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CN116747366A - 一种基于stm32的血液透析机检测仪及检测方法 - Google Patents

一种基于stm32的血液透析机检测仪及检测方法 Download PDF

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CN116747366A
CN116747366A CN202310430768.1A CN202310430768A CN116747366A CN 116747366 A CN116747366 A CN 116747366A CN 202310430768 A CN202310430768 A CN 202310430768A CN 116747366 A CN116747366 A CN 116747366A
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sensor
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夏航
叶剑飞
叶翠香
陈德坚
林长春
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Guangdong Shanwei Quality Metering Supervision Detection Institute
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Abstract

本发明公开了一种基于STM32的血液透析机检测仪及检测方法,包括依次连接的用于测量血压透析机信号的传感器、信号处理模块、数模转换电路和控制装置;控制装置还连接电源电路、显示器和主控电路;控制装置采用STM32F405RGT6芯片;传感器包括电导率传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器和pH电极;本发明可对血液透析机输出的压力、流量、PH、温度、电导率进行校准,可以单独进行检测也可以同时进行检测;结构简单,使用方便。

Description

一种基于STM32的血液透析机检测仪及检测方法
技术领域
本发明涉及血液透析机检测仪,具体涉及一种基于STM32的血液透析机检测仪及检测方法。
背景技术
血液透析技术广泛应用在肾病患者治疗过程中,血液和透析液在透析器内借助半透膜作充分接触,利用半透膜两侧液体浓度梯度进行物质交换,使血液中代谢废物和多余电解质向透析液移动,透析液中钙离子、碱基等有用物质向血液中移动,通过弥散现象来分离纯化血液使之达到净化目的。透析液电导率、流量和PH值等参数的准确性对透析效果起到关键影响作用,研究血液透析机的计量校准检测方法具有重要意义。
单一参数的检测不仅需要的检测设备多,而且检测也需要花费大量的时间。从检测效率来说,校准血液透析机的相关参数几乎都是在透析液管路中进行的,采用单一参数检测需要多次将不同的检测设备接入透析液管路中,操作过程不仅繁琐,还有可能会污染透析液,导致检测的参数误差偏大。因此,研究多参数实时检测技术对于血液透析机检测设备是很有必要的。
目前对于血液透析机关键参数实时检测分析技术的研究还不够,没有很好的建立起多参数检测的机制和方法,以致于血液透析机检测设备的检测效率低、步骤繁琐。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种结构简单、检测效率高的基于STM32的血液透析机检测仪及检测方法。
本发明采用的技术方案是:
一种基于STM32的血液透析机检测仪,包括依次连接的用于测量血压透析机信号的传感器、信号处理模块、数模转换电路和控制装置;控制装置还连接电源电路、显示器和主控电路;控制装置采用STM32F405RGT6芯片;传感器包括电导率传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器和pH电极。
进一步的,所述主控电路采用外部FLASH存储器,通过SPI总线与控制装置通信。
进一步的,所述电源电路入口端设置升压转换器,出口端设置有M个升压转换器和N个降压转换器。
进一步的,所述电导率传感器采用多电极传感器探头;还包括与电导率传感器连接的信号源激励模块;信号源激励模块连接量程切换模块,量程切换模块连接信号处理模块。
进一步的,还设置有温度补偿模块和温度校准模块;温度校准模块用于pH测量时进行温度的校准;温度补偿模块用于在电导率测量时进行温度补偿。
进一步的,所述信号处理模块包括依次连接的差分接收电路、同步解调电路、低通滤波电路和放大电路。
进一步的,还包括与控制装置连接的报警器和灯光器。
一种基于STM32的血液透析机检测仪的检测方法,包括以下步骤:
步骤1:启动检测仪,检查待检测溶液是否有气泡,如果有气泡排除干扰,若无气泡转入步骤2:
步骤2:检测流量;
步骤3:检测电导率;
步骤4:检测压力;
步骤5:将数据发送给显示器,显示器显示并处理数据;
步骤6:判断是否需要继续检测,若是则返回步骤2,若否则结束。
进一步的,所述步骤2中检测流量的过程如下:
S11:初始化参数,设置定时器的配置,启动检测程序;
