個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人控制部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人控制部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為微控制器，利用串口擴(kuò)展芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)洗頭、洗澡、生命體征檢測(cè)、上位機(jī)通信以及語音提示等功能模塊的控制，完成了全自動(dòng)洗澡的功能。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有較高的研究開發(fā)和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人；MCU；模塊設(shè)計(jì)；溫度檢測(cè)

0 引言
    如今，我國(guó)已進(jìn)入了老齡化社會(huì)，60歲以上人口已經(jīng)超過了1．49億，占全國(guó)人口的11％；而65歲以上人口占總?cè)丝诘?．96％。同時(shí)，中國(guó)殘疾人數(shù)量也在不斷上升。無論在養(yǎng)老院或是殘疾人家庭，個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理都是難題。為此設(shè)計(jì)了一種能為特殊群體提供洗頭、洗澡、干身、按摩等服務(wù)的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于醫(yī)院、養(yǎng)老院和家庭，為病人、老人及殘疾人完成個(gè)人衛(wèi)生的護(hù)理工作，具有較高的研究開發(fā)和實(shí)用價(jià)值。

1 控制部分總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要由機(jī)械本體、主控模塊、顯示模塊、語音模塊、生命體征檢測(cè)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、洗頭模塊、驅(qū)動(dòng)電路、氣泵、風(fēng)泵、水位及溫度傳感器等多個(gè)部分組成。機(jī)械部分主要完成輪椅與浴缸的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)用戶坐在輪椅上便可直接入浴的功能，打破了以往依靠人工的局限性。單片機(jī)通過控制浴缸內(nèi)機(jī)械臂的升降，實(shí)現(xiàn)人浴出浴及高低位置的適當(dāng)調(diào)整，保證用戶有一個(gè)舒適的洗澡姿勢(shì)；通過控制風(fēng)泵及水泵，實(shí)現(xiàn)淋浴、泡泡浴、沖洗、烘干等一系列功能；通過水位及溫度傳感器，檢測(cè)浴缸內(nèi)水位及溫度的高低；語音模塊實(shí)現(xiàn)提示及報(bào)警功能，為用戶提供可靠的服務(wù)。

2 控制部分硬件設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

2．1 主控單元
    主控芯片采用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制，該芯片內(nèi)部資源豐富，I／O口數(shù)量多，增加了P4口，每個(gè)I／O有四種工作方式，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，內(nèi)含8 KBFIASH，支持在線編程，內(nèi)含的獨(dú)立波特率發(fā)生器，支持1T方式