基于89C52单片机的血液透析机消毒液自动化配制系统设计

刘　颂　罗华生　梁国欣　伍锦泉　黄春霞

基于89C52单片机的血液透析机消毒液自动化配制系统设计

刘颂①罗华生①梁国欣①伍锦泉①黄春霞①

目的：探讨在低成本情况下降低血液透析机消毒液配液风险和提高配液精度的方法。方法：根据稀释时溶质守恒定理，采用单片机技术及电气自动控制技术开发配液系统，以89C52单片机作为系统核心，开发软件程序，设计硬件模块，接收使用者输入的配液前后溶液的浓度，计算出所需溶质的体积；根据原液体积、吸液泵的吸液速度得到吸液时间后启动吸液泵吸取原液及水完成配液。为防止气泡等因素降低配液精度，系统利用单片机的计时器定时对吸液过程进行监控。结果：经过多次配液测试，对成品液进行浓度检测，浓度偏差在5%以内，避免了气泡等因素对配液精度的影响，达到预期目标。结论：利用89C52单片机设计系统替代人工操作，能够实现自动配制相应浓度的消毒液，并有效降低血液透析机消毒液配液风险、提高工作效率。

单片机；自动配液系统；消毒液；智能；血液透析

［First-author’s address］ Department of Equipment Management， The First People’s Hospital of Zhaoqing， Zhaoqing 526000， China.

目前，我国接受血液透析治疗的患者有10～15万人次，而急需进行此项治疗的患者＞100万［1］。随着医保范围的扩大以及国民收入的提高，血液透析患者人数在较长的时期内仍将保持快速的增长，医疗卫生机构尤其是公立医院将配备更多的血液透析机，血液透析机的使用频率将随之极大提高［2］。当前，各医院使用的血液透析机品牌众多，相同品牌细分为数个型号，而不同品牌和不同型号的血液透析机对消毒液的浓度有不同的要求，通常会出现采购的消毒液浓度与血透机要求浓度不一致，故需对消毒液进行稀释配制才能使用［3］。

血液透析是一项高风险的医疗技术，操作不当容易造成病毒性肝炎等传染病的播散，进一步加重患者的痛苦和医疗负担［4］。为了保障透析治疗的质量和安全，对血透机内部管路进行消毒是使用血透机过程中必不可少的一个重要环节［5-6］。目前，实验室用的高精度配液设备配液量少、精度高且价格高昂，对医院而言使用成本高，因此多数医院采用人工操作的方法为血液透析机配置消毒液。然而，人工配液存在较大误差，且由于所配溶液为酸性，操作不当容易对人体造成伤害，存在使用风险。为此，本研究探讨在低成本情况下降低血液透析机消毒液配液风险和提高配液精度的方法，以降低血液透析机消毒液配液风险，提高工作效率。

1　消毒液自动化配制系统设计

采用单片机技术及电气自动控制技术开发配液系统，以89C52单片机作为系统核心，开发软件程序，设计硬件模块，使系统能够实现自动配制相应浓度的消毒液［7-10］。通过后期对配液结果进行测定，证明系统能够达到预期目标，可成功解决医院人工配液无法避免的高误差高风险的难题［11-12］。

1.1配液系统原理

根据配液前后溶质质量守恒可得公式1：

其中n为浓度，ρ为密度，V为体积，“成”为成品液，“原”为原液。

因原液与成品液均为低浓度液体，稀释前后密度差小，故认定ρ成=ρ原，将公式（1）简化为公式2：

按照每次配成品液500 ml，根据操作人员输入的原液浓度、成品液浓度，可计算出V原=n成·V成/n原= 500·n成/n原，即在已知原液浓度、成品液浓度的前提下，只需控制系统吸取液体的时间便可配置出500 ml的成品液。

1.2设计思路

根据配液系统原理，设计思路为：①用户提供原液浓度及成品液浓度，单片机根据公式计算出每500 ml成品液所需的原液体积V原=500·n成/n原；②将其除以吸液泵吸液速度C可得出吸原液时间t原=500·n成/n原·C；③采用编程代码控制吸液泵工作时间，获得所需的原液后单片机再计算出需要再补充纯水的体积V水=500-V原；④得出吸液泵吸纯水的时间t水后用编程代码控制吸液泵工作，最终得到所需浓度的成品液。