S12:启动定时器,开启流量检测线程;
S13:进入线程入口函数,检测频率;
S14:判断是否需要继续检测,若是则返回步骤S13,若否则将频率转化为流量;
S15:保存流量值,关闭线程及定时器;
电导率检测过程如下:
S21:初始化参数,设置定时器配置,启动检测程序;
S22:获取测量数据,将数据采用DMA方式传输;
S23:判断是否需要继续传输若是则转入步骤S22,若否则转入通过串口传输到控制装置。
进一步的,所述压力检测过程如下:
S31:初始化参数,得到压力位刻度值;
S32:计算压力在零点的值,开启压力数据处理线程,启动检测程序;
S33:测量压力;
S34:判断是否需要继续测量,若是则转入步骤S33,若否则保存测量数据;
pH测量过程如下:
S41:初始化参数,abc通道求平均值,记录采集次数;
S42:设置温度系数,进行温度补偿;
S43:abc读取计算函数;
S44:判断是否需要校准,若是则转入步骤S43,若否则将数据传输至控制装置。
本发明的有益效果是:
(1)本发明可对血液透析机输出的压力、流量、PH、温度、电导率进行校准,可以单独进行检测也可以同时进行检测。
(2)本发明结构简单,使用方便。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明电导率测量模块连接示意图。
图3为本发明测量方法流程示意图。
图4为本发明pH检测流程示意图。
图5为本发明电导率检测流程示意图。
图6为本发明流量检测流程示意图。
图7为本发明压力检测流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明检测仪分别采集电导率传感器,压力传感器,流量传感器的信号,对模拟量进行检测并转化为电信号,经过相关电路进行信号处理,再由数模转换电路改变为数字信号,利用总线方式与单片机进行通信,MCU接收数据后,对数据进行分类运算,并将处理后的数据发送到显示器进行显示。
如图1所示,一种基于STM32的血液透析机检测仪,包括依次连接的用于测量血压透析机信号的传感器、信号处理模块、数模转换电路和控制装置;控制装置还连接电源电路、显示器和主控电路;控制装置采用STM32F405RGT6芯片;传感器包括电导率传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器和pH电极。
控制装置采用STM32F405RGT6芯片,该芯片以ARM32位的Cortex-M4 CPU作为核心,主频可达168MHz,同时具有1MB的ROM和192KB的RAM。另有17个定时器、51个通用I/O端口和4个UART。主控电路采用外部FLASH存储器,型号为:W25Q128JVSIQ,具有128MB空间,通过SPI总线方式与MCU进行通信,可以存储各项测量数据。
还包括电池测量装置和电池管理装置。电池输出电压为3.4V至4.2V,采用分压方式进行电池电量的实时测量,通过单片机内部ADC进行电压采集。BQ25606进行充电管理,将充电电压设置为最高电压4.2V,充电电流最大2.5A。同时利用红绿LED灯分别显示充电进行中与电池已充满两种状态。
电源电路入口端设置升压转换器,出口端设置有M个升压转换器和N个降压转换器。由于各器件需求电压不同,因此电路电源设计为多级电压分别供给的模式,入口端电压由TPS61230升压为5V。5V通过AMS1117-3.3降压3.3V。5V电源输入ADP1613产生±10V电压。另有5V通过TLV61046升压为12V。得到的这些特定电压就可以给各个部分供电。
电导率传感器采用多电极传感器探头。还包括与电导率传感器连接的信号源激励模块;信号源激励模块连接量程切换模块,量程切换模块连接信号处理模块。
电导率与温度有关,溶液温度和电导率成线性关系,随着温度升高,溶液中的离子无规则运动加快,导致了电导率也会升高。则需要进行温度补偿:
式中:σs为25℃时的标准电导率;σt为当前温度下的实时电导率;A为溶液电导率温度系数;T为当前测量温度。
信号处理模块包括依次连接的差分接收电路、同步解调电路、低通滤波电路和放大电路。采用上述处理后信号更加准确。还包括与控制装置连接的报警器和灯光器。若测量得到的参与超过设定阈值,则控制装置发送信号至报警器和灯光器,进行报警。
温度的测量依靠铂电阻的阻值来确定,铂丝电阻值与温度之间的关系用特性方程如下:
当温度t为0℃≤t≤650℃时
Rt=R0(At+Bt2 +1)
当温度t为-200℃≤t≤0℃时
Rt=R0(1+At+Bt2+C(t-100)t3)
式中:t为当前测试温度,R0为Pt100在0℃时的阻值,此时为100Ω;A、B、C为常量。
透析液压力测量选用压阻式压力传感器,输出方式为4-20mA电流输出。4-20mA经过一个250Ω电阻转换成1-5V的电压信号,在通过硬件电路设计一个减法器,将1-5V电压变成0-4V电压,在设计一个放大倍数为0.825的运算放大器,使得输出电压为0-3.3V。之后通过刻度实验,明确输出的电压和压力之间的关系,这样,输出的电压值就变成了所需要的压力值,但是由于测液体在管路中的压力值,需要考虑管路系统中的压力损失。管路系统中的压力损失为沿程压力损失与所有的局部压力损失之和,管路系统的总压力损失为:
t时刻实际的压力值应为t时刻刻度之后测得的压力值加上管路损失的压力,即为:
