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一种医用稀释分配器的研制

作　者: 金鑫
导　师: 吴太虎
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 卫生防护防疫技术与装备
关键词: 稀释分配器可编程微控制器步进电机光电传感器
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

目的：稀释分配器在精细化工和生物医学实验室中有着广泛的应用。在药液配制上，一般采取人工方式，由于个体差异，人工配液存在较大的误差及不稳定性，而药液配制具有不可恢复性，配制时药液比例错误即会造成药液废弃。稀释分配器通过机械装置推动注射器，实现高精度、平稳无脉动的液体传输；具有宽范围的运行速度，流量精确，控制精度高，有着人工配液无法比拟的优势。实验室中存在着大量具有毒性或者腐蚀性的药液，稀释分配器可以减少此类药液对操作人员的潜在危害，特别适用于精细化工，医疗配液以及需要精密配制药液的工业、农业、生物医学等应用领域。目前我国生物医学实验室主要采用进口的医用稀释分配器，其自动化程度高、使用方便，但价格昂贵，难以普及，而国内稀释分配器厂家数量较少，大多仅从国外购进配件，进行简单二次加工，缺乏自主知识产权，其产品精确度与进口产品有较大差距。国内对配制药液的精密仪器需求量较大，因此很有必要开发一种高精度、高适应性的医用稀释分配器。方法：通过对国内外稀释分配器的技术特点分析，结合国内稀释分配器的发展现状，提出一种医用稀释分配器的研制方案：基于嵌入式单片机技术、传感器技术与自动化智能控制理论的医用稀释分配器的研制。利用3D建模软件设计稀释分配器的机械结构，完成各配件及传动模块的结构设计与装配方法设计；利用电路图设计软件绘制稀释分配器的电路，完成稀释分配器各硬件模块的电路设计；利用印刷电路板设计软件绘制稀释分配器的印刷电路板；利用单片机编程语言设计稀释分配器的移液、稀释、配液等自动化过程，开发智能化软件系统，实现各控制模块功能。通信接口采用RS232串行数据收发接口对稀释分配器发送初始化、复位及运行指令。微控制单元接收指令后，控制步进电机驱动芯片，对步进电机进行驱动，实现初始化、复位及相应操作功能；步进电机转动换向阀、通过丝杠同步结构推拉注射器，实现药液的高精度定量分配；运用光电传感器对换向阀阀芯及注射器活塞位置进行监控，实现换向阀的初始化、复位及换向操作，实现注射器的抽吸及推注操作。内容：本论文的研究工作主要包括医用稀释分配器的总体设计、机械结构设计、硬件设计、软件设计以及样机测试。主要内容如下：（1）稀释分配器的总体设计主要包括样机工作流程、应使用何种模块、各模块应实现何种功能、模块间关系与通讯等。（2）稀释分配器的机械结构设计主要包括样机外形设计、建模、加工；样机机械传动设计、样机机械结构加工、印制电路板加工，样机整体安装。其外形采用CATIA进行3D建模。（3）稀释分配器的硬件设计主要包括可编程微控制单元模块、步进电机驱动模块、光电传感器定位模块、RS232串行数据收发模块、电源模块以及外围接口电路。其电路图使用ORCAD绘制，印制电路板采用PADS绘制。（4）稀释分配器的软件设计主要采用嵌入式系统开发工具IAR编译器，对微控制单元进行编程，实现稀释分配器初始化、复位，完成稀释、移液、分配功能。（5）稀释分配器样机测试主要是通过大量实验测试样机的性能、稳定性、精确度、实用性等性能指标。结果：设计并完成稀释分配器样机，具有一整套独立的总体、硬件、软件、机械结构等关键部件设计。主要内容如下：（1）设计并完成了稀释分配器样机的整体运行框架，确立了机械结构、硬件及软件之间统一协调的互动与联系关系，绘制并完成了样机的总体设计框图。（2）设计并完成了稀释分配器样机的机械结构设计，绘制并完成了样机的3D模型图。其中使用光电传感器与定位栅盘相配合，结合步进电机转轴定制加工，设计并成功实现了换向阀及注射器位置的测定方法；使用丝杠同步结构实现了步进电机的转动与注射器活塞的直线运动间的转换，实现了注射器对药液的抽注。（3）编写并调试了稀释分配器样机的软件系统，其中使用中断嵌套成功实现了对换向阀与注射器位置的测定，完成了稀释分配器初始化、复位、稀释、移液及分配功能。（4）将制作完成的样机本体、印刷电路板、步进电机、注射器、换向阀及丝杠同步传动装置等组装完成稀释分配器样机，进行了机械结构、硬件、软件调试，检测了各模块性能，修改各模块设计。（5）结合实际对稀释分配器样机进行了实验，由实验结果可知，样机具有较好的工作稳定性及可靠性，适用于三口换向阀，稀释分配时间范围为1min-60min，精确度<1%。结论：经样机测试，该稀释分配器能实现药液精密稀释分配，具有自动化、高精度和方便快捷的特点，整体设计紧凑，使用方便，性能可靠，为生物实验和临床配液提供了一种实用的先进技术手段。然而，本论文的稀释分配器仅设计为实验室使用，在实际使用条件下，考虑到不同工作环境的影响，所以，为了进一步提高稀释分配器的适应性和稳定性，在本文的研究工作基础上，可以通过对电路及机械结构设计作进一步优化，以满足在不同条件下的应用。本稀释分配器采用三口换向阀，因此也可以对软件算法进行进一步改进，完成对多种换向阀的适应。另外样机采用计算机通过串口向稀释分配器发送指令，增加了稀释分配器使用的局限性，后续研究工作拟加入人界交互界面，使用液晶触摸屏对稀释分配器进行操作。这些方面都是本文后续研究的重点。

