基于89C52單片機(jī)的血液透析機(jī)消毒液自動化配制系統(tǒng)設(shè)計

劉　頌　羅華生　梁國欣　伍錦泉　黃春霞

基于89C52單片機(jī)的血液透析機(jī)消毒液自動化配制系統(tǒng)設(shè)計

劉頌①羅華生①梁國欣①伍錦泉①黃春霞①

目的：探討在低成本情況下降低血液透析機(jī)消毒液配液風(fēng)險和提高配液精度的方法。方法：根據(jù)稀釋時溶質(zhì)守恒定理，采用單片機(jī)技術(shù)及電氣自動控制技術(shù)開發(fā)配液系統(tǒng)，以89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，開發(fā)軟件程序，設(shè)計硬件模塊，接收使用者輸入的配液前后溶液的濃度，計算出所需溶質(zhì)的體積；根據(jù)原液體積、吸液泵的吸液速度得到吸液時間后啟動吸液泵吸取原液及水完成配液。為防止氣泡等因素降低配液精度，系統(tǒng)利用單片機(jī)的計時器定時對吸液過程進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)果：經(jīng)過多次配液測試，對成品液進(jìn)行濃度檢測，濃度偏差在5%以內(nèi)，避免了氣泡等因素對配液精度的影響，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。結(jié)論：利用89C52單片機(jī)設(shè)計系統(tǒng)替代人工操作，能夠?qū)崿F(xiàn)自動配制相應(yīng)濃度的消毒液，并有效降低血液透析機(jī)消毒液配液風(fēng)險、提高工作效率。

單片機(jī)；自動配液系統(tǒng)；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，我國接受血液透析治療的患者有10～15萬人次，而急需進(jìn)行此項(xiàng)治療的患者＞100萬［1］。隨著醫(yī)保范圍的擴(kuò)大以及國民收入的提高，血液透析患者人數(shù)在較長的時期內(nèi)仍將保持快速的增長，醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)尤其是公立醫(yī)院將配備更多的血液透析機(jī)，血液透析機(jī)的使用頻率將隨之極大提高［2］。當(dāng)前，各醫(yī)院使用的血液透析機(jī)品牌眾多，相同品牌細(xì)分為數(shù)個型號，而不同品牌和不同型號的血液透析機(jī)對消毒液的濃度有不同的要求，通常會出現(xiàn)采購的消毒液濃度與血透機(jī)要求濃度不一致，故需對消毒液進(jìn)行稀釋配制才能使用［3］。

血液透析是一項(xiàng)高風(fēng)險的醫(yī)療技術(shù)，操作不當(dāng)容易造成病毒性肝炎等傳染病的播散，進(jìn)一步加重患者的痛苦和醫(yī)療負(fù)擔(dān)［4］。為了保障透析治療的質(zhì)量和安全，對血透機(jī)內(nèi)部管路進(jìn)行消毒是使用血透機(jī)過程中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)［5-6］。目前，實(shí)驗(yàn)室用的高精度配液設(shè)備配液量少、精度高且價格高昂，對醫(yī)院而言使用成本高，因此多數(shù)醫(yī)院采用人工操作的方法為血液透析機(jī)配置消毒液。然而，人工配液存在較大誤差，且由于所配溶液為酸性，操作不當(dāng)容易對人體造成傷害，存在使用風(fēng)險。為此，本研究探討在低成本情況下降低血液透析機(jī)消毒液配液風(fēng)險和提高配液精度的方法，以降低血液透析機(jī)消毒液配液風(fēng)險，提高工作效率。

1　消毒液自動化配制系統(tǒng)設(shè)計

采用單片機(jī)技術(shù)及電氣自動控制技術(shù)開發(fā)配液系統(tǒng)，以89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，開發(fā)軟件程序，設(shè)計硬件模塊，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動配制相應(yīng)濃度的消毒液［7-10］。通過后期對配液結(jié)果進(jìn)行測定，證明系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可成功解決醫(yī)院人工配液無法避免的高誤差高風(fēng)險的難題［11-12］。