1.3工作流程

消毒液自动化配制系统工作流程为：输入原液浓度→输入成品液浓度→系统计算→开始吸原液→补充纯水至500 ml→结束。

2　配液系统的结构与实现

2.1电气结构

配液系统采用GSM-H120DS-24开关电源模块，其输出5 Vdc电压用于单片机的工作，24 Vdc电压用于电磁控制阀的开启及液泵的工作［13］。后续阀门的开启及液泵的工作由继电器组开启，而继电器组的开启受单片机组的信号控制。单片机组通过人机模块（显示屏及键盘）与操作人员进行交流，再接受浮子开关的反馈信号对液泵及继电器进行控制［14］（如图1所示）。

2.2软件仿真测试

配液系统选用89C52单片机作为核心，采用Keil软件编译码，单片机编程使用汇编语言或C语言。汇编语言写程序代码效率高，但难度大且烦琐，89C52单片机有较高的主频和较大的只读存储器（read only memory，ROM）空间；使用C语言写程序代码更为简单，其移植性好，有利于推广配液系统［15］。因此，本设计选用C语言进行程序代码编写，程序代码编写后，使用ISIS 7 Professional仿真软件，ISIS软件的仿真库有89C52单片机、LM016L液晶屏等配液系统需要的硬件，使用ISIS软件进行单片机系统设计和仿真，既能准确验证所设计系统是否满足技术要求，又能提高设计效率和质量［16］。

2.3液路结构

液路结构由纯水、原液和成品液组成，其中a→b为常通通道，如图2所示。

图1　电气结构示意图

图2　液路结构示意图

液路系统有两大功能，即配液和管道的冲洗排空。

（1）配液。连接K、K2，系统打开V2及V4的a→b通道，启动液泵P吸取原液，吸取定量原液后，停止P，关闭V2。打开V1，启动P吸取纯水，吸取定量纯水后停止P，关闭V1。单次配液完成，系统询问是否按照前一次输入参数再次配液，选择确认则循环上述流程，选择取消则返回主界面。

（2）管道冲洗。连接K、K1，系统打开V1、V2和V4的c→b通道，启动P，冲洗约10 s。

管道排空，冲洗后关闭V1打开V3，2 s后打开V4的a→b通道，关闭V2，停止P，管道内部水已排空。

3　配液系统的测试

消毒液自动化配液系统的研制主要包括软件的编写、主控电路的仿真测试以及整机系统测试。通过主控电路和人机界面的仿真，检测软件的可靠性和稳定性。仿真测试完成后接入实际电路，测试整个系统的响应以及驱动能力，符合要求后再进行整机系统的配液测试。

本配液系统采用功率为120 W，齿轮式压力泵流量为25 ml/s，系统管路内径为4 mm［18］。通过配液系统反复配液，测量所配得成品液浓度水平，验证系统配液结果的可靠性。测试方法：①以浓度为60%的盐酸溶液作为原液，配液系统制备出500 ml目标浓度的成品液；②取样（20 ml）以浓度水平为40%的氢氧化钠溶液滴定，用酚酞作为酸碱指示剂，最终计算出成品液的实际浓度［19］。通过不断改变成品液目标浓度并反复配液，对成品液进行取样并测定其实际浓度，得出了系统配制成品液浓度的误差率（见表1）。

表1　系统配制成品液浓度的误差率

本系统的设计精度为5.0%，由随机抽取的数据显示，系统配液结果的误差率＜5.0%，能够达到设计要求。

4　结论

配液系统具有安全性和便利性两大特性。系统总体设计遵循高精确度和操作简单方便的原则，在系统的所有性能要求中，精确度是最高要素，保证高精度就必须要保证系统吸液量的精准控制，因此在水路中设置浮子开关［17］。系统每50 ms监测一次浮子位置，只有浮子受力处于高位的时候，系统才会判定这50 ms吸液时间有效，而每50 ms吸液量是恒定的，保证每一个50 ms的吸液量，可实现保证吸液总量的精准控制。系统需要操作人员输入2个参数，输入完毕后即可配置成品液，如需连续配置相同浓度成品液，配置完毕后再次按确认键即可，无需再次输入参数。此外，系统内设冲洗排空程序，供操作人员使用完毕后冲洗水路，以免残留消毒液干扰下次配液结果。

基于89C52单片机设计的自动化消毒液配液系统，可解决人工配制透析机用消毒液过程中存在的高风险及精度不稳定的难题，达到预期配液精度要求。系统配液精度稳定，能够连续配液，提高工作效率，同时系统包含冲洗功能，避免配制不同类消毒液时不同消毒液交叉混合的情况出现，提高设备的安全性和有效性。血液透析机消毒液配液系统操作简单，有较高的推广和应用价值。

［1］陈香美.血液净化标准操作规程［M］.北京：人民军医出版社，2010.

