基于STM32的无针注射系统的设计

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摘要：无针注射器的研制结合了物理、化学、生物、机械、计算机等多种学科，利用此项技术可以不使用传统注射器的针头，进行针对皮内、皮下等部位的给药，具有无痛、药物吸收好、操作方便、消除了交叉感染等诸多优点。安瓿瓶密封性的好坏是决定无针注射器性能的重要因素之一。本文主要设计了一种速度可调节并且可实时监测的无针注射系统。驱动器部分采用特制的音圈电机作为驱动安瓿的驱动器，硬件部分采样用STM32作为无针注射器的主控芯片，主要设计了无针注射器的发射、返回电路和加速度监测电路，利用高精度的加速度传感器ADXL001来测量音圈电机运动的速度，最后把加速度传感器采集到的数据发送给PC机，利用Matlab软件对采集到的数据进行分析和处理，来得到音圈电机运动的速度，然后利用相互的关系计算出安瓿中液体喷射的速度。
关键词：无针注射器；安瓿瓶；音圈电机；STM32；Matlab
一、 引言
无针注射技术是一种独特的经皮肤给药方法，它的原理是：利用动力在安瓿瓶内的药液从喷孔挤压而形成高速射流，射流的速度和压力足以刺破人体皮肤，从而在人体皮肤上制造一个小创口，并将药液注射进人体组织。跟传统的针刺注射相比，无针注射的优势显而易见，具有操作简单、注射时无痛感、药物吸收率高、无针刺伤害和交叉感染防止产生皮下结节以降低处理费用等诸多优点。一个标准的无针注射器的组成通常有三个部分，第一是用来吸取药液、存储药液和喷射药液的安瓿瓶；第二个是触发时产生推动安瓿瓶的动力装置（本文用的是音圈电机）；其次就是控制装置。为了克服动力源的缺陷，设计了以音圈电机为动力源、基于电磁力驱动的无针注射系统，并对此系统得射流速度进行分析，以便测得流体在不同的速度下，射进人体皮下组织的深浅度。
二、 音圈电机驱动的无针注射系统的原理
音圈电机是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机，具有结构简单、体积小、高速、高加速和响应快等特点。音圈电机的工作原理是依据安培力的原理，当给音圈电机通电时，通电线圈在磁场中产生沿轴线方向的电磁力，使动子带动负载做直线运动；本实验中我们改变线圈通电的时间来改变电磁力的大小，以此来改变音圈电机运动的快慢。在音圈电机发射出去之后，我们可以在电机两端加一个反向的电流，使运动出去的动子向后运动。我们在音圈电机的动子上面安装一个高性能加速度传感器（ADXL001），该芯片的输出脚通过一根引线可以直接接到模数转换器，最后再连接到单片机。音圈电机的结构如图1所示。
三、 音圈电机驱动的无针注射系统的设计
硬件系统采用STM32单片机为核心器件，主要设计了音圈电机驱动电路、音圈电机动子返回电路、加速度测量电路。系统框图如图2所示。
（一） 音圈电机驱动电路的设计
本文采用STM32作为驱动电路的主控芯片，硬件部分主要设计了音圈的电机的驱动电路，包括音电机的发射和返回电路。发射电路的原理是给电机通正向的电流，在安培力的作用下由线圈组成的动子向前运动，来产生一个推力推动安瓿瓶的运动。返回电路的原理是通过继电器切换来给音圈电机通一个反向的电流，来使发射出去的音圈电机的动子自动地收回来。具体电路图如图2。
图3中U1是一个光耦芯片，START接单片机的一个管脚，当START为低电平的时候光耦导通，场效应管的栅源级电压（GS间的电压）达到其开启电压，Q1导通，24 V的电压加到音圈电机两端，电机的定子向前运动。电机运动的快慢是通过改变场效应管导通的时间来确定的，导通的时间越长电磁力越大，运动速度就越快，也就是改变START管教通高低电平的时间，通低电平的时间越长，场效应管导通的时间越长，24 V的電压加到音圈电机两端的时间就越长，这样产生的电磁力越大，音圈电机就运动得越快。当START为高电平的时候，Q1未开启，电机不动。START1也接单片机的另一个管脚，当START1为低电平的时候，通过继电器切换，把5 V的电压加到音圈电机的两端，产生一个很小的电磁力把电机打出去的动子缓慢地收回来。需要注意的是，这里的5 V电源是提供音圈电机让其发转，收回动子的。它的地（DGND）和其他电源的地（AGND）是分开，也就是不共地。这样才能把电源分开，音圈电机正转和反转都不受干扰。
（二） 音圈电机动子速度的测量
定子速度测量包括加速度信号检测电路和AD转换电路。本文中加速度传感器选用的是ADXL001芯片，该型号的传感器具有体积小、低功耗、反应灵敏等特点。ADXL001加速度计采用全差分式传感器结构和电路路径，对EMI/RFI干扰具有出色的抑制能力。ADXL001是一款X轴加速度和振动检测器件，向引脚8标记振动时，产生趋正输出电压。它的输出脚可以直接连到ADC的输入，本文采用AD7606作为模数转换器来接收加速度传感器输出的电压信号，其通过总线方式跟单片机相连，最后通过485通讯把单片机采集到的信号发送给上位机，再用Matlab对接收到的数据进行处理分析。图4为加速度测量电路。
四、 实验数据及处理
本实验通过改变START管教通低电平的时间来改变音圈电机的运动速度。最后通过音圈电机动子上面固定的加速度传感器传回的电压的大小，来确定音圈电机运动的速度。下面就是START管教通不同时间的低电平测得的加速度的大小。把采集到的数据在MATLAB中进行分析。由于ADXL001传感器测到的是音圈电机运动的加速度，在音圈电机不动的时候测得ADXL001返回的电压为2.6 V，当电机加速运行时传感器返回的电压大于2.6 V，当电机减速运行时传感器返回的电压低于2.6 V，已知ADXL001传感器输出的灵敏度标称值为24.2 mV/g，模数转换器AD7606的采样频率为50 Khz，这样就能得到每一时刻电机运行的速度。我们在不同的时刻取电机运动的1000个点来分析其速度的大小。图5表示START管脚通电平30 ms时候测得的加速度，图6表示START管脚通电平60 ms时候测得的加速度，图7表示START管脚通电平70 ms时候测得的加速度，图8表示START管脚通电平200 ms时候测得的加速度。
由上图可知，音圈电机的运动过程是先加速运行再减速运行直到最后停止，本文只测音圈电机速度的大小，所以只需要计算加速的过程，减速的过程无需考虑，这样我们主要分析前300个点。由图像可知START管教通低电平的时间越长，电机加速运动的时间就越长，电机的速度就越大。
实验中我们用的安瓿瓶活塞的直径为3.38 mm，孔径为100 um，活塞的速度跟音圈电机动子的速度是相同的。所以在START管脚通不同时间低电平的情况下，取5组电机运动速度进行分析。最后利用MATLAB计算期间的关系，得到以下几组数据如表1所示。
五、 结论
本文设计了一种速度可调节并且可测量的基于音圈电机的无针注射系统，此系统的硬件是基于STM32单片机实现的，具有结构简单、操作方便、易于控制等优点。这是一种全新的音圈电机的驱动电路，相对于传统的音圈电机驱动电路来说具有很好的应用前景。
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作者简介：张研，安徽省合肥市，安徽省合肥市第六中学高三31班；杨道业，江苏省南京市，南京工业大学电气工程与控制科学学院。