1.1配液系統(tǒng)原理

根據(jù)配液前后溶質(zhì)質(zhì)量守恒可得公式1：

其中n為濃度，ρ為密度，V為體積，“成”為成品液，“原”為原液。

因原液與成品液均為低濃度液體，稀釋前后密度差小，故認(rèn)定ρ成=ρ原，將公式（1）簡化為公式2：

按照每次配成品液500 ml，根據(jù)操作人員輸入的原液濃度、成品液濃度，可計算出V原=n成·V成/n原= 500·n成/n原，即在已知原液濃度、成品液濃度的前提下，只需控制系統(tǒng)吸取液體的時間便可配置出500 ml的成品液。

1.2設(shè)計思路

根據(jù)配液系統(tǒng)原理，設(shè)計思路為：①用戶提供原液濃度及成品液濃度，單片機(jī)根據(jù)公式計算出每500 ml成品液所需的原液體積V原=500·n成/n原；②將其除以吸液泵吸液速度C可得出吸原液時間t原=500·n成/n原·C；③采用編程代碼控制吸液泵工作時間，獲得所需的原液后單片機(jī)再計算出需要再補(bǔ)充純水的體積V水=500-V原；④得出吸液泵吸純水的時間t水后用編程代碼控制吸液泵工作，最終得到所需濃度的成品液。

1.3工作流程

消毒液自動化配制系統(tǒng)工作流程為：輸入原液濃度→輸入成品液濃度→系統(tǒng)計算→開始吸原液→補(bǔ)充純水至500 ml→結(jié)束。

2　配液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

2.1電氣結(jié)構(gòu)

配液系統(tǒng)采用GSM-H120DS-24開關(guān)電源模塊，其輸出5 Vdc電壓用于單片機(jī)的工作，24 Vdc電壓用于電磁控制閥的開啟及液泵的工作［13］。后續(xù)閥門的開啟及液泵的工作由繼電器組開啟，而繼電器組的開啟受單片機(jī)組的信號控制。單片機(jī)組通過人機(jī)模塊（顯示屏及鍵盤）與操作人員進(jìn)行交流，再接受浮子開關(guān)的反饋信號對液泵及繼電器進(jìn)行控制［14］（如圖1所示）。

2.2軟件仿真測試

配液系統(tǒng)選用89C52單片機(jī)作為核心，采用Keil軟件編譯碼，單片機(jī)編程使用匯編語言或C語言。匯編語言寫程序代碼效率高，但難度大且煩瑣，89C52單片機(jī)有較高的主頻和較大的只讀存儲器（read only memory，ROM）空間；使用C語言寫程序代碼更為簡單，其移植性好，有利于推廣配液系統(tǒng)［15］。因此，本設(shè)計選用C語言進(jìn)行程序代碼編寫，程序代碼編寫后，使用ISIS 7 Professional仿真軟件，ISIS軟件的仿真庫有89C52單片機(jī)、LM016L液晶屏等配液系統(tǒng)需要的硬件，使用ISIS軟件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計和仿真，既能準(zhǔn)確驗(yàn)證所設(shè)計系統(tǒng)是否滿足技術(shù)要求，又能提高設(shè)計效率和質(zhì)量［16］。

2.3液路結(jié)構(gòu)

液路結(jié)構(gòu)由純水、原液和成品液組成，其中a→b為常通通道，如圖2所示。

圖1　電氣結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　液路結(jié)構(gòu)示意圖

液路系統(tǒng)有兩大功能，即配液和管道的沖洗排空。

（1）配液。連接K、K2，系統(tǒng)打開V2及V4的a→b通道，啟動液泵P吸取原液，吸取定量原液后，停止P，關(guān)閉V2。打開V1，啟動P吸取純水，吸取定量純水后停止P，關(guān)閉V1。單次配液完成，系統(tǒng)詢問是否按照前一次輸入?yún)?shù)再次配液，選擇確認(rèn)則循環(huán)上述流程，選擇取消則返回主界面。

