基于STC单片机的小剂量雾化吸入治疗控制系统

王昌明 全燕鸣 郭清达



基于STC单片机的小剂量雾化吸入治疗控制系统

王昌明 全燕鸣 郭清达

（华南理工大学机械与汽车工程学院）

雾化吸入治疗是一种新型的治疗手段，但对间断、小剂量给药的雾化装置研究较少。采用STC单片机作为小剂量雾化控制核心，阐述系统的软硬件设计方案、功能电路设计和测试方案。该系统具有微剂量药液的雾化控制功能，并能够实时显示系统的雾化次数、雾化电流和环境温度。测试结果表明：该系统具有较好的雾化控制效果，雾化量满足设计要求。

STC单片机；雾化吸入治疗控制；传感器

0　引言

随着科学技术的发展，现代医学所使用的治疗方法也得到了极大的丰富。雾化吸入治疗作为一种新型的治疗手段，因其治疗过程安全且效果显著等特点，已经成为临床治疗最重要的方式之一。其工作原理是通过雾化装置把药液雾化成微粒，被使用者吸入体内，从而达到局部或全身治疗的目的[1]。雾化装置是雾化吸入治疗的核心，但目前雾化装置的研究停留在连续、大剂量给药等方面，对小剂量给药雾化控制的研究较少。

本文设计实现一套小剂量雾化吸入治疗控制系统，要求系统具有可行性，雾化量控制能够满足使用要求，并能够查看系统雾化次数、雾化电流和环境温度等。

1　系统总体设计

雾化吸入治疗控制系统能够实现对小剂量药液雾化过程的精确控制，保证雾化过程的稳定。系统主要有电源模块、开关检测模块、温度检测模块、AD采样模块、雾化控制模块和LCD显示模块等，如图1所示。

系统模块功能要求：电源模块为系统提供稳定电压，保证系统正常工作；开关检测模块实现系统的启动和停止；温度检测模块实现对影响雾化量稳定性因子（外界温度）的检测；A/D采集模块实现对影响雾化量大小的主要因子（电流）的检测；雾化控制模块实现对电流大小与时间的控制，达到控制雾化量；LCD显示模块实时显示雾化次数、雾化电流和环境温度值。

图1　雾化吸入治疗控制系统功能模块组成

2　系统硬件设计

小剂量雾化吸入治疗控制硬件系统的设计与实现，是在STC单片机最小系统的基础上，进一步扩展各个功能的硬件电路。

2.1单片机最小系统电路设计

单片机最小系统是其能够正常工作的最基本条件，也是整个雾化吸入治疗控制系统的核心。控制系统采用STC12C5A60S2单片机，其指令代码完全兼容传统8051。在单片机P1口（P1.0~P1.7）有10位8路高速A/D转换器，转换速度达到250 k/s，具有高速、低功耗、抗干扰能力强等特点[2]。STC单片机最小系统电路设计如图2所示。

图2　STC单片机最小系统电路图

2.2功能模块电路设计

2.2.1电源模块

电源电路是整个单片机控制系统能稳定有效工作的先决条件。根据各个硬件电路的配置要求，系统所需6 V、5 V和2.5V直流电。加热丝工作电压为6V直流电；STC单片机、电子开关、DS18B20、LCD1602以及AD8218的工作电压为5V直流电；AD8218的参考电压为2.5 V直流电。为获得更稳定的电压，电路中分别采用78L05和X60008-25两种稳压IC实现6 V到5 V和2.5 V的转换，其具体转换电路如图3所示。

图3　电压转换电路图

2.2.2开关检测模块

开关检测模块采用集成开关和指示灯的IC模块。开关的作用是感应气流的变化，以实现系统的自动启停。当气流增大到开关S1的最低阈值时，通过气流压力使开关S1闭合，同时指示灯D2点亮，在输出端AT形成一个高低电平的变化并输入给单片机。其电路图如图4所示。