［2］孙宝华，邹薇红，曲丽，等.血液透析风险的护理管理及预防［J］.哈尔滨医药，2011，31（4）：304.

［3］Polaschegg HD.Hemodialysis machine technology：a global overview［J］.Expert Rev Med Devices，2010，7（6）：793-810.

［4］Delarocque-Astagneau E，Baffoy N，Thiers V，et al. Outbreak of hepatitis C virus infection in a hemodialysia unit：Potential transmission by the hemodialysis machine？［J］.Infect Control Hosp Epidemiol，2002，23（6）：328-334.

［5］陈香美.血液净化标准操作规程［M］.北京：人民军医出版社，2010.

［6］王晶，朱晓华，莫继安，等.透析患者治疗期间安全问题分析及对策［J］.解放军护理杂志，2012，29（2）：59-61.

［7］姬慧，刘宪，楼晓敏.血透机的消毒质量控制［J］.中国医疗设备，2011，26（3）：102-103.

［8］李广弟.单片机基础［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1993.

［9］赵建领，薛园园.51单片机开发与应用技术详解［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［10］金鑫，吴太虎，孙建军，等.一种医用稀释分配器的研制［J］.中国医学装备，2012，9（4）：7-10.

［11］刘丽萍，韩晋，王依文，等.全自动配液设备在数字化药房中的应用［J］.中国药房，2014（1）：28-30.

［12］王书会.血液透析患者医院感染前瞻性目标监测及直接经济学损失评价研究［D］.济南：山东大学，2013.

［13］赵军.开关电源技术的发展［J］.船电技术，2005，25（5）：13-16.

［14］郭丹婷.口服液自动配液系统的设计与实现［D］.沈阳：东北大学，2010.

［15］郭天祥.新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展攻略［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［16］曹洪奎，马莹莹，李宁.基于Proteus的单片机系统设计与仿真［J］.辽宁工学院学报，2007（4）：238-241.

［17］徐凤云.浮子式光纤液位传感器的液位测量［J］.安徽师范学院学报（自然科学版），2003（2）：56-57，60.

［18］刘贵根.多齿轮泵的基础理论与优化设计［D］.淮南：安徽理工大学，2006.

［19］李莲云，余惠娟，尹华勤，等.酸碱滴定中指示剂浓度的影响［J］.大学化学，2015，30（6）：79-82.

The design of the automatic dispensing system of hemodialysis machine disinfectant based on 89C52 SCM

LIU Song， LUO Hua-sheng， LIANG Guo-xin， et al// China Medical Equipment，2016，13（10）:5-8.

Objective: To find a low cost way to improve accuracy and reduce risk when diluting disinfectant solution. Methods: According to solute conservation theorem， taking the diluting system with SCM as the core， the system received the solution concentration of dilution before and after of the user input， calculated the volume of the stoste， started the pump sucking the stoste and water after the imbibition time according to the volume of the stoste and the speed of the suction pump， and monitored the dilution process by timer of SCM in order to prevent bubbles and other factors to reduce the accuracy. Results: After many tests， the concentration of the finished product is detected. The concentration deviation is less than 5%， which can reach the expected goal. Conclusion: A automatic dilution system using SCM can replace manual dilution. By using the system， we can improve accuracy and reduce risk when diluting disinfectant solution.

Single chip microcomputer； Automatic dispensing system； Disinfectant； Intelligence； Hemodialysis

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.10.002

1672-8270（2016）10-0005-04

R197.324

A

2016-05-18

①肇庆市第一人民医院设备科 广东 肇庆 526000

刘颂，男，（1986- ），本科学历，工程师。肇庆市第一人民医院设备科，从事医疗设备的管理、维护、保养及维修工作。