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一种多功能数控注射泵设计

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摘要：

随着人们越来越高地对健康生活的关注，促进了整个医药器械行业的发展。注射泵作为操作简单，能自动以设定的速度、方向注射或吸入液体，减小工作人员的工作量，提高安全性，广泛应用于输液、灌装及精密生化实验中的医疗器械[1,2]。然而国内的注射泵研发起步较晚，其他发达国家对此又存在技术壁垒，导致国产精密注射泵发展缓慢，注射精度较低，功能单一，控制基本全部靠手动操作[3]。通过学习研究机械电子自动化技术取代人工，降低使用难度，提高精度、效率。

1 系统整体设计方案

整个装置（样机）主要包括机械和电气及控制部分[4]。

1.1 机械结构

如图1 所示，两块透明亚克力板（厚度10mm）构成前后两支撑架，两支撑架架间由钢制圆滑导向支撑杆支撑连接，固定在由2080 型流水线铝型材构成的框架底座上，形成主结构框架；步进电机先固定在亚克力板材料的步进电机固定座上，连同支架一起固定在结构框架后侧，步进电机转轴通过联轴器与丝杆连接，丝杆利用轴承座固定在前后支架上；注射器推拉基座利用两滑动轴承和丝杆螺母共同固定在钢制圆滑导向支持杆上，滑动轴承、丝杠螺母与注射器活塞基座间为法兰盘结构固定，丝杆螺母将丝杆的旋转运动转化为沿轴向直线运动，其沿直线往复运动带动注射器活塞往复运动，使注射器完成注射或吸吮动作；注射器推拉基座上有活塞固定夹具，利用锁紧螺丝和夹板将活塞固定在注射器推拉基座上；注射器支撑板固定在主结构框架的前侧支架上，利用前结构支架上的固定压板和锁紧螺丝将注射器固定不动。

图1 整体机械结构图Fig.1 Overall mechanical structure注：1-框架底座；2-前侧支持架；3-后侧支撑架；4-步进电机固定座；5-步进电机；6-导向支撑杆；7-旋转螺杆；8-丝杆螺母；9-注射器活塞推拉基座；10-注射器活塞固定夹具；11-注射器支撑板；12-固定夹板；13-紧锁螺丝；14-没有螺纹的孔

旋转螺杆的导程为1mm（即旋转螺杆旋转一周，丝杆螺母移动1mm），步进电机每个脉冲旋转的旋转角度根据模式和信号的不同，可旋转的距离也各不相同。

1.2 电气与控制

如图2 所示，控制模块主要以STC89C51 单片机为中心，由TB6560 步进电机驱动器、矩阵键盘、脚踏开关、双关开关等组成。

控制中心使用宏晶科技公司生产的ST89C51 单片机，它是一款高速、高可靠、低功耗性增强型51 单片机[5]，机器周期可达1T。

图2 控制系统结构框图Fig.2 Block diagram of system control structure

图3 步进电机驱动模块电路图Fig.3 Circuit diagram of stepping motor driving module

采用以东芝公司生产的低功耗、两相混合步进电机驱动芯片TB6560 的驱动设计，TB6560 集成度、可靠性极高，外围电路设计简单，内部为双全桥MOS 管驱动，单相最大峰值输出电流3.5A，耐压最大值40V，可以整步、1/2、1/8、1/16 细分步进，支持步进电机从每分钟几十至千转的宽调速应用，具有过热、过流保护功能[6,7]。TB6560 驱动板采用的是DC24V 额定供电，由单片机提供两个信号：方向和步进脉冲。方向脉冲的高低电平对应正反转，步进脉冲一个脉冲可控制电机走一个角度。还有一个使能信号是可选的，这些信号是光耦输入。使能信号主要由矩阵键盘发出，矩阵键盘发出的信号可控制旋转角度的大小。步进电机驱动模块如图3 所示。

单片机通过P1 接线端子控制电机使能、正反转、启动状及控制脉冲，U3 为高速光电耦合芯片6N137，通过拨码开关S1 调节工作电流、电流衰减及电机工作方式。P2 接入24V 工作电源，P3 接步进电机A 相、B 相。

矩阵键盘连接89C51 单片机，脚踏开关可控制前进或后退，红开关为前进（注射），黑开关为后退（抽取）。矩阵默认信号为步进电机移动1mm，矩阵键盘上的“1”键、“2”键、“3”键可以分别控制步进电机移动0.1mm、0.2mm、0.5mm。“A”可以切换模式，在此模式下（未按下“A”键时）为点动模式（即脚踏开关松开后才工作）；当按下“A”键时切换为快退与快进（此时独立键盘失去作用），而双关开关可以将速度变为原来的1/8，而默认移动值也变为0.125mm，矩阵键盘上的“1”键、“2”键、“3”键可以分别控制步进电机移动0.0125mm、0.025mm、0.0625mm。

图4 系统程序框架图Fig.4 Program flow chart

2 程序设计

系统程序设计构架如图4 所示。程序设计主要是基于51 单片机的程序语言而编写与设计，运行程序主要由主程序和若干运行模块子程序模块构成[8]，子程序包括显示、计数、驱动等模块。

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/qikandaodu/2020/0915/643.html