智能護(hù)理裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 興，張 華，周祖茗，彭向東

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

（1. 南昌大學(xué) 電子信息工程系，南昌 330031；2. 南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，在照料長期臥床、癱瘓或下肢行動不便的老人或患者方面，不再簡簡單單是有人照料的問題，而是追求更高質(zhì)量的照料，讓被照料者更舒服、照料者更輕松。面對這一難題，在調(diào)研國內(nèi)外市面上護(hù)理裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了智能護(hù)理裝置及其控制系統(tǒng)。護(hù)理裝置能夠自動檢測大、小便以及護(hù)理過程中便槽污水溢出、水箱低水位、回收桶高水位和有泄漏等護(hù)理細(xì)節(jié)，融合以上信息控制護(hù)理裝置的工作，時(shí)刻保障了患者和護(hù)理人員的安全。

1 智能護(hù)理裝置的主要功能

智能護(hù)理裝置的用途是解決長期臥床、癱瘓或下肢行動不便的老人或患者的大小便問題，分為處理主體和機(jī)箱兩部分。設(shè)有手動操作和自動檢測兩檔，手動擋是通過按鍵來實(shí)現(xiàn)沖洗大小便、清洗人體等功能，自動擋是通過控制系統(tǒng)來控制沖洗大小便、清洗人體等功能。具有大小便沖洗（自動、手動檔）、冷暖風(fēng)烘干、水溫調(diào)節(jié)等功能，其中水溫三檔可調(diào)、風(fēng)溫二檔可調(diào)。

2 智能護(hù)理裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中，硬件部分主要包括大便檢測模塊、尿液檢測模塊、氣壓監(jiān)測模塊、水位檢測模塊、溫度檢測模塊等；軟件部分獲取各個(gè)傳感模塊的信息，并進(jìn)行融合處理，然后將其送給主控制器進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 智能護(hù)理裝置硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用ATMEL公司的8位AVR單片機(jī)ATmega128[1]作為主控制器，它是一款RISC結(jié)構(gòu)的高性能處理器，具有豐富的PWM口，適用于本護(hù)理裝置。水泵、風(fēng)加熱絲通過ATmega128的硬件PWM輸出口進(jìn)行控制，鍵盤選用4×4的矩陣鍵盤。

2.1.1 大便檢測模塊

沖洗大便是智能護(hù)理裝置的主要功能之一，在自動狀態(tài)下，如何檢測到大便是首要解決的問題。由于便槽空間狹小，且要求安裝后不易于殘留污物，考慮這兩個(gè)因素，設(shè)計(jì)了大便檢測模塊，主要由3mm普通紅外發(fā)光二極管、紅外接收二極管和LM567鎖相環(huán)音頻譯碼器組成[2,3]，其電路圖如圖2所示。工作原理：在發(fā)射端，由ATmega128的PWM波口（PE3口）控制紅外發(fā)光二級管發(fā)射占空比27.5%、頻率1kHz的HWfashe信號，接收端由紅外接收二極管對該信號進(jìn)行接收，并將其送給LM567進(jìn)行譯碼，譯碼后的HWjieshou信號送至單片機(jī)PD6口，根據(jù)PD6口電平的高低決定是否啟動大便沖洗程序。其中，便槽中有大便時(shí)，HWjieshou為低電平，無大便則為高電平。

圖2 大便檢測電路圖

本設(shè)計(jì)中，發(fā)射口和接收口距離為307mm，為了保證在該距離下LM567的3腳接收信號強(qiáng)度穩(wěn)定在其閾值之上，發(fā)射電流需較大，但發(fā)光管和電阻R1的發(fā)熱量與電流大小呈正平方關(guān)系，為了兼顧所有，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R1為50歐、HWfashe占空比為27.5%時(shí)，發(fā)射距離最長、接收信號最穩(wěn)定、R1發(fā)熱量較小。LM567對接收信號進(jìn)行譯碼，若接收到與其內(nèi)部頻率相同的信號，HWjieshou信號由高變低。內(nèi)部壓控振蕩器中心頻率f2的計(jì)算公式[3]：

由于發(fā)射信號的頻率為1kHz，則定C6容值為1uf，R3阻值由變阻器滑動確定。

2.1.2 尿液檢測模塊

由于尿液的導(dǎo)電性比清水強(qiáng)很多，也就是說，在條件相同的情況下，在尿液中通電比在清水中通電產(chǎn)生的電流大很多，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

根據(jù)上述分析，在便槽底部安裝兩個(gè)螺釘（特制）。當(dāng)尿液流過便槽時(shí)，尿液浸沒螺釘末端，在有電壓的情況下，兩個(gè)螺釘之間導(dǎo)通而產(chǎn)生電流（電流的大小與尿液的濃稀、螺釘?shù)牟馁|(zhì)和截面積、兩個(gè)螺釘之間的距離d有關(guān)）,該電流通過LM339比較器可轉(zhuǎn)化為TTL電平信號送給單片機(jī)進(jìn)行處理。經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)整外圍電路電阻R44、R49阻值，使電路在可以識別溶度很低的尿液的同時(shí)仍可正確的區(qū)分水和尿液，電路圖如圖3所示，其中 P20為螺釘與電路板的專用接口。當(dāng)有尿液流過時(shí)，P20的1、2腳導(dǎo)通（相對清水來說，尿液很容易導(dǎo)通），此時(shí)LM339的反相輸入端4腳為低電平，根據(jù)LM339的特性，2腳輸出高電平；當(dāng)有清水流過或斷開時(shí)，2腳輸出低電平。

