多功能助老洗浴裝置設(shè)計(jì)

張弘陽(yáng)，鄧安琴，陳志偉，孫雨寒

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300000）

0 引言

由于老齡化的加速和洗浴對(duì)于重障者生活質(zhì)量提高的重要性，世界各國(guó)都在研制相關(guān)的輔具產(chǎn)品。日本各種協(xié)助老人或行動(dòng)不便者移入浴缸洗澡的輔助器具非常齊全，這些洗浴設(shè)施可以防止溺水，同時(shí)可以達(dá)到清潔、防止交叉感染的作用。

1 方案設(shè)計(jì)及搓澡過(guò)程分析

本課題的研究?jī)?nèi)容是研究出輔助老人洗浴搓澡裝置，其主要功能有：為老年人自動(dòng)搓澡和自動(dòng)洗頭發(fā)，并且整個(gè)裝置的綜合性能保證老人洗浴過(guò)程中的安全性，本章首先介紹了多功能助老洗浴裝置的整體設(shè)計(jì)要求，然后分析本文的主體部分—搓澡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)養(yǎng)老院、醫(yī)院和普通家庭進(jìn)行的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，綜合考慮老年人洗浴過(guò)程中的實(shí)際需要，該裝置應(yīng)具有以下功能：

(1)首先設(shè)計(jì)的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人應(yīng)具備洗頭、搓澡等基本洗浴功。

(2)由于使用者大多數(shù)是老年人，所以在洗浴的過(guò)程中保證洗浴者在洗浴過(guò)程中的身體安全。

(3)設(shè)計(jì)的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人要滿足省空間、省水的要求。

(4)洗浴者在洗浴過(guò)程中要滿足舒適性的要求。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

基于前文的綜合分析，本機(jī)械結(jié)構(gòu)由底盤、動(dòng)力結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和搓澡結(jié)構(gòu)四部分共同組成，為了最終得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)方案，采用擴(kuò)展性思維設(shè)計(jì)每一個(gè)部分，并尋求多種可行的方案，

在導(dǎo)軌上做平面運(yùn)動(dòng)，該裝置精度要求較高，定位較好，運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)較為精準(zhǔn)，通過(guò)電機(jī)可以調(diào)節(jié)該裝置對(duì)背部進(jìn)行搓澡，大部分材料都便于加工，可以及時(shí)調(diào)節(jié)，該裝置主要通過(guò)吸盤吸附在墻上或浴缸上，攜帶方便且重量較輕，受力相對(duì)較好，可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速體驗(yàn)不一樣的搓背速度，很適合老年人洗浴，使用導(dǎo)軌和v帶控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。幫助獨(dú)居老人搓澡，考慮到空間節(jié)約率和成本因素，項(xiàng)目在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子控制技術(shù)，機(jī)電一體化，多學(xué)科結(jié)合，研發(fā)成本低，功能完善巧妙，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和創(chuàng)新性并實(shí)現(xiàn)了能源循環(huán)利用。整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)整體示意圖

3 動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置的動(dòng)力結(jié)構(gòu)來(lái)源于一個(gè)小功率可變速電機(jī)，該電機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低；有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速；可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性；通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，基本符合設(shè)計(jì)低成本、可操行性強(qiáng)的特點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■4.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)多功能助老洗浴裝置的功能要求，控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下的功能：調(diào)節(jié)水溫、控制搓澡力度、控制搓澡時(shí)間以及漏電保護(hù)。

在本設(shè)計(jì)中，將控制系統(tǒng)分為人機(jī)交互模塊、溫度控制模塊、搓澡和漏電保護(hù)四個(gè)模塊。核心控制芯片采用的是DSP2812，如圖3所示，首先，老年人通過(guò)鍵盤所需要搓澡水溫、力度及時(shí)間，相關(guān)信息都會(huì)顯示在控制面板上。溫度控制控制模塊會(huì)根據(jù)輸入的信息，調(diào)節(jié)加熱器從而達(dá)到設(shè)定的問題，而搓澡模塊會(huì)根據(jù)輸入信息調(diào)整搓澡力度和時(shí)間，漏電保護(hù)模塊會(huì)在發(fā)生漏電觸電后，立刻切斷所有電路。

圖3 控制系統(tǒng)硬件電路組成

基于硬件組成分析，控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)方面組成：處理器；人機(jī)交互電路；溫度控制電路；搓澡電路和無(wú)線收發(fā)電路。

