智能护理装置控制系统的设计与实现

2012-04-10周祖茗彭向东

制造业自动化 2012年16期

刘兴，张华，周祖茗，彭向东

LIU Xing1,ZHANG Hua2,ZHOU Zu-ming2,PENG Xiang-dong2

（1. 南昌大学电子信息工程系，南昌 330031；2. 南昌大学机电工程学院，南昌 330031）

0 引言

随着经济的发展，科技的进步，在照料长期卧床、瘫痪或下肢行动不便的老人或患者方面，不再简简单单是有人照料的问题，而是追求更高质量的照料，让被照料者更舒服、照料者更轻松。面对这一难题，在调研国内外市面上护理装置的基础上，设计了智能护理装置及其控制系统。护理装置能够自动检测大、小便以及护理过程中便槽污水溢出、水箱低水位、回收桶高水位和有泄漏等护理细节，融合以上信息控制护理装置的工作，时刻保障了患者和护理人员的安全。

1 智能护理装置的主要功能

智能护理装置的用途是解决长期卧床、瘫痪或下肢行动不便的老人或患者的大小便问题，分为处理主体和机箱两部分。设有手动操作和自动检测两档，手动挡是通过按键来实现冲洗大小便、清洗人体等功能，自动挡是通过控制系统来控制冲洗大小便、清洗人体等功能。具有大小便冲洗（自动、手动档）、冷暖风烘干、水温调节等功能，其中水温三档可调、风温二档可调。

2 智能护理装置控制系统设计

控制系统由硬件和软件两部分组成，其中，硬件部分主要包括大便检测模块、尿液检测模块、气压监测模块、水位检测模块、温度检测模块等；软件部分获取各个传感模块的信息，并进行融合处理，然后将其送给主控制器进行分析，从而实现相应的功能，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.1 智能护理装置硬件设计

控制系统选用ATMEL公司的8位AVR单片机ATmega128[1]作为主控制器，它是一款RISC结构的高性能处理器，具有丰富的PWM口，适用于本护理装置。水泵、风加热丝通过ATmega128的硬件PWM输出口进行控制，键盘选用4×4的矩阵键盘。

2.1.1 大便检测模块

冲洗大便是智能护理装置的主要功能之一，在自动状态下，如何检测到大便是首要解决的问题。由于便槽空间狭小，且要求安装后不易于残留污物，考虑这两个因素，设计了大便检测模块，主要由3mm普通红外发光二极管、红外接收二极管和LM567锁相环音频译码器组成[2,3]，其电路图如图2所示。工作原理：在发射端，由ATmega128的PWM波口（PE3口）控制红外发光二级管发射占空比27.5%、频率1kHz的HWfashe信号，接收端由红外接收二极管对该信号进行接收，并将其送给LM567进行译码，译码后的HWjieshou信号送至单片机PD6口，根据PD6口电平的高低决定是否启动大便冲洗程序。其中，便槽中有大便时，HWjieshou为低电平，无大便则为高电平。

图2 大便检测电路图

本设计中，发射口和接收口距离为307mm，为了保证在该距离下LM567的3脚接收信号强度稳定在其阈值之上，发射电流需较大，但发光管和电阻R1的发热量与电流大小呈正平方关系，为了兼顾所有，经过实验测试发现，当R1为50欧、HWfashe占空比为27.5%时，发射距离最长、接收信号最稳定、R1发热量较小。LM567对接收信号进行译码，若接收到与其内部频率相同的信号，HWjieshou信号由高变低。内部压控振荡器中心频率f2的计算公式[3]：

由于发射信号的频率为1kHz，则定C6容值为1uf，R3阻值由变阻器滑动确定。

2.1.2 尿液检测模块

由于尿液的导电性比清水强很多，也就是说，在条件相同的情况下，在尿液中通电比在清水中通电产生的电流大很多，通过实验验证了这一点。

根据上述分析，在便槽底部安装两个螺钉（特制）。当尿液流过便槽时，尿液浸没螺钉末端，在有电压的情况下，两个螺钉之间导通而产生电流（电流的大小与尿液的浓稀、螺钉的材质和截面积、两个螺钉之间的距离d有关）,该电流通过LM339比较器可转化为TTL电平信号送给单片机进行处理。经过多次试验调整外围电路电阻R44、R49阻值，使电路在可以识别溶度很低的尿液的同时仍可正确的区分水和尿液，电路图如图3所示，其中 P20为螺钉与电路板的专用接口。当有尿液流过时，P20的1、2脚导通（相对清水来说，尿液很容易导通），此时LM339的反相输入端4脚为低电平，根据LM339的特性，2脚输出高电平；当有清水流过或断开时，2脚输出低电平。

