基于單片機(jī)的X射線胃腸診斷床旋轉(zhuǎn)控制方法研究

張敏燕 王雅楠 李尚

摘 ?要： 本文對X線腸胃診斷床旋轉(zhuǎn)控制方法進(jìn)行研究，采用可變差動支點結(jié)構(gòu)實現(xiàn)X線腸胃機(jī)診視床在旋轉(zhuǎn)的同時床體斜向上升，利用單片機(jī)控制電機(jī)速度，實現(xiàn)床身旋轉(zhuǎn)過程中床尾不會觸及地面。

關(guān)鍵詞： X線胃腸機(jī);可變差動支點;單片機(jī)控制

中圖分類號： TP211+.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.021

本文著錄格式：張敏燕，王雅楠，李尚，等. 基于單片機(jī)的X射線胃腸診斷床旋轉(zhuǎn)控制方法研究[J]. 軟件，2019，40（4）：100-102

【Abstract】： This paper focuses on studying the control methods of the rotation of X-ray gastrointestinal diagnostic table. In order to avoid the bottom of diagnostic table touching the floor while it is rotating，variable and differential pivot mechanical structure is used to realize the diagnostic table rotatses and rises at the same time， and the rotation rate of electromotor is controlled by single-chip microcomputer.

【Key words】： X-ray gastrointestinal machine; Variable and differential pivot; Single-chip microcomputer

0 ?引言

當(dāng)前國際各行各業(yè)的競爭日趨激烈，而科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展起到了強(qiáng)有力的推動作用，一個國家綜合競爭力的提高需要一大批具備創(chuàng)新思維及科研能力的高素質(zhì)人才。因此，全國各高校都在努力培養(yǎng)既掌握專業(yè)知識，又具備較強(qiáng)創(chuàng)新能力的大學(xué)生。為此，教育部在“十二五”期間實施國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，旨在促進(jìn)高等院校轉(zhuǎn)變觀念，改革人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)創(chuàng)新性人才，從而提高國家在國際上的綜合競爭力[1]。

創(chuàng)新訓(xùn)練項目是本科生個人或團(tuán)隊，在指導(dǎo)老師的協(xié)助下，自主完成創(chuàng)新性研究項目的設(shè)計、實施、研究報告撰寫、成果（學(xué)術(shù)）交流等方面的科學(xué)訓(xùn)練工作[2]。本項目來源于校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，由學(xué)生自主組隊、自行選題，在教師的指導(dǎo)下，完成課題申報、設(shè)計、樣機(jī)加工并撰寫結(jié)題報告。

1 ?項目背景

醫(yī)用胃腸X射線機(jī)用于呼吸系統(tǒng)、消化道系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、膽道、下肢靜脈、子宮輸卵管等各種造影以及部分介入放射治療，也用于透視下進(jìn)行骨折復(fù)位、取異物等[3-4]。因此，在檢查過程中要求無須病人轉(zhuǎn)動，即可完成多體位、多角度的觀察、點片，方便醫(yī)生的操作。

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，診斷床面移動功能包括：床面的升降、縱向移動、橫向移動和轉(zhuǎn)動，床身轉(zhuǎn)動范圍為水平方向90°～0°～-25°[5]，要求旋轉(zhuǎn)過程中床身能自動鎖定[6]，并且床身末端不能“觸地”，才能實現(xiàn)如此大范圍的轉(zhuǎn)動。

因此，本設(shè)計采用可變差動支點的結(jié)構(gòu)，使床面在轉(zhuǎn)動過程中同時斜向上升，床面旋轉(zhuǎn)和斜向上升速度按照一定比例差動，保證旋轉(zhuǎn)過程中床身末端不觸地的實現(xiàn)床身轉(zhuǎn)動到垂直位置，即90°。

2 ?項目內(nèi)容

2.1 ?可變差動支點結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為可變差動支點的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，圖2為加工模型機(jī)，傳動分為如下三個部分：

（1）床面旋轉(zhuǎn)：小齒輪1與扇形齒輪2嚙合，實現(xiàn)床面轉(zhuǎn)動。

（2）床面斜向上升：同步帶從動輪8與齒輪3同軸，齒輪3帶動齒條7移動，實現(xiàn)床身斜向上升。

（3）差動的實現(xiàn)：同一個動力源（步進(jìn)電機(jī)）通過蝸桿11帶動渦輪10，渦輪10與小齒輪1同軸，小齒輪1帶動扇形齒輪2，實現(xiàn)床面轉(zhuǎn)動。同時，同步帶主動輪9與從動輪8直徑大小的不同形成一定的傳動比，達(dá)到差動效果。通過合理的速度配比，同步帶從動輪8帶動齒輪3、齒條7，使床面在轉(zhuǎn)動的同時斜向上升，保證轉(zhuǎn)動過程中床尾始終不會碰到地面。

