智能医用翻身床垫控制系统设计

2024-01-14 来源：爱站旅游

导读智能医用翻身床垫控制系统设计

ELECTRICDRIVE2019Vol.49No.9电气传动2019年第49卷第9期

智能医用翻身床垫控制系统设计

刘文学，徐洋洋，李杰

（河北科技大学机械工程学院，河北石家庄050018）

摘要：针对智能医用翻身床垫功能特性及智能化控制要求，设计一种以STC单片机为中央处理器，辅以气压检测传感器、温度检测传感器及电磁阀智能医用床垫控制系统。阐述基于STC控制系统硬件组成、设计原理、软件结构设计及数据处理算法，采用最小二乘法将实验得出的体重与气压数据拟合为线性函数关系，实现低压损失治疗功能，最后绘制控制流程图，方便程序的编写。通过实际应用和检测分析得出，该控制系统达到控制要求，而且控制精度较高，能够实现温度、气压检测、低压损失治疗及床垫翻身等功能。该控制系统性能稳定、成本低廉，实用价值较高。

关键词：STC单片机；气压；温度；算法；智能中图分类号：TP271

文献标识码：A

DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd18672

DesignofIntelligentMedicalTurnoverMattressControlSystem

（SchoolofMechanicalEngineering，HebeiUniversityofScienceandTechnology，Shijiazhuang050018，Hebei，China）

Abstract:Againstthefunctionalcharacteristicsandintelligentcontrolrequirementsforintelligentmedical

LIUWenxue，XUYangyang，LIJie

principle，softwarestructuredesignanddataprocessingalgorithmbasedonSTCcontrolsystemweredescribed.Theleastsquaremethodwasusedtofittheweightandpressuredataobtainedbytheexperimentintoalinearfunctionprogramming.Thepracticalapplicationanddetectionanalysisshowthatthecontrolsystemmeetsthecontrol

pressuredetectionsensor，temperaturesensorandsolenoidvalvewasdesigned.Thehardwarecomposition，design

turnovermattress，theintelligentmedicalmattresscontrolsystemwithSTCMCUascentralprocessorassistedby

relationship.Thefunctionoflowpressurelosstherapywasrealized.Finally，controlflowchartwasdrawntofacilitaterequirements.Andthecontrolprecisionishigh，itcanrealizethefunctionoftemperature，pressuredetection，lowhighinpracticalvalue.

pressurelosstreatmentandmattressturnoverandsoon.Thecontrolsystemisstableinperformance，cheapincostand

Keywords:STCsinglechip；pressure；temperature；algorithm；intelligent

智能翻身床垫作为一种防褥疮气垫，比传统

翻身床更加轻便、便宜，受到了医院和病人家属的欢迎。但是目前市面上各类防褥疮气垫存在功能单一、技术含量低，不能更好地控制气压，病人使用不舒服等问题。针对这些问题，本文提出一种以STC单片机为控制核心，辅以气压检测传感器、温度检测传感器、电磁阀的智能翻身床垫控制系统，该控制系统含有人性化控制界面、故障报警等，控制性能稳定、安全，能够实现全智能化［1-2］。

STC单片机主控单元、气泵驱动单元、电磁阀气

囊驱动单元、气压检测传感器单元、温度传感器检测单元、液晶显示单元、故障报警单元，系统整体框图如图1所示。通过温度传感器、气压监测传感器检测病人身下温度和各个气囊中气压大小，在触摸屏中实时显示病人身下温度变化曲线，当一侧（如右侧）温度值高于设定值时，气泵启动，右侧电磁阀打开给气囊充气，充气气压达到温度传感器设定值时，气泵停止，电磁阀关闭。若充气的气压值低于或高于设定气压值的5%，此时报警装置启动。可以通过触摸屏上的功能按键控制左翻、右翻、背起和屈腿等动作，

1系统总体设计与工作原理

基于STC医用翻身床垫控制系统主要包括

作者简介：刘文学（1971-），男，硕士，教授，Email：lwxshlcx@163.com

也可以通过设定定时参数控制智能翻身床垫动作。

2.2气泵及电磁阀驱动单元设计

选用的气泵为防褥疮气垫专用气泵，电源电

压为220V。单片机是弱电系统，不能直接驱动气泵。本文设计一种利用光电耦合器MOC3041驱动双向晶闸管BTA08，从而驱动气泵的长期运行，其电路图如图3所示。

图1系统整体框图

Fig.1Systemintegralblockdiagram

2.1STC主控单元硬件设计

STC主控单元采用STC12C5A60S2系列微型控制器［3］。主控单元硬件设计主要包括电源电路、时钟电路、复位电路，由于在该控制系统中I/O口数量不够，扩展并口8255A，STC12C5A60S2单元硬件原理图如图2所示。

