一種多功能數控注射泵設計

林山清，龐道恒，盛麗欣，楊一峰，霍景波

（臨沂大學 自動化與電氣工程學院，山東 臨沂 276005）

隨著人們越來越高地對健康生活的關注，促進了整個醫藥器械行業的發展。注射泵作為操作簡單，能自動以設定的速度、方向注射或吸入液體，減小工作人員的工作量，提高安全性，廣泛應用于輸液、灌裝及精密生化實驗中的醫療器械[1,2]。然而國內的注射泵研發起步較晚，其他發達國家對此又存在技術壁壘，導致國產精密注射泵發展緩慢，注射精度較低，功能單一，控制基本全部靠手動操作[3]。通過學習研究機械電子自動化技術取代人工，降低使用難度，提高精度、效率。

1 系統整體設計方案

整個裝置（樣機）主要包括機械和電氣及控制部分[4]。

1.1 機械結構

如圖1 所示，兩塊透明亞克力板（厚度10mm）構成前后兩支撐架，兩支撐架架間由鋼制圓滑導向支撐桿支撐連接，固定在由2080 型流水線鋁型材構成的框架底座上，形成主結構框架；步進電機先固定在亞克力板材料的步進電機固定座上，連同支架一起固定在結構框架后側，步進電機轉軸通過聯軸器與絲桿連接，絲桿利用軸承座固定在前后支架上；注射器推拉基座利用兩滑動軸承和絲桿螺母共同固定在鋼制圓滑導向支持桿上，滑動軸承、絲杠螺母與注射器活塞基座間為法蘭盤結構固定，絲桿螺母將絲桿的旋轉運動轉化為沿軸向直線運動，其沿直線往復運動帶動注射器活塞往復運動，使注射器完成注射或吸吮動作；注射器推拉基座上有活塞固定夾具，利用鎖緊螺絲和夾板將活塞固定在注射器推拉基座上；注射器支撐板固定在主結構框架的前側支架上，利用前結構支架上的固定壓板和鎖緊螺絲將注射器固定不動。

圖1 整體機械結構圖Fig.1 Overall mechanical structure

旋轉螺桿的導程為1mm（即旋轉螺桿旋轉一周，絲桿螺母移動1mm），步進電機每個脈沖旋轉的旋轉角度根據模式和信號的不同，可旋轉的距離也各不相同。

1.2 電氣與控制

如圖2 所示，控制模塊主要以STC89C51 單片機為中心，由TB6560 步進電機驅動器、矩陣鍵盤、腳踏開關、雙關開關等組成。

控制中心使用宏晶科技公司生產的ST89C51 單片機，它是一款高速、高可靠、低功耗性增強型51 單片機[5]，機器周期可達1T。

圖2 控制系統結構框圖Fig.2 Block diagram of system control structure

圖3 步進電機驅動模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of stepping motor driving module

采用以東芝公司生產的低功耗、兩相混合步進電機驅動芯片TB6560 的驅動設計，TB6560 集成度、可靠性極高，外圍電路設計簡單，內部為雙全橋MOS 管驅動，單相最大峰值輸出電流3.5A，耐壓最大值40V，可以整步、1/2、1/8、1/16 細分步進，支持步進電機從每分鐘幾十至千轉的寬調速應用，具有過熱、過流保護功能[6,7]。TB6560 驅動板采用的是DC24V 額定供電，由單片機提供兩個信號：方向和步進脈沖。方向脈沖的高低電平對應正反轉，步進脈沖一個脈沖可控制電機走一個角度。還有一個使能信號是可選的，這些信號是光耦輸入。使能信號主要由矩陣鍵盤發出，矩陣鍵盤發出的信號可控制旋轉角度的大小。步進電機驅動模塊如圖3 所示。

單片機通過P1 接線端子控制電機使能、正反轉、啟動狀及控制脈沖，U3 為高速光電耦合芯片6N137，通過撥碼開關S1 調節工作電流、電流衰減及電機工作方式。P2 接入24V 工作電源，P3 接步進電機A 相、B 相。

矩陣鍵盤連接89C51 單片機，腳踏開關可控制前進或后退，紅開關為前進（注射），黑開關為后退（抽取）。矩陣默認信號為步進電機移動1mm，矩陣鍵盤上的“1”鍵、“2”鍵、“3”鍵可以分別控制步進電機移動0.1mm、0.2mm、0.5mm。“A”可以切換模式，在此模式下（未按下“A”鍵時）為點動模式（即腳踏開關松開后才工作）；當按下“A”鍵時切換為快退與快進（此時獨立鍵盤失去作用），而雙關開關可以將速度變為原來的1/8，而默認移動值也變為0.125mm，矩陣鍵盤上的“1”鍵、“2”鍵、“3”鍵可以分別控制步進電機移動0.0125mm、0.025mm、0.0625mm。

圖4 系統程序框架圖Fig.4 Program flow chart

2 程序設計

系統程序設計構架如圖4 所示。程序設計主要是基于51 單片機的程序語言而編寫與設計，運行程序主要由主程序和若干運行模塊子程序模塊構成[8]，子程序包括顯示、計數、驅動等模塊。

主程序運行部分主要包括對步進電機的驅動和對步進電機的控制兩大部分。對步進的控制部分是在單片機能發出信號，使TB6560 電機驅動板可以正常地驅動步進電機轉動。對步進電機的控制部分可分為兩種模式：第一種為控制活塞固定移動模式，該模式下活塞的推進方式為點進式，及控制注射器進行精準的吸取或注射；另一種模式為連續工作模式，及在此模式下，控制活塞完成急進或急退的動作，用以完成注射器的準備或結束工作。工作模式的切換通過矩陣鍵盤來完成，而工作開關通過腳踏開關來完成。

3 測試與效果

樣機內部元件如圖5 所示。制作完成后進行測試，主要性能參數與當前市場流行注射泵進行對比。

經過分析測試數據可得：微流數控注射器相比于傳統市面上已經推廣的注射泵，其對注射的可控精度更高，對于注射或吸取的誤差范圍更小，工作效率更高且工作時更安全、更穩定，達到了預期效果。

圖5 樣機整體結構Fig.5 The structure of the prototype

4 總結

樣機在測試技術上達到設計目標，但有許多不足及工藝難題，如數據的采集、反饋和處理的問題，隨著設計的進一步而優化。該設計理念可以更加符合人們高水平的理念，解決現代醫學和工業上的難題，讓科技為生活生產帶來方便和快捷。