图3 尿液检测电路

2.1.3 气压监测模块

用于冷、暖风烘干的气体，是通过气泵输送的，具有一定的压力，在烘干过程中，气路可能会堵塞，这样容易导致气管发生破裂。如果在传感系统中引入气压监测模块，实时检测气路的压力，一旦有气管堵塞了，气路压力会上升。通过压力监测模块时刻监测气管的压力，一旦检测到压力达到临界值时，由主控制器停止所有操作，进入报警模式，这样保障了系统安全、正常工作。由于安装空间狭小，选用上海奥博供应的AOB-131高性能压力变送器，具有体积小、易于安装、精度高且稳定性好等优点，它集合了硅压阻传感器和微型放大器处理电路，测量范围为 -0.1～0～60MPa，输出信号为 4～20mADC，供电电源12～36VDC可选，我们选择24VDC。压力变送器的具体设定步骤如下：

1）气压的标定

要进行气压监测，首先要标定气压传感器的输出信号与所测得气压之间的对应关系。本传感器输出信号为电流值，为了方便标定气压，将一阻值为100欧的采样电阻串联至电路中，如图4，用万用表测出在不同气压下电阻两端的△U并做记录，用△U和气压P的关系来映射输出电流I与P的关系。

图4 气压监测电路图

2）气压的采样和转换

当得到输出信号和气压的数学关系后，单片机即可对输出信号（采样电阻上的△U）进行采样并转化成相应的气压值显示出来。ATmega128有8个ADC口，我们选择ADC0口来进行采样和转化。在工作过程中，实时检测气路的气压，气压的采样和转换程序如下：

2.1.4 水位检测模块

智能护理装置有三处地方需要监测水位的高低，分别是回水桶、便槽和加热水箱。其产生的影响分别是：如果回水桶水位过高，会导致回收桶中的脏水溢出；在冲洗大小便过程中，便槽中的水位过高，会溢到便槽外；如果加热水箱清水水位过低，则没有足够的清水用于冲洗大小便。

可见，水位监测对智能护理装置正常工作显得很重要，且要求传感器体积小、易于安装、稳定性好等，根据上述要求，选用FJY-001非接触式液位传感器，该传感器可以用螺丝或AB胶固定在容器的外壁。其为集电极输出，电路如图5所示。若容器内的被测液体所覆盖的面积占传感器面积的一半以上，液位状态LED灯会稳定点亮，且output脚输出高电平，否则会闪烁或不亮，且输出低电平。

图5 水位检测电路图

2.1.5 温度检测模块

用来测量加热水箱中的清水的温度，设置水温三档可调，选用防水型DS18B20作为温度传感器[4]，具有体积小，功耗低，抗干扰能力强等优点，同时采用外部电源供电方式。

2.2 控制系统软件设计

控制系统的程序包括主程序（如图6所示）、大便检测程序、尿液检测程序、气压检测程序、水位检测程序和温度检测程序等。主程序的作用是获取各个传感器模块子程序的信息，并对其进行综合分析，然后调用相应的功能程序，是系统的核心。键盘扫描程序是在手动状态下判断哪个键按下了，然后调用对应的功能程序。

智能护理装置设计的传感模块，一些是为了实现某一功能所必须的传感模块，一些是为了保证能够更安全、更优良地工作而引入的传感模块。可见，这些传感模块对于系统安全、稳定工作是至关重要的，同时，准确、可靠地获取传感模块的信息是重中之重。若获取到的传感模块的信息有误，调用的功能程序就不同，这样会造成意想不到的后果。为了提高程序运行的稳定性和准确性，采用模块化的设计思想[5]，给每个传感模块都编写了独立的子程序，在需要的地方进行调用，其中，每个独立的子程序一方面要保证从传感器获取到的信息是准确无误的，另一方面要实时把获取到的信息传给主控制器。