2.2 ?差動比計算

扇形齒輪的旋轉(zhuǎn)角速度與床面移動速度配比合適才能實現(xiàn)床身旋轉(zhuǎn)過程中床身末端不觸地，因此必須嚴(yán)格計算差動比。

其中ν為床面移動速度，ω為扇形齒輪2角速度，r為齒輪3的半徑，r1為同步帶主動輪9直徑， n1為扇形齒輪2齒數(shù)，r2為同步帶從動輪8直徑，n2為小齒輪1齒數(shù)。

2.3 ?電機(jī)選型

步進(jìn)電機(jī)是醫(yī)療設(shè)備中廣泛使用的一種電機(jī)，又被稱為脈沖電動機(jī)或者階躍電動機(jī)，其工作原理是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移[8]。在控制中，可以利用輸入電脈沖的頻率、數(shù)量和各相繞組的通電順序來精確控制電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和定位，幾乎不受電壓和環(huán)境溫度等影響，并且誤差小[9]。

經(jīng)過計算選型[10-11]，本設(shè)計選擇J-5718HB5401型步進(jìn)電機(jī)和DM542電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)的扭矩為3.1 N·m，足以平穩(wěn)驅(qū)動模型。

2.4 ?單片機(jī)控制

基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并且特別適合要求性能穩(wěn)定、誤差率低、響應(yīng)迅速、運(yùn)行時噪音小、具有較長的使用壽命以及能輸出較大扭矩的場合[12]。

本文設(shè)計了基于STC89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)采用Keil編寫[13]，系統(tǒng)由初始化模塊、按鍵模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊等幾個部分組成。經(jīng)過調(diào)試，電機(jī)驅(qū)動器正常工作，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)可控，達(dá)到預(yù)期效果。

由于醫(yī)療器械大多采用常開按鍵，因此系統(tǒng)設(shè)計為：按下右鍵電機(jī)正轉(zhuǎn)實現(xiàn)床體順時針旋轉(zhuǎn);按下左鍵電機(jī)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)床體逆時針旋轉(zhuǎn)。按鍵松開則停止旋轉(zhuǎn)，床身可以停止在任意位置，實現(xiàn)多體位檢查。

程序控制時，首先掃描按鍵輸出端，檢測是否有按鍵動作發(fā)生，如果沒有按鍵動作發(fā)生，則電機(jī)不工作。在程序中，還加入消抖功能，當(dāng)檢測到輸入時，運(yùn)行延時函數(shù)，接著再次對按鍵輸端進(jìn)行掃描，如果仍能檢測到輸入，則說明真的有按鍵動作發(fā)生，否則按鍵輸出是由抖動產(chǎn)生，最后將所確認(rèn)的按鍵輸出反饋給主程序。

主程序檢測到有按鍵發(fā)生，則判斷是左鍵還是右鍵，無論是哪個鍵按下，都會通過控制輸出端的高電平和低電平，輸出一定頻率的脈沖波，從而實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)控制[14-15]。單片機(jī)控制流程如圖3所示。

單片機(jī)控制部分程序代碼如下：

sbit left_button = P3 ^ 0;

sbit right_button = P3 ^ 1; /*定義按鍵端口*/

sbit left_flag = P2 ^ 0;

sbit right_flag = P2 ^ 1; /*定義指示燈輸出端口。在此，F(xiàn)lag變量均為指示燈*/

sbit out = P1 ^ 2;

sbit dir = P1 ^ 3; /*定義轉(zhuǎn)動脈沖方向，脈沖輸出端口*/

unsigned int temp1 = 0;

unsigned int i = 0;

void main（）

{

dir = 1;

for （;;）

{

/*檢查按鍵是否按下*/

temp1 = left_button;

delay（1）; /*防止輕觸按鍵抖動誤動作*/

if （temp1 == left_button）

{

dir = 1;

left_flag = 0;

while （left_button ！= 1）

{

out = 1;

delay（1）;

out = 0;

delay（1）;

}

left_flag = 1;

}

temp1 = 0;

temp1 = right_button;

delay（1）;

if （temp1 == right_button）

{

dir = 0;

right_flag = 0;

while （right_button ！= 1）

{

out = 1;

delay（1）;

out = 0;

delay（1）;

}

right_flag = 1;

}

temp1 = 0;

}

}

3 ?結(jié)束語

本項目設(shè)計了X線胃腸診視床機(jī)差動可變支點的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，設(shè)計了步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路，軟件編程對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和停止進(jìn)行精確控制，實現(xiàn)了對X線機(jī)診視床實時、精確的控制，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、傳動精度高，在檢查過程中，床身可以做到接近垂直，病人可以直接隨著床板運(yùn)動，方便醫(yī)護(hù)人員操作。

通過對本項目的研究，參加項目學(xué)生的創(chuàng)新意識、自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊合作精神、解決實際問題的能力和科研能力都有較大程度的提高。

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