P实t=P刻t+ΔPL
式中:L为压力传感器距标准流量器出口的管路长度,D为管路直径,ρ为透析液的密度,v为流体的速度,λ为沿程阻力系数,ζ为局部阻力系数,P刻t为t时刻测得的刻度压力值。
流量传感器输出的是脉冲信号,通过测量脉冲的频率得出流量的大小,流量信号输入电路经过隔离芯片将5V信号转化为3.3V信号,后经反相器和比较器转换为差分信号,最后由LVDS信号转换为单端信号输入单片机进行采集。
一种基于STM32的血液透析机检测仪的检测方法,包括以下步骤:
步骤1:启动检测仪,检查待检测溶液是否有气泡,如果有气泡排除干扰,若无气泡转入步骤2:
步骤2:检测流量;
步骤3:检测电导率;
步骤4:检测压力;
步骤5:将数据发送给显示器,显示器显示并处理数据;
步骤6:判断是否需要继续检测,若是则返回步骤2,若否则结束。
通过检测频率来计算流量,首先,设置好定时器的相关配置,定时器模式设置为单次模式,设置超时函数和超时值,把传感器的有关参数写在一个结构体中,设置好引脚中断函数,其次,开启流量检测线程和定时器,将测得的数据保存下来。
如图6所示,检测流量的过程如下:
S11:初始化参数,设置定时器的配置,启动检测程序;
S12:启动定时器,开启流量检测线程;
S13:进入线程入口函数,检测频率;
S14:判断是否需要继续检测,若是则返回步骤S13,若否则将频率转化为流量;
S15:保存流量值,关闭线程及定时器。
当检测电导率时,需要先完成一些GPIO引脚的初始化配置,再配置好adc和dac的通道设置;此外,还需要配置好定时器,这样可以测得一段时间内的电导率变化情况,然后传输数据采用DMA方式,直接控制存储器与I/O接口进行DMA传输,数据传输完成之后,再通过串口无线模块进行数据通信。
如图5所示,电导率检测过程如下:
S21:初始化参数,设置定时器配置,启动检测程序;
S22:获取测量数据,将数据采用DMA方式传输;
S23:判断是否需要继续传输若是则转入步骤S22,若否则转入通过串口传输到控制装置。
首先对ad7124芯片的adc通道进行配置,之后配置好adc读取计算函数,计算出压力位刻度值;其次,需要计算出压力在零点的值,后面测得的压力减去零点的值才是实际的压力值,之后,开启压力数据处理线程,对测得的压力值进行处理。
如图7所示,压力检测过程如下:
S31:初始化参数,得到压力位刻度值;
S32:计算压力在零点的值,开启压力数据处理线程,启动检测程序;
S33:测量压力;
S34:判断是否需要继续测量,若是则转入步骤S33,若否则保存测量数据;
首先对ad7124芯片的adc通道进行配置,配置8个adc通道来接收缓存,然后每一个adc通道都求平均值并且记录下当前的采集次数。由于温度对PH的检测也有影响,所以需要进行温度补偿,配置好温度相关的系数,之后在配置好adc读取计算函数,通过它可以把测得的模拟量转化为数字信号,发送给主控芯片进行下一步处理;此外,需要设计PH和温度的校准模块,通过校准模块使得数据更准确。
pH测量过程如下:
S41:初始化参数,abc通道求平均值,记录采集次数;
S42:设置温度系数,进行温度补偿;
S43:abc读取计算函数;
S44:判断是否需要校准,若是则转入步骤S43,若否则将数据传输至控制装置。
采用本发明方法进行测量:
流量测量
选择一个可以稳定输出流速的标准器装置,利用标准器输出稳定液体后流入血液透析机主机检测装置中。通过流量标准装置控制流速,选取300-800L/min内以100L/min为间隔的各点进行了校准。测得误差在-0.59%至0.77%,按照血透检测仪校准规范要求,流量检测误差应在-1.5%至1.5%之间,符合校准规范要求。
pH值测量
先准备2瓶pH标准溶液,一个是pH为4.0的溶液,一个是pH为9.18的溶液。将pH电极连接控制装置,在开启恒温水浴槽,将温度设置为25℃,把pH标准液放入水浴槽中,静置5分钟,使得标准液温度维持在25℃,得到测量结果。结果如表1所示
表1.pH测量值与实际值
电导率测试
通过不同型号下的血液透析机主机检测装置,来测量相同条件下的电导率。结果如表2所示。
表2.电导率测试结果
温度测试
检测温度的过程中,通常是动态检测,因此需要设置透析液的流速,把流速设定在300ml/min-400ml/min,温度测试范围在24℃-40℃。动态温度测试结果如表3所示。入液误差为入液温度减去仪器测量值温度;出液温度为出液温度减去仪器测量值温度;把入液温度和出液温度的平均值作为标准值,出入液标准值误差为入液温度或出液温度减去标准值。
表3.温度测试结果
压力测试
血液透析机主机和压力标准器装置连接,将静(动)脉压力检测管三通端连接压力标准器的静(动)压通道,另一端连接血液透析机检测仪主机“压力通道”。压力标准器给检测装置提供压力,压力检测范围选取在-90kpa至90kpa之间,压力标准器示值为标准值,血液透析机主机检测值为测量值,测量值与标准值的差值为绝对误差,通过计算测得值与标准值的相对误差,来验证血液透析机压力检测装置是否符合校验标准。结果如表4所示:
表4.压力测试结果
本发明基于STM32F405微控制器和RT-thread操作系统,具有单独检测电导率、压力、流量、温度、PH等参数的功能,也具有同时检测多个参数的功能,能够完成校准血液透析机检测功能的任务。