系统硬件设计

图3Fig.3

气泵驱动电路

Drivecircuitofairpump

图2

Fig.2

STC12C5A60S2单元硬件原理图

HardwareschematicdiagramofSTC12C5A60S2unit

图3中，PWM脉冲信号由单片机定时器和计数器产生，当输入端为高电平时，Q1基极为高电平，此时集电极与发射极导通，气泵指示灯亮，光电耦合器MOC3041开始工作，双向晶闸管BTA08两端电压过零时，内部双向晶闸管导通，从而触发外部晶闸管导通，气泵得电工作。相反，当输入端为低电平时，气泵不工作。2.3气压检测单元设计

本文选用气压传感器XGZP检测气囊中的气压，该压力传感器芯片由1个弹性膜和膜上的4个电阻组成，4个电阻形成了惠普斯通电桥结构。当有压力作用到膜片时输出电压信号，其测量范围为0～20kPa，由于输出电压信号弱，通过AD620仪用放大器进行信号放大［6］，直接连接到单片机P1口，设计电路图如图4所示。

该控制系统采用家用电源（交流220V），但是，本系统中单片机和触摸屏需电源电压分别为5V，3.3V。220V交流电通过整流桥和变压器

作用后变为12V直流电源，采用稳压芯片LM7805，LM1117进行稳压到5V，3.3V直流电源，为防止强电对弱电的干扰，在稳压芯片两端分别并联1个0.33μF的电解电容和1个470μF的瓷片电容进行滤波。

时钟电路主要为单片机提供系统时钟，STC12C5A60S2单片机有内部和外部2个时钟源，由于内部时钟源在温度的影响下会有一些温漂，所以在外部接晶体时钟电路，外接晶振为15MHz，并联电容C1，C2，其中C1，C2值为25μF，C1，C2对频率有微调作用。复位电路采用外部复位按键，实现低电平有效复位［4］。采用74LS373作为输入地址锁存器扩展并行I/O芯片8255A［5］。74

图4

Fig.4

气压传感器信号放大电路图

Signalamplificationcircuitofairpressuresensor

该气压传感器输入阻抗为3～6kΩ，输出阻抗为3～6kΩ。由于压力为0时，输出的电压值不为0，存在零点漂移，设计通过调节电位器R1实现初始值的调零校准，消除了器件本身的误差，提高了检测结果的准确性。本次设计中采用仪用放大器AD620进行信号放大，AD620中集成运算放大器A1和A2组成第一级放大器，第二级是集

成运算放大器A3组成的差动输入放大电路，具体特性可参考其使用手册，不做详细说明。在其1，8脚之间外接电阻RRP，调节放大器的增益。根据其电压输出值式：

uo=-3(uo1-uo2)=-3(1+2R)ui（1）

RRPR2R2

可得其增益为

Af=1+49.4kΩ（2）RRP

uo1，uo2为A1，A2输出电压值；R2，R3，R为放式中：

大器内部电阻；RRP为外接电阻。2.4

温度检测单元设计

本文选用DS18B20数字温度传感器［7］，该传

2.5液晶显示单元设计

液晶显示屏单元［8］采用ATK-4.3TFTLCD型4.3×2.54cm触摸屏，自带GRAM存储，任何单片机都可以驱动。液晶显示屏为智能翻身床垫控制系统显示、操作界面，触摸屏界面含有左翻身、右翻身、背起、屈腿、复位、智能等一系列操作界面，操作者通过按键操控床垫。也可以通过设置定时翻身、屈腿循环等参数。

3软件设计

在该控制系统中，护栏充气放气、背起、屈腿

感器的检测范围为-5°～75°，精度为±0.5°，该温度传感器采用单总线接口方式，重要的是具有持多

点组网功能，多个DS18B20数字温度传感器并联在唯一的单线上，实现多点测温。在该系统分别检测病人左侧肩部、背部、腿部、大腿和右侧肩部、背部、腿部、大腿8个部位温度。

等功能主要依靠外部中断按钮实现，左右翻身功

能既可通过外部中断按钮实现，也可以通过温度检测控制实现。传感器信号采集、电磁阀开闭控制、气泵启停控制等放在一个1ms定时器中断服务程序中完成，用一个全局变量进行计数，可实现该控制系统中各个子模块控制有序进行，绘制控制流程图如图5所示。

