智能護理裝置控制系統的設計與實現

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 電子信息工程系，南昌 330031；2. 南昌大學 機電工程學院，南昌 330031）

0 引言

隨著經濟的發展，科技的進步，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，在調研國內外市面上護理裝置的基礎上，設計了智能護理裝置及其控制系統。護理裝置能夠自動檢測大、小便以及護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理細節，融合以上信息控制護理裝置的工作，時刻保障了患者和護理人員的安全。

1 智能護理裝置的主要功能

智能護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，分為處理主體和機箱兩部分。設有手動操作和自動檢測兩檔，手動擋是通過按鍵來實現沖洗大小便、清洗人體等功能，自動擋是通過控制系統來控制沖洗大小便、清洗人體等功能。具有大小便沖洗（自動、手動檔）、冷暖風烘干、水溫調節等功能，其中水溫三檔可調、風溫二檔可調。

2 智能護理裝置控制系統設計

控制系統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、氣壓監測模塊、水位檢測模塊、溫度檢測模塊等；軟件部分獲取各個傳感模塊的信息，并進行融合處理，然后將其送給主控制器進行分析，從而實現相應的功能，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2.1 智能護理裝置硬件設計

控制系統選用ATMEL公司的8位AVR單片機ATmega128[1]作為主控制器，它是一款RISC結構的高性能處理器，具有豐富的PWM口，適用于本護理裝置。水泵、風加熱絲通過ATmega128的硬件PWM輸出口進行控制，鍵盤選用4×4的矩陣鍵盤。

2.1.1 大便檢測模塊

沖洗大便是智能護理裝置的主要功能之一，在自動狀態下，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，考慮這兩個因素，設計了大便檢測模塊，主要由3mm普通紅外發光二極管、紅外接收二極管和LM567鎖相環音頻譯碼器組成[2,3]，其電路圖如圖2所示。工作原理：在發射端，由ATmega128的PWM波口（PE3口）控制紅外發光二級管發射占空比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行接收，并將其送給LM567進行譯碼，譯碼后的HWjieshou信號送至單片機PD6口，根據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，HWjieshou為低電平，無大便則為高電平。

圖2 大便檢測電路圖

本設計中，發射口和接收口距離為307mm，為了保證在該距離下LM567的3腳接收信號強度穩定在其閾值之上，發射電流需較大，但發光管和電阻R1的發熱量與電流大小呈正平方關系，為了兼顧所有，經過實驗測試發現，當R1為50歐、HWfashe占空比為27.5%時，發射距離最長、接收信號最穩定、R1發熱量較小。LM567對接收信號進行譯碼，若接收到與其內部頻率相同的信號，HWjieshou信號由高變低。內部壓控振蕩器中心頻率f2的計算公式[3]：

由于發射信號的頻率為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

由于尿液的導電性比清水強很多，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生的電流大很多，通過實驗驗證了這一點。

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

圖3 尿液檢測電路

2.1.3 氣壓監測模塊

用于冷、暖風烘干的氣體，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，這樣容易導致氣管發生破裂。如果在傳感系統中引入氣壓監測模塊，實時檢測氣路的壓力，一旦有氣管堵塞了，氣路壓力會上升。通過壓力監測模塊時刻監測氣管的壓力，一旦檢測到壓力達到臨界值時，由主控制器停止所有操作，進入報警模式，這樣保障了系統安全、正常工作。由于安裝空間狹小，選用上海奧博供應的AOB-131高性能壓力變送器，具有體積小、易于安裝、精度高且穩定性好等優點，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定步驟如下：

1）氣壓的標定

要進行氣壓監測，首先要標定氣壓傳感器的輸出信號與所測得氣壓之間的對應關系。本傳感器輸出信號為電流值，為了方便標定氣壓，將一阻值為100歐的采樣電阻串聯至電路中，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的關系來映射輸出電流I與P的關系。

圖4 氣壓監測電路圖

2）氣壓的采樣和轉換

當得到輸出信號和氣壓的數學關系后，單片機即可對輸出信號（采樣電阻上的△U）進行采樣并轉化成相應的氣壓值顯示出來。ATmega128有8個ADC口，我們選擇ADC0口來進行采樣和轉化。在工作過程中，實時檢測氣路的氣壓，氣壓的采樣和轉換程序如下：

2.1.4 水位檢測模塊

智能護理裝置有三處地方需要監測水位的高低，分別是回水桶、便槽和加熱水箱。其產生的影響分別是：如果回水桶水位過高，會導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，水位監測對智能護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、穩定性好等，根據上述要求，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LED燈會穩定點亮，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，設置水溫三檔可調，選用防水型DS18B20作為溫度傳感器[4]，具有體積小，功耗低，抗干擾能力強等優點，同時采用外部電源供電方式。

2.2 控制系統軟件設計

控制系統的程序包括主程序（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傳感器模塊子程序的信息，并對其進行綜合分析，然后調用相應的功能程序，是系統的核心。鍵盤掃描程序是在手動狀態下判斷哪個鍵按下了，然后調用對應的功能程序。

智能護理裝置設計的傳感模塊，一些是為了實現某一功能所必須的傳感模塊，一些是為了保證能夠更安全、更優良地工作而引入的傳感模塊。可見，這些傳感模塊對于系統安全、穩定工作是至關重要的，同時，準確、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。為了提高程序運行的穩定性和準確性，采用模塊化的設計思想[5]，給每個傳感模塊都編寫了獨立的子程序，在需要的地方進行調用，其中，每個獨立的子程序一方面要保證從傳感器獲取到的信息是準確無誤的，另一方面要實時把獲取到的信息傳給主控制器。

圖6 智能護理機器人結構示意圖

3 結論

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上進行性能測試（實驗次數大于100），測試結果如表1所示。

表1 測試結果

表1的測試數據表明，只用了水泵額定功率的85%就能把模擬物沖洗干凈，說明樣機的大小便沖洗效果良好，同時測試了樣機的其他性能，均達到了預期的要求，從而驗證了本控制系統的可靠性和可行性。

[1] 王少卿,霍迎輝. ATmega128 在開發應用中應注意的問題[J]. 微型機與應用,2004,(2)： 15-16.

[2] 朱高中. 基于單片機的紅外遙控解碼電路的設計[J]. 計算技術與自動化,2011,30(2)： 68-71.

[3] 雷建龍,李小兵. 基于LM567的實用型液位計的設計[J].自動化儀表,2007,28(10)： 4-5.

[4] 陳生翰,劉其洪,丁柱. 單總線數字溫度傳感器DS18B20自動識別的設計與實現[J]. 儀表技術與傳感器,2010,(5)： 16-18.

[5] 遲君平,王斌,李業友. 模塊化編程方法在PLC程序開發中的應用[J]. 微計算機信息,2005,21(6)： 26-27.