處理器負(fù)責(zé)調(diào)配系統(tǒng)所有資源，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，選用控制器需要考慮的是控制器要可靠，易于維護(hù)，可移植性強(qiáng)，效率高。日前有以下兩種選擇。

(1)單片機(jī)：如今，在一般的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)種類繁多，很多公司都有自己的產(chǎn)品，有著不同的應(yīng)用背景，其中51系列、AVR PIC系列的最多。但單片機(jī)受到了本身速度的限制。

(2)數(shù)字信號(hào)處理器：數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）采用了不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的通用微處理器大多采用的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，它片內(nèi)的程序空間與數(shù)據(jù)空間共用一個(gè)公共的存儲(chǔ)空間。為了提高速度，現(xiàn)代DSP芯片內(nèi)部一般采用的是哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)為了能夠使得控制速度更快，執(zhí)行更可靠，采用32位定點(diǎn) DSPTMS320F2812芯片作為核心控制芯片。IMS320F2812是美國(guó)德州儀器公司T研制的數(shù)字信號(hào)處理器，面向自動(dòng)控制、工業(yè)自動(dòng)化、最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)的第一款有片內(nèi)F1ash，工作頻率達(dá)到150M的32位DSP.TMS320F2812最高主頻150MHz，保證了處理信號(hào)的快速性和實(shí)時(shí)性，高速的信號(hào)可以提供實(shí)時(shí)的信息處理，保證控制信號(hào)響應(yīng)的快速性；集成了128K＊16位的閃速存儲(chǔ)器，可方便地實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)：其基于C/C+思維高效32位DSP內(nèi)核，并提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，從而可以在定點(diǎn)處理器上方便地實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算TS320F2812主要性能特征如下：

(1)處理速度快，主頻150Hz（時(shí)鐘周期6.67ns）；

(2)片內(nèi)自帶SRAM、F1ash，節(jié)省成本以及外部電路的復(fù)雜性；

(3)外部?jī)?chǔ)存器接口，外部最多可擴(kuò)展1延＊16b存儲(chǔ)空間；

(4)眾多的外部設(shè)備，如SCI、SPI、CAN、EV、ADC等；

(5)最多可達(dá)56個(gè)可編程通用輸入/輸出GPI0口，方便控制外部設(shè)備；

(6)有三個(gè)外部中斷，同時(shí)外部中斷模塊（PIE）可以支持45個(gè)外設(shè)中斷。

■4.2 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)洗浴裝置的控制，增強(qiáng)洗浴裝置的人機(jī)交互能力，在控制系統(tǒng)中添加了LED顯示。通過(guò)顯示電路可以顯示溫度、時(shí)間等。

在界面設(shè)計(jì)中，充分考慮了時(shí)間、溫度、力度等，并且可以通過(guò)加熱使水流溫度升高。

圖4 控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

由于在控制器中使用的按鍵數(shù)量較多，為了減少I0口占用，采用矩陣式鍵盤在矩陣式鍵盤中，每條行線和列線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)7位的端口就可以構(gòu)成3×4=12個(gè)按鍵，比直接將端口線用于鍵盤時(shí)按鍵數(shù)多出一倍。

矩陣鍵盤與F2812的接口電路如圖5所示。在途中，P6為3×4矩陣鍵盤接口GPI0的0~3號(hào)腳連接鍵盤的行線，4~6號(hào)腳連接鍵盤的行線；SN74LS08為TI公司的兩輸入四與門芯片（該芯片由4個(gè)兩輸入的與門構(gòu)成）。鍵盤電路中將SLV7-LS08芯片的8號(hào)腳與DsP2812的外部中斷2輸入引腳相連，當(dāng)有按鍵操作時(shí)，GPIOB0-3端口連接線中有一條線為低電平，4條線上電平的與運(yùn)算結(jié)果為0，使SN74LS08芯片的8號(hào)腳輸出低電平，這樣就會(huì)觸發(fā)F2812的外部中斷2，使DSP調(diào)用中斷程序處理按鍵操作。

圖5 按鍵電路圖

■4.3 溫度控制設(shè)計(jì)

本模塊的工作原理是通過(guò)溫度傳感器采集的溫度與期望溫度的比較，產(chǎn)生的誤差傳遞給DSP，并通過(guò)DSP的計(jì)算產(chǎn)生控制信號(hào)，調(diào)節(jié)加熱器以控制浴缸的溫度。整個(gè)控制回路主要由溫度采集、DSP和溫度控制執(zhí)行器三部分組成。溫度的控制為將1分鐘分為60個(gè)1秒的時(shí)間片，通過(guò)PI算法得到每個(gè)時(shí)間片加熱器的開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)加熱管的開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)溫度。