圖3 尿液檢測電路

2.1.3 氣壓監(jiān)測模塊

用于冷、暖風(fēng)烘干的氣體，是通過氣泵輸送的，具有一定的壓力，在烘干過程中，氣路可能會堵塞，這樣容易導(dǎo)致氣管發(fā)生破裂。如果在傳感系統(tǒng)中引入氣壓監(jiān)測模塊，實(shí)時(shí)檢測氣路的壓力，一旦有氣管堵塞了，氣路壓力會上升。通過壓力監(jiān)測模塊時(shí)刻監(jiān)測氣管的壓力，一旦檢測到壓力達(dá)到臨界值時(shí)，由主控制器停止所有操作，進(jìn)入報(bào)警模式，這樣保障了系統(tǒng)安全、正常工作。由于安裝空間狹小，選用上海奧博供應(yīng)的AOB-131高性能壓力變送器，具有體積小、易于安裝、精度高且穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，它集合了硅壓阻傳感器和微型放大器處理電路，測量范圍為 -0.1～0～60MPa，輸出信號為 4～20mADC，供電電源12～36VDC可選，我們選擇24VDC。壓力變送器的具體設(shè)定步驟如下：

1）氣壓的標(biāo)定

要進(jìn)行氣壓監(jiān)測，首先要標(biāo)定氣壓傳感器的輸出信號與所測得氣壓之間的對應(yīng)關(guān)系。本傳感器輸出信號為電流值，為了方便標(biāo)定氣壓，將一阻值為100歐的采樣電阻串聯(lián)至電路中，如圖4，用萬用表測出在不同氣壓下電阻兩端的△U并做記錄，用△U和氣壓P的關(guān)系來映射輸出電流I與P的關(guān)系。

圖4 氣壓監(jiān)測電路圖

2）氣壓的采樣和轉(zhuǎn)換

當(dāng)?shù)玫捷敵鲂盘柡蜌鈮旱臄?shù)學(xué)關(guān)系后，單片機(jī)即可對輸出信號（采樣電阻上的△U）進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的氣壓值顯示出來。ATmega128有8個(gè)ADC口，我們選擇ADC0口來進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)化。在工作過程中，實(shí)時(shí)檢測氣路的氣壓，氣壓的采樣和轉(zhuǎn)換程序如下：

2.1.4 水位檢測模塊

智能護(hù)理裝置有三處地方需要監(jiān)測水位的高低，分別是回水桶、便槽和加熱水箱。其產(chǎn)生的影響分別是：如果回水桶水位過高，會導(dǎo)致回收桶中的臟水溢出；在沖洗大小便過程中，便槽中的水位過高，會溢到便槽外；如果加熱水箱清水水位過低，則沒有足夠的清水用于沖洗大小便。

可見，水位監(jiān)測對智能護(hù)理裝置正常工作顯得很重要，且要求傳感器體積小、易于安裝、穩(wěn)定性好等，根據(jù)上述要求，選用FJY-001非接觸式液位傳感器，該傳感器可以用螺絲或AB膠固定在容器的外壁。其為集電極輸出，電路如圖5所示。若容器內(nèi)的被測液體所覆蓋的面積占傳感器面積的一半以上，液位狀態(tài)LED燈會穩(wěn)定點(diǎn)亮，且output腳輸出高電平，否則會閃爍或不亮，且輸出低電平。

圖5 水位檢測電路圖

2.1.5 溫度檢測模塊

用來測量加熱水箱中的清水的溫度，設(shè)置水溫三檔可調(diào)，選用防水型DS18B20作為溫度傳感器[4]，具有體積小，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用外部電源供電方式。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序包括主程序（如圖6所示）、大便檢測程序、尿液檢測程序、氣壓檢測程序、水位檢測程序和溫度檢測程序等。主程序的作用是獲取各個(gè)傳感器模塊子程序的信息，并對其進(jìn)行綜合分析，然后調(diào)用相應(yīng)的功能程序，是系統(tǒng)的核心。鍵盤掃描程序是在手動狀態(tài)下判斷哪個(gè)鍵按下了，然后調(diào)用對應(yīng)的功能程序。

智能護(hù)理裝置設(shè)計(jì)的傳感模塊，一些是為了實(shí)現(xiàn)某一功能所必須的傳感模塊，一些是為了保證能夠更安全、更優(yōu)良地工作而引入的傳感模塊。可見，這些傳感模塊對于系統(tǒng)安全、穩(wěn)定工作是至關(guān)重要的，同時(shí)，準(zhǔn)確、可靠地獲取傳感模塊的信息是重中之重。若獲取到的傳感模塊的信息有誤，調(diào)用的功能程序就不同，這樣會造成意想不到的后果。為了提高程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想[5]，給每個(gè)傳感模塊都編寫了獨(dú)立的子程序，在需要的地方進(jìn)行調(diào)用，其中，每個(gè)獨(dú)立的子程序一方面要保證從傳感器獲取到的信息是準(zhǔn)確無誤的，另一方面要實(shí)時(shí)把獲取到的信息傳給主控制器。

圖6 智能護(hù)理機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

分別用自制的土豆泥、豆瓣醬和南方芝麻糊模擬大便在樣機(jī)上進(jìn)行性能測試（實(shí)驗(yàn)次數(shù)大于100），測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

表1的測試數(shù)據(jù)表明，只用了水泵額定功率的85%就能把模擬物沖洗干凈，說明樣機(jī)的大小便沖洗效果良好，同時(shí)測試了樣機(jī)的其他性能，均達(dá)到了預(yù)期的要求，從而驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)的可靠性和可行性。

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