全文目录

缩略词表  5-7
摘要  7-10
ABSTRACT  10-14
第一章引言  14-23
  1.1. 药液稀释分配的概念  14
  1.2 稀释分配器的概念  14-16
    1.2.1 稀释分配器的原理  14-15
    1.2.2 稀释分配器的分类  15
    1.2.3 稀释分配器的特点  15-16
  1.3 国内外稀释分配器发展现状及存在的问题  16-21
  1.4 本文的研究工作  21-22
  1.5 小结  22-23
第二章稀释分配器样机的结构设计  23-27
  2.1 虚拟样机技术  23
  2.2 稀释器样机的结构设计  23-26
  2.3 小结  26-27
第三章稀释分配器的硬件设计  27-53
  3.1 总体设计  27-29
  3.2 硬件设计  29-49
    3.2.1 硬件系统框图  29
    3.2.2 微控制单元模块  29-32
    3.2.3 步进电机驱动模块  32-37
    3.2.4 光电传感器定位模块  37-44
    3.2.5 RS232 串行数据收发模块  44-45
    3.2.6 电源模块  45-47
    3.2.7 外围接口电路  47-49
  3.3 印刷电路板绘制  49-52
  3.4 小结  52-53
第四章稀释分配器的软件设计  53-73
  4.1 总体设计  53-55
  4.2 软件设计  55-72
    4.2.1 稀释分配器初始化程序  55-59
    4.2.2 稀释分配器自检程序  59-64
    4.2.3 换向阀、注射器复位程序  64-69
    4.2.4 稀释分配器运行程序  69-72
  4.3 小结  72-73
第五章稀释分配器样机实验  73-76
  5.1 长时间运行实验  73
  5.2 精确度实验  73-75
  5.3 小结  75-76
第六章结论与展望  76-77
  6.1 结论  76
  6.2 展望  76-77
参考文献  77-79
文献综述  79-84
  参考文献  83-84
在学期间发表的论著  84-88
作者简历  88-89
致谢  89

一种医用稀释分配器的研制

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