水溫控制以DSP為控制器的核心，通過(guò)溫度檢測(cè)電路循環(huán)測(cè)定多路溫度傳感器上的溫度值，采用PI控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)水溫的調(diào)節(jié)，通過(guò)外接的鍵盤可實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定溫度顯示電路擬采用LED液晶顯示。控制信號(hào)隔離輸出電路通過(guò)繼電器將加熱強(qiáng)電電路與單片機(jī)隔離，防止其干擾單片機(jī)的工作。單片機(jī)的輸出控制信號(hào)控制電熱絲的斷通，從而調(diào)節(jié)水溫。

■4.4 無(wú)線電收發(fā)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳遞，如搓澡時(shí)間、水溫和時(shí)間等參數(shù)需要傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)的操作質(zhì)量也需要通過(guò)其來(lái)控制洗浴裝置的動(dòng)作，由于浴室環(huán)境高溫且潮濕，又要保證有效的實(shí)時(shí)通訊，因此選擇了SM51-485無(wú)線通信模塊，該模塊有以下特點(diǎn)：

(1)完善的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信。

(2)傳輸距離遠(yuǎn)。完全滿足洗浴控制系統(tǒng)的通信要求。

(3)透明的數(shù)據(jù)傳輸。能適應(yīng)各種標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，使得發(fā)送的數(shù)據(jù)即為收到的數(shù)據(jù)，過(guò)濾掉空中的噪聲信號(hào)。

(4)高速無(wú)線通信和大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

圖7 SM51通信模塊

■4.5 漏電保護(hù)電路圖

當(dāng)電路或用電設(shè)備漏電電流大于裝置的整定值，或人、動(dòng)物發(fā)生觸電危險(xiǎn)時(shí)，它能迅速動(dòng)作，切斷事故電源，避免事故的擴(kuò)大，保障了人身、設(shè)備的安全。

圖8

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■5.1 洗浴控制器軟件總體設(shè)計(jì)

洗浴控制器以TMS320F2812為核心，軟件開發(fā)環(huán)境采用“代碼設(shè)計(jì)師工作室（CCS）”的軟件。CCS集成了仿真環(huán)境支持硬件在線調(diào)試，支持單步和斷電運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)下位機(jī)的程序主要由C構(gòu)成的，是在CCS的環(huán)境下編寫，通過(guò)控制DSP以協(xié)調(diào)整個(gè)控制過(guò)程。整體程序主要由三部分組成：通信接口，主要負(fù)責(zé)DSP與上位機(jī)的無(wú)線通信；主控程序，主要負(fù)責(zé)DSP內(nèi)部資源的協(xié)調(diào)、定時(shí)中斷、A/D采樣等：人機(jī)接口程序，主要負(fù)責(zé)響應(yīng)按鍵中斷。下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

■5.2 溫度控制程序設(shè)計(jì)

溫度控制程序主要包括了溫度信號(hào)的采樣和控制信號(hào)的輸出，首先通過(guò)AD中斷得到采樣出來(lái)的電壓值，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的溫度，由得到的溫度進(jìn)行比較，進(jìn)而產(chǎn)生了輸出信號(hào)。采用增量式PID控制輸出控制量：

并且設(shè)有控制量上限，當(dāng)超過(guò)Umax的時(shí)候控制量輸出不變。將1分鐘時(shí)間分成60的時(shí)間片，在第一秒計(jì)算在這一分鐘需要開關(guān)的時(shí)間，這樣重復(fù)計(jì)算，直到溫度到達(dá)控制的目標(biāo)。

■5.3 按鍵與LED顯示程序設(shè)計(jì)

具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：(1)首先將全部列線置低電平，然后檢測(cè)行線的狀態(tài)，判斷鍵盤中有無(wú)鍵按下。只要有一根行線的電平為低，則表示電平因?yàn)橛型繁焕玩I盤中有鍵被按下，同時(shí)將相應(yīng)的key值置為和行線相關(guān)的值，因?yàn)殚]合的鍵位于與低電平線連接的按鍵之中。如果所有行線都是高電平，則說(shuō)明鍵盤中沒有按鍵按下。(2)接著判斷閉合鍵所在的位置，確定鍵值。方法如下：依次將列線置為低電平，即在置某一根列線為低電平時(shí)，其他列線設(shè)置為高電平。在確定某根列線位置為低電平后，再進(jìn)行逐行檢測(cè)各行線的電平狀態(tài)。如果某行為低，則該行線與置為低電平的列線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。這樣在確定該按鍵的行列位置的時(shí)候，根據(jù)按鍵的計(jì)算方法，即可求得按鍵的鍵值。

