基于STC單片機的小劑量霧化吸入治療控制系統

王昌明 全燕鳴 郭清達

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基于STC單片機的小劑量霧化吸入治療控制系統

王昌明 全燕鳴 郭清達

（華南理工大學機械與汽車工程學院）

霧化吸入治療是一種新型的治療手段，但對間斷、小劑量給藥的霧化裝置研究較少。采用STC單片機作為小劑量霧化控制核心，闡述系統的軟硬件設計方案、功能電路設計和測試方案。該系統具有微劑量藥液的霧化控制功能，并能夠實時顯示系統的霧化次數、霧化電流和環境溫度。測試結果表明：該系統具有較好的霧化控制效果，霧化量滿足設計要求。

STC單片機；霧化吸入治療控制；傳感器

0　引言

隨著科學技術的發展，現代醫學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，因其治療過程安全且效果顯著等特點，已經成為臨床治療最重要的方式之一。其工作原理是通過霧化裝置把藥液霧化成微粒，被使用者吸入體內，從而達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、大劑量給藥等方面，對小劑量給藥霧化控制的研究較少。

本文設計實現一套小劑量霧化吸入治療控制系統，要求系統具有可行性，霧化量控制能夠滿足使用要求，并能夠查看系統霧化次數、霧化電流和環境溫度等。

1　系統總體設計

霧化吸入治療控制系統能夠實現對小劑量藥液霧化過程的精確控制，保證霧化過程的穩定。系統主要有電源模塊、開關檢測模塊、溫度檢測模塊、AD采樣模塊、霧化控制模塊和LCD顯示模塊等，如圖1所示。

系統模塊功能要求：電源模塊為系統提供穩定電壓，保證系統正常工作；開關檢測模塊實現系統的啟動和停止；溫度檢測模塊實現對影響霧化量穩定性因子（外界溫度）的檢測；A/D采集模塊實現對影響霧化量大小的主要因子（電流）的檢測；霧化控制模塊實現對電流大小與時間的控制，達到控制霧化量；LCD顯示模塊實時顯示霧化次數、霧化電流和環境溫度值。

圖1　霧化吸入治療控制系統功能模塊組成

2　系統硬件設計

小劑量霧化吸入治療控制硬件系統的設計與實現，是在STC單片機最小系統的基礎上，進一步擴展各個功能的硬件電路。

2.1單片機最小系統電路設計

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

圖2　STC單片機最小系統電路圖

2.2功能模塊電路設計

2.2.1電源模塊

電源電路是整個單片機控制系統能穩定有效工作的先決條件。根據各個硬件電路的配置要求，系統所需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、電子開關、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。為獲得更穩定的電壓，電路中分別采用78L05和X60008-25兩種穩壓IC實現6 V到5 V和2.5 V的轉換，其具體轉換電路如圖3所示。

圖3　電壓轉換電路圖

2.2.2開關檢測模塊

開關檢測模塊采用集成開關和指示燈的IC模塊。開關的作用是感應氣流的變化，以實現系統的自動啟停。當氣流增大到開關S1的最低閾值時，通過氣流壓力使開關S1閉合，同時指示燈D2點亮，在輸出端AT形成一個高低電平的變化并輸入給單片機。其電路圖如圖4所示。

圖4　開關檢測電路圖

2.2.3溫度檢測模塊

溫度檢測模塊使用DS18B20溫度傳感器，其有獨特的單線接口，并具有較寬的溫度檢測范圍（-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單片機內部集成A/D轉換器，可做按鍵掃描、電壓檢測等。在電路中，需要對采樣電阻（10 mΩ）得到的毫伏級小信號進行調理。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的整個輸入差分電壓范圍內能保持線性輸出，同時，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單片機分別對加熱絲通電時間和通電電流進行控制，以實現控制霧化量的目的。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個字符，其主要特點有： 80字節顯示數據存儲器DDRAM；微功耗、體積?。痪幊毯唵?、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　系統軟件設計

霧化吸入治療控制系統的軟件功能，是在功能模塊的硬件基礎上進行開發與測試，實現數據采集和數據顯示。

系統軟件工作流程：系統上電后進行初始化；開關檢測模塊開始檢測氣流信號，若檢測到有氣流信號的輸入，則單片機接通霧化回路，加熱絲加熱進行霧化操作，啟動定時器，開放中斷，同時采樣電阻將電壓信號輸入到AD8218芯片進行調理后，送至單片機做A/D轉換；開關檢測模塊不斷檢測氣流信號，若開關閉合，則繼續等待定時完成，定時完成后，斷開霧化回路，定時器重新賦值；若開關斷開，則霧化結束，定時器重新賦值；1次霧化完成后，霧化次數進行加1；采集溫度信號，將所得到的霧化次數、霧化電流和環境溫度值在LCD上顯示[4-5]。系統的主程序流程圖如圖9所示。

4　系統測試

本控制系統在霧化吸入治療領域，實現了小劑量給藥霧化控制方案，并滿足一定的精度，控制目標 40 mg±10%。為此，對該系統進行了相應測試，系統測試條件見表1，系統手板如圖10所示。

圖9　系統主程序流程圖

在表1的測試條件下，對霧化系統進行4組測試，每組試驗重復6次。測量過程中，每次稱重需要對電子秤進行調零校準，并佩戴試驗用手套，以防止手上的汗液沾到霧化裝置上影響測試結果。試驗數據采集與分析見表2。

表1　系統測試條件

圖10　霧化吸入治療控制系統手板

表2　系統測試數據采集與分析

從表2測試結果可以看出，99.7%的霧化量（即正態分布圖中的±3σ范圍）能達到40 mg±10%，滿足要求。

5　結論

本文設計了一套小劑量霧化吸入治療控制系統，在電路設計分析的基礎上，制作了基于STC單片機的PCB板實物，并設計與編寫了相應的軟件程序。最后，對該系統的霧化量控制精度進行了測試。結果表明，該系統能夠較好地實現對霧化過程的控制，小劑量霧化量達到預定控制要求。

參考文獻

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[2] 宋鳳娟,付侃,薛雅麗. STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法[J].煤礦機械,2010,31(6):219-221.

[3] 曹美霞.單片機與數字溫度傳感器DS18B20的接口設計[J]. 電子制作,2014(11):9-10.

[4] 譚浩強.C語言程序設計[M].3版.北京:清華大學出版社, 2005.

[5] 郭蘭英,趙祥模.微機原理與接口技術[M].北京:清華大學出版社,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：測試計量技術及儀器等。

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

郭清達，男，1986年生，博士研究生，主要研究方向：工業機器人與機器視覺等。