图4　开关检测电路图

2.2.3温度检测模块

温度检测模块使用DS18B20温度传感器，其有独特的单线接口，并具有较宽的温度检测范围（-55℃~125℃）。其接线如图5所示[3]。

图5　DS18B20接线图

2.2.4A/D采样模块

STC12C5A60S2单片机内部集成A/D转换器，可做按键扫描、电压检测等。在电路中，需要对采样电阻（10 mΩ）得到的毫伏级小信号进行调理。AD8218芯片是一种典型高压、高分辨率的分流放大器，在0 mV~250 mV的整个输入差分电压范围内能保持线性输出，同时，该芯片还有着非常好的温度适用性。AD8218输入至输出的变换函数为

图6AD8218接线图

2.2.5雾化控制模块

雾化控制模块的功能是通过单片机分别对加热丝通电时间和通电电流进行控制，以实现控制雾化量的目的。其接线如图7所示。

图7　雾化控制模块接线图

2.2.6LCD显示模块

LCD1602是一种两行液晶显示屏，每行可显示16个字符，其主要特点有： 80字节显示数据存储器DDRAM；微功耗、体积小；编程简单、控制命令丰富且易操作。其接线如图8所示。

图8　LCD1602接线图

3　系统软件设计

雾化吸入治疗控制系统的软件功能，是在功能模块的硬件基础上进行开发与测试，实现数据采集和数据显示。

系统软件工作流程：系统上电后进行初始化；开关检测模块开始检测气流信号，若检测到有气流信号的输入，则单片机接通雾化回路，加热丝加热进行雾化操作，启动定时器，开放中断，同时采样电阻将电压信号输入到AD8218芯片进行调理后，送至单片机做A/D转换；开关检测模块不断检测气流信号，若开关闭合，则继续等待定时完成，定时完成后，断开雾化回路，定时器重新赋值；若开关断开，则雾化结束，定时器重新赋值；1次雾化完成后，雾化次数进行加1；采集温度信号，将所得到的雾化次数、雾化电流和环境温度值在LCD上显示[4-5]。系统的主程序流程图如图9所示。

4　系统测试

本控制系统在雾化吸入治疗领域，实现了小剂量给药雾化控制方案，并满足一定的精度，控制目标 40 mg±10%。为此，对该系统进行了相应测试，系统测试条件见表1，系统手板如图10所示。

图9　系统主程序流程图

在表1的测试条件下，对雾化系统进行4组测试，每组试验重复6次。测量过程中，每次称重需要对电子秤进行调零校准，并佩戴试验用手套，以防止手上的汗液沾到雾化装置上影响测试结果。试验数据采集与分析见表2。

表1　系统测试条件

图10　雾化吸入治疗控制系统手板

表2　系统测试数据采集与分析

从表2测试结果可以看出，99.7%的雾化量（即正态分布图中的±3σ范围）能达到40 mg±10%，满足要求。

5　结论

本文设计了一套小剂量雾化吸入治疗控制系统，在电路设计分析的基础上，制作了基于STC单片机的PCB板实物，并设计与编写了相应的软件程序。最后，对该系统的雾化量控制精度进行了测试。结果表明，该系统能够较好地实现对雾化过程的控制，小剂量雾化量达到预定控制要求。

参考文献

[1] 周莉.雾化吸入疗法临床应用新进展[J].医学信息,2010(2): 147-149.

[2] 宋凤娟,付侃,薛雅丽. STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法[J].煤矿机械,2010,31(6):219-221.

[3] 曹美霞.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计[J]. 电子制作,2014(11):9-10.

[4] 谭浩强.C语言程序设计[M].3版.北京:清华大学出版社, 2005.

[5] 郭兰英,赵祥模.微机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,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，硕士研究生，主要研究方向：测试计量技术及仪器等。

全燕鸣（通讯作者），女，1957年生，教授，博士生导师，主要研究方向：精密制造技术与装备、现代检测及故障诊断等。E-mail: meymquan@scut.edu.cn

郭清达，男，1986年生，博士研究生，主要研究方向：工业机器人与机器视觉等。