（2）管道沖洗。連接K、K1，系統(tǒng)打開V1、V2和V4的c→b通道，啟動P，沖洗約10 s。

管道排空，沖洗后關(guān)閉V1打開V3，2 s后打開V4的a→b通道，關(guān)閉V2，停止P，管道內(nèi)部水已排空。

3　配液系統(tǒng)的測試

消毒液自動化配液系統(tǒng)的研制主要包括軟件的編寫、主控電路的仿真測試以及整機(jī)系統(tǒng)測試。通過主控電路和人機(jī)界面的仿真，檢測軟件的可靠性和穩(wěn)定性。仿真測試完成后接入實(shí)際電路，測試整個系統(tǒng)的響應(yīng)以及驅(qū)動能力，符合要求后再進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)的配液測試。

本配液系統(tǒng)采用功率為120 W，齒輪式壓力泵流量為25 ml/s，系統(tǒng)管路內(nèi)徑為4 mm［18］。通過配液系統(tǒng)反復(fù)配液，測量所配得成品液濃度水平，驗(yàn)證系統(tǒng)配液結(jié)果的可靠性。測試方法：①以濃度為60%的鹽酸溶液作為原液，配液系統(tǒng)制備出500 ml目標(biāo)濃度的成品液；②取樣（20 ml）以濃度水平為40%的氫氧化鈉溶液滴定，用酚酞作為酸堿指示劑，最終計算出成品液的實(shí)際濃度［19］。通過不斷改變成品液目標(biāo)濃度并反復(fù)配液，對成品液進(jìn)行取樣并測定其實(shí)際濃度，得出了系統(tǒng)配制成品液濃度的誤差率（見表1）。

表1　系統(tǒng)配制成品液濃度的誤差率

本系統(tǒng)的設(shè)計精度為5.0%，由隨機(jī)抽取的數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)配液結(jié)果的誤差率＜5.0%，能夠達(dá)到設(shè)計要求。

4　結(jié)論

配液系統(tǒng)具有安全性和便利性兩大特性。系統(tǒng)總體設(shè)計遵循高精確度和操作簡單方便的原則，在系統(tǒng)的所有性能要求中，精確度是最高要素，保證高精度就必須要保證系統(tǒng)吸液量的精準(zhǔn)控制，因此在水路中設(shè)置浮子開關(guān)［17］。系統(tǒng)每50 ms監(jiān)測一次浮子位置，只有浮子受力處于高位的時候，系統(tǒng)才會判定這50 ms吸液時間有效，而每50 ms吸液量是恒定的，保證每一個50 ms的吸液量，可實(shí)現(xiàn)保證吸液總量的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)需要操作人員輸入2個參數(shù)，輸入完畢后即可配置成品液，如需連續(xù)配置相同濃度成品液，配置完畢后再次按確認(rèn)鍵即可，無需再次輸入?yún)?shù)。此外，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)沖洗排空程序，供操作人員使用完畢后沖洗水路，以免殘留消毒液干擾下次配液結(jié)果。

基于89C52單片機(jī)設(shè)計的自動化消毒液配液系統(tǒng)，可解決人工配制透析機(jī)用消毒液過程中存在的高風(fēng)險及精度不穩(wěn)定的難題，達(dá)到預(yù)期配液精度要求。系統(tǒng)配液精度穩(wěn)定，能夠連續(xù)配液，提高工作效率，同時系統(tǒng)包含沖洗功能，避免配制不同類消毒液時不同消毒液交叉混合的情況出現(xiàn)，提高設(shè)備的安全性和有效性。血液透析機(jī)消毒液配液系統(tǒng)操作簡單，有較高的推廣和應(yīng)用價值。

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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肇慶市第一人民醫(yī)院設(shè)備科 廣東 肇慶 526000

劉頌，男，（1986- ），本科學(xué)歷，工程師。肇慶市第一人民醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療設(shè)備的管理、維護(hù)、保養(yǎng)及維修工作。