胶囊内窥镜微型机器人仿真电路的设计
2019-09-26钟鸣川湛慧苗
□钟鸣川 湛慧苗
世界各国的相关研究机构和企业都在致力于主动控制式胶囊内窥镜的研究[1]，该技术方案有望应用于消化道内窥镜临床检测领域，改变传统推挽式内窥镜检测过程痛苦和被动式胶囊内窥镜耗时低效的现状[2]，推进主动控制式胶囊内窥镜检测的市场化，服务于医疗机构并造福于广大患者[3]。通过比较各种驱动方式，采用外部磁场驱动胶囊内窥镜机器人的驱动源是较好驱动方式。
一、仿真电路的设计
通过对外磁场驱动控制装置的动力模型原理的分析可知[4]，外部线圈的移动可以通过磁场来拖动体内磁体胶囊的运动，即胶囊的运动可以反映在线圈的运动上，所以只要所受控制的线圈按照既定的轨迹运动即可。由于实验条件的限制，故采用软件仿真。软件系统分为四个模块，其中包括按键控制模块(五个控制键)，控制处理模块(AT89C51芯片)，受控模块(三个步进电机)，显示模块(AMPIRE128×64)。而其中的受控模块步进电机又分为电机正转、电机反转、电机加速，电机减速的几部分组成，其主程序框图如图1所示。
当控制程序选择M1电机运动时，这时有励磁数字信号送入U2后(如图2所示)，通过控制对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动[5]。
图1 主程序结构框图
图2 步进电机及其驱动芯片
各个电机励磁信号如下：
uchar step_s[]={0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09,0x01,0x03};//1相2相励磁
uchar step_l[]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//顺时针
uchar step3_s[]={0x1f,0x3f,0x2f,0x6f,0x4f,0xcf,0x8f,0x9f};//电机2,3的励磁
uchar step3_l[]={0x9f,0x8f,0xcf,0x4f,0x6f,0x2f,0x3f,0x1f};
对于步进电机的速度调节则采用了延时函数，调节转速只要调节x的值即可，液晶显示上面则用了Display函数，只要控制显示的具体位置即可，具体控制如下：
void speed(uint x0,uint y0,uchar num0)
{switch(num0)
{case 0:x=50; Display(x0,0+2+2,y0*8,1); break;
case 1:x=100;Display(x0,0+2+2,y0*8,2);break;
case 2:x=200;Display(x0,0+2+2,y0*8,3);break;
case 3:x=500;Display(x0,0+2+2,y0*8,4);break;
……
}}
线圈和电机的总控制部分，利用AT89C51芯片的P2、P3口作为信号的输入端，输入信号由五个触点开关控制。
整个控制装置的组合构成如下：线圈1和电机M1的开闭，当线圈一闭合时，电机M1的运动才是有效的；线圈2和电机M2的开闭，当线圈二闭合时，电机M2的运动才是有效的；线圈3和电机M3的开闭，当线圈三闭合时，电机M3的运动才是有效的。
由于三个电机的控制方式基本相同，唯一的不同就是在实际应用中，他们控制线圈运动的方向不一样，步进电机的控制按键如图3所示。
图3 总控制开关
步进电机(M1为例说明)的触发和按键显示触发，主要是通过以图3所示的五个开关来控制，当开关断开时则是key0==0，当开关导通时则是key0==1，采用了if{ …… }的判断语句。三个电机的控制语句大致一样，采用了以下函数进行选择void stepmotor(){//ClearScreen(0);//清屏motor1();motor2();motor3();}电机M2、M3控制程序类似于电机M1的控制程序，只是触发控制的按键不同。控制电机M1按键KEY1的控制流程如图4所示。
图4 单一按键控制流程图
控制电路的显示部分，利用AT89C51芯片的P0口和P3口作为信号的输入端，通过显示屏来显示开始/停止。当有KEY1按键选择步进电机M1闭合时，显示屏上面显示“RUN：ON”，当有KEY1按键断开时，显示屏上面显示“RUN：OFF”，当触发点触开关正转/反转时，显示屏上面显示“STA：Z”，再次点触这个开关时，显示屏上面显示“STA：F”，当触发点触开关加速/减速，显示屏上面显示“SPD：1”、“SPD：2”、“SPD：3”、“SPD：4”四个档位的速度切换。通过对按键的控制，来控制电机的运作，再在显示屏上面显示，直观而有效。
电机M1的控制部分，利用AT89C51芯片的P1口中的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3作为信号的输入端，通过输出的信号来控制电机的转速和方向，如图5所示。
图5 电机控制图
用已经编写好的C语言程序(见附录程序A)在keil.uvision2仿真软件里面建立新的工程，加载(.c)文件名到Keil仿真软件里面打开，打开options for target选项，点击Output选项中的“create HEX File”生成(.hex)文件，点击Target选项，把其中的“Xtal(MHZ)”改成12.0，然后点击Keil软件里面的编译，即可生成(.hex)文件，在PROTUES仿真软件里面双击AT89C51芯片，即可弹出选项，将生成的(.hex)文件写入到芯片AT89C51里面，在PROTUES仿真软件里面点击开始，即可看见预想的结果。
二、结语
在现今高速发展的社会实情下，人们对自身的健康日益关注，肠胃道健康问题已成为关注的焦点之一，胶囊内窥镜不仅涉及到许多新领域、新技术、新知识，而且将这些领域的科技成果应用在胶囊内窥镜上，必将产生巨大的经济和社会效应。本文提出了一种由外磁场驱动控制的装置来控制胶囊在人体肠道中的运动，通过实验仿真软件的验证，证明此外磁场驱动控制装置确实有效而可靠。