對(duì)于顯示的程序，首先用兩個(gè)變量來(lái)區(qū)分LED和指示燈的顯示狀態(tài)，通過(guò)判斷是設(shè)定狀態(tài)還是正常狀態(tài)調(diào)用不同的函數(shù)來(lái)顯示。

圖10 顯示程序流程圖

■5.4 無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

無(wú)線通信是洗浴控制系統(tǒng)的重要通信方式，通過(guò)無(wú)線通信可以解決下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集上傳，也可以完成上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制。無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的具體方案設(shè)置通信規(guī)則：波特率=9600；8位數(shù)據(jù)傳輸；無(wú)奇偶校驗(yàn)；1位停止位。

通信協(xié)議采用修正的 MODBUS協(xié)議，通過(guò)03/16功能碼定義讀寫幀，同時(shí)在幀尾采用累加和校驗(yàn)及異或校驂在完成無(wú)線通信SCIA口的初始化后，主程序運(yùn)行時(shí)只需要等待中斷，當(dāng)SCIA接收中斷發(fā)生后，進(jìn)入數(shù)據(jù)解析程序，通過(guò)設(shè)置標(biāo)志位來(lái)標(biāo)志解析的進(jìn)度，通過(guò)進(jìn)行校驗(yàn)，在接收完成后，通過(guò)先發(fā)送幀頭，觸發(fā)SCIA的發(fā)送中斷。之后按照順序依次發(fā)送應(yīng)答幀，將信息反饋給上位機(jī)。

6 總結(jié)與測(cè)試

■6.1 總結(jié)

老年人輔助洗浴裝置的研制，近年來(lái)受到越來(lái)越多的重視，本文所研發(fā)的多功能輔助洗浴器具控制系統(tǒng)作為一種智能輔助洗浴器具的和興部件，通過(guò)人性化的設(shè)置是老年人能夠輕松完成洗浴、搓澡的生活日常。本文主要成果如下：

(1)對(duì)老年人輔助洗浴器具的控制需求進(jìn)行功能分析，并且從總體上設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)。

(2)硬件設(shè)計(jì)：基于智能輔助洗浴器具的功能分析，選擇TMS320F2812作為整個(gè)控制系統(tǒng)的處理器、設(shè)計(jì)了人機(jī)交互電路、溫度控制電路、搓澡控制電路和無(wú)線收發(fā)電路，并對(duì)這些電路進(jìn)行制作和調(diào)試。

(3)軟件設(shè)計(jì)：針對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行了模塊化編程，分別編寫了主程序、溫度控制程序、按鍵和顯示的程序、無(wú)線通信程序。

■6.2 測(cè)試

通過(guò)分析以上成果總結(jié)和不足，本論文認(rèn)為，老年人多功能輔助洗浴器具的完善與改進(jìn)工作可從以下幾個(gè)方向展開進(jìn)行：

(1)尋找可以產(chǎn)品化的途徑，使得整個(gè)系統(tǒng)更加可靠

(2)將入浴和出浴結(jié)合起來(lái)，使得操作更加方便。

(3)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、全面的臨床試驗(yàn)，驗(yàn)證老年人多功能輔助洗浴器具的有效性重障者支持技術(shù)已漸漸成為國(guó)內(nèi)外研究的新興的熱點(diǎn)領(lǐng)域，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，日前從事此領(lǐng)域研究的國(guó)內(nèi)學(xué)者也逐漸增多；老年人輔助洗浴器具能夠解決患者洗浴的問題，對(duì)于他們有非常重要的意義；而基于這個(gè)功能的洗浴器具的產(chǎn)品化尚在探索之中。國(guó)內(nèi)相對(duì)國(guó)外同領(lǐng)域研究水平有一定的差距，但還不太明顯，國(guó)內(nèi)研究者若能積極探索，努力超越，將會(huì)使我國(guó)在此領(lǐng)域的研究在不短的將來(lái)處于領(lǐng)先地。