Claims (10)

1.一种基于STM32的血液透析机检测仪,其特征在于,包括依次连接的用于测量血压透析机信号的传感器、信号处理模块、数模转换电路和控制装置;控制装置还连接电源电路、显示器和主控电路;控制装置采用STM32F405RGT6芯片;传感器包括电导率传感器、压力传感器、温度传感器、流量传感器和pH电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪,其特征在于,所述主控电路采用外部FLASH存储器,通过SPI总线与控制装置通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪,其特征在于,所述电源电路入口端设置升压转换器,出口端设置有M个升压转换器和N个降压转换器。
4.根据权利要求1所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪,其特征在于,所述电导率传感器采用多电极传感器探头;还包括与电导率传感器连接的信号源激励模块;信号源激励模块连接量程切换模块,量程切换模块连接信号处理模块。
5.根据权利要求2所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪,其特征在于,还设置有温度补偿模块和温度校准模块;温度校准模块用于pH测量时进行温度的校准;温度补偿模块用于在电导率测量时进行温度补偿。
6.根据权利要求1所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪,其特征在于,所述信号处理模块包括依次连接的差分接收电路、同步解调电路、低通滤波电路和放大电路。
7.根据权利要求1所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪,其特征在于,还包括与控制装置连接的报警器和灯光器。
8.如权利要求1~7所述任一种基于STM32的血液透析机检测仪的检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:启动检测仪,检查待检测溶液是否有气泡,如果有气泡排除干扰,若无气泡转入步骤2:
步骤2:检测流量;
步骤3:检测电导率;
步骤4:检测压力;
步骤5:将数据发送给显示器,显示器显示并处理数据;
步骤6:判断是否需要继续检测,若是则返回步骤2,若否则结束。
9.根据权利要求8所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪的检测方法,其特征在于,所述步骤2中检测流量的过程如下:
S11:初始化参数,设置定时器的配置,启动检测程序;
S12:启动定时器,开启流量检测线程;
S13:进入线程入口函数,检测频率;
S14:判断是否需要继续检测,若是则返回步骤S13,若否则将频率转化为流量;
S15:保存流量值,关闭线程及定时器;
电导率检测过程如下:
S21:初始化参数,设置定时器配置,启动检测程序;
S22:获取测量数据,将数据采用DMA方式传输;
S23:判断是否需要继续传输若是则转入步骤S22,若否则转入通过串口传输到控制装置。
10.根据权利要求8所述的一种基于STM32的血液透析机检测仪的检测方法,其特征在于,所述压力检测过程如下:
S31:初始化参数,得到压力位刻度值;
S32:计算压力在零点的值,开启压力数据处理线程,启动检测程序;
S33:测量压力;
S34:判断是否需要继续测量,若是则转入步骤S33,若否则保存测量数据;
pH测量过程如下:
S41:初始化参数,abc通道求平均值,记录采集次数;
S42:设置温度系数,进行温度补偿;
S43:abc读取计算函数;
S44:判断是否需要校准,若是则转入步骤S43,若否则将数据传输至控制装置。
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