PROG
地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE输出的信号用于控制锁存器把P0口输出的低8位地址锁存起来，配合P0口引脚的第二功能使用，以实现低位地址和数据的隔离。正常操作时因能按晶振频率1/6的固定频率，从ALE端发出正脉冲信号，所以有时可以加以利用，但应注意，每次访问外部数据存储器时，会少输入一个ALE脉冲。此引脚第二功能是对内部程序存储器固化程序时，作为编程脉冲输入端。 2.
外部程序存储器读选通信号。在读外部程序存储器时，有效，发出低电平，可以用作对外部程序存储器的读操作选通信号。
3./Vpp
访问程序存储控制信号。当信号为低电平时（=0），CPU只执行外部程序存储器指令;而当信号为高电平时（=1），则CPU优先从内部程序存储器执行指令，并可自动延至外部程序存储器单元。对于E2PROM型单片机（89C51）或EPROM型单片机（8751），在E2PROM或EPROM编程期间，第二功能Vpp引脚用于施加一个+12V或+21V电源。
4.RST/VPD RST是复位信号输入端，当RST端输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平是，单片机完成复位初始化操作;第二功能VPD是备用电源引入端，当电源发生故障引起电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。
（三）时钟引脚（2条）
XTAL1为外接晶振输入端，XTAL2为外接晶振输出端。当使用芯片内部时钟时，此两个引线端用于接外接石英晶体和微调电容;当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
（四）电源引脚（2条）
Vss：地线：Vcc：+5V电源。
四、单片机与步进电机的电路连接
步进电机需要驱动芯片来驱动，步进电机有一定的布进角，由此可知步进电机转动一圈所需的脉冲个数。本设计采用的是四相步进电机，知，该步进电机有6根引线，其中，以下连线为其中的一根。由实际可知，步进电机的驱动芯片可采用ULN2003，这是一种高耐压、大电流达林顿管IC—ULN2003。
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还 可以在高负载电流并行运行。
ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
方框图如图3所示：
图3 方框图
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压=50V，电流=500mA，输入电压=5V，适用于TTL COMS，由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，9脚可以悬空。
比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。
作用：
ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。
输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下：
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
五、软件架构的设计
假如说，硬件就是身躯，那么，软件就是思想和灵魂。软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。所以，必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能。软件各模块的相互连接需要主控模块对它们进行控制。按照主控模块的执行顺序来工作。这就是整个系统的软件方案。整个输液过程如图4所示：
图4 输液全过程流程
通过按键可以控制整个过程的启停，之后在预设参数下步进电机开始运转，当无气泡时，通过数码管可以显示输液的有关信息，在一切正常的情况下，输液过程停止;.当输液过程结束、报警器报警，之后通过按键可以使输液过程复位并进入调整状态。
初始化模块，输液速度，报警装置和时间都会被清零，电机回到初始位置。装置都处于默认状态。流程图如图5所示：
图5 初始化模块
六、步进电机的控制
失步和过冲现象分别出现在步进电机启动和停止的时候。一般情况下，系统的极限启动频率比较低，而要求的运行速度往往比较高。如果系統以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，轻则可能发生丢步，重则根本不能启动，产生堵转。系统运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其立即停止，则由于系统惯性作用，电机转子会转过平衡位置，如果负载的惯性很大，会使步进电机转子转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置，并在该位置停下。
步进电机控制速度图如图6所示：
图6 步进电机控制速度图
图中加、减速段近似于指数曲线，启动时速度逐渐加大可以避免冲击，加速到一定频率后恒速运行，快到终点时速度缓慢减小，直到走完规定的步数后停机，这样可以避免失步现象。步进电机启停调速流程如图7所示：
图7 步进电机启停的调速
七、结论
本文给出了基于微电脑程控输注药物镇痛的应用方案，该方案利用单片机在医用电子输注泵上的应用，系统采用微机电系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置控制，控制药液输送并进行异常报警的设计，实现了在低成本上多功能的应用，具有较高的输液精度和镇痛效果;满足现代医疗器械行业发展的需要，具有很好的应用前景。
参考文献
[1]王国辉.智能型医用输液泵及其应用[J].物理治疗与手术治疗，2002（3）56-58.
[2]周兴汉.一种新型输液泵硬件设计[J].计算机与现代化，2000（5）：61-36，76.
[3]黄丽明，陆爱姨.输液泵在ICU病房输液中的应用[J]. 广西医科大学学报，2006（6）.
作者简介：
郭要强（1980—），男，大学本科，高级工程师，现供职于河南驼人集团产品研究院。
卢志增（1987—），男，大学专科，工程师，现供职于河南驼人集团产品研究院。