图5控制流程图

体重参数设置程序分析与设计

在智能翻身床垫控制系统中，采用低压损失治疗法防止病人产生褥疮，并且低压损失治疗可促进病人血液循环。病人体重设定决定2组锥形气囊充气量大小，以达到低压损失治疗的效果，病人体重与锥形气囊气压之间关系式通过实验得到，抽取11位体重各不相同的人进行低压测试，得到实验数据用折线图表示，如图6所示。采用最小二乘法求该函数关系式，通过观察曲线的趋势和分析气囊最大承受气压，选择指数类型的

3.1

Fig.5Controlflowdiagram

函数进行拟合。

图6Fig.6

人体体重与气囊气压关系折线图Therelationshipdiagrambetweenbodyweightandairpressure

x设气压值为y，体重为x，则

y=ae

即：lny=lna+b

x（3）75

c0=lna，c1=b，记u=lny，则

u=c0+1（4）

xTuΦ0T

由Au=[T]，ATAc=ATu可得：

Φ1u

a=1582.8019b=-139.5708（5）

式中：a，b为常数；x为人体体重；y为气囊气压值；A为人体体重二次非奇异矩阵；AT为二次非奇异

实现相应的功能，并且在触摸屏上实时显示人体

温度—时间变化曲线。

表1Tab.1志愿者志愿者1志愿者2志愿者3志愿者4志愿者5

体重/身高/

mmkg4552626776157163174170175测试结果Testresults某侧最高

温度值/°C左侧最高36左侧最高36.4左侧最高37.8右侧最高38右侧最高37.4

翻身方向无翻身动作无翻身动作左翻身右翻身右翻身

气囊气压值/kPa3.473.624.264.715.11矩阵转置。

3.2数据采集及处理算法

数据采集与处理，虽然在硬件系统中使用了滤波电路［9］，但是为了实现实时监控和提高检测量的准确性，有必要使用软件滤波技术弥补硬件滤波技术的不足。在这里对1个周期T内采集到的数据{Ti}（i=0，1，2，…，n），进行以下处理：1）丢掉每个周期T内前几次采样数据；2）采用众数滤波法

对剩下的数据进行处理：

GM-GM-1

T1=Tmin+L(M-1)+（6）

2GM-GM-1-GM+1

［10］

5结论

本文设计了一种基于STC智能翻身医用床垫控制系统，通过合理选用硬件器件、设计硬件系统组成方案、设计软件系统结构、分析实验数据及实际应用得出：1）该控制系统能精确完成智能翻身床垫各项功能要求和检测控制；2）通过分析和处理实验数据得出人体体重与锥形气囊组内部气压线性关系，并将该线性关系应用于本系统，达到了低压损失治疗的目的。通过实际应用证明，该控制系统安全可靠、性能稳定、智能化程度高，对防止褥疮的产生具有重要的意义，具有良好的实用价值。

参考文献T2=Tmin+LM-

T1为上限值；T2为下限值；L为组间距；M式中：

GM为众数组序号区域内数据个为众数组序号；

GM+1为众数组序号后一个区域内数据个数，数；

GM-1为众数组序号前一个区域内数据个数。

GM-GM+1

2GM-GM-1-GM+1

（7）

众数滤波法的思想为：找出最小值Tmin和最大值Tmax，将区间［Tmin，Tmax］平均分为8组，组间距L=（Tmax-Tmin）/8，这时第1组区间为［Tmin，Tmin+L］，第2组的区间为［Tmin+L，Tmin+2L］，以此类推，第8组的区间为［Tmin+7L，Tmax］。确定好分组以后，统计各个区间内数据的个数，形成统计序列{Hm}（m=0，1，…，8），查找其最大的值即众数组序号M，根据式（6）、式（7）计算众数近似值，求其平均数。

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收稿日期：2018-01-08修改稿日期：2018-03-08

4系统测试与分析

将该控制系统应用于智能翻身医用床垫，选择体重与身高各不相同的5位志愿者进行开机测试，分别记录5位志愿者在测试过程中设定体重时的气压值和身下温度变化时床垫翻身情况，其测试结果如表1所示。通过表1可以得出，该控制系统能实现根据人体体重设定气囊气压值大小，并且可以达到低气压损失治疗的目的。当人体身下某一侧（左侧或右侧）温度大于系统设定值时，智能翻身床垫产生相应的翻身动作。在测试过程中按下背起、屈腿、波动等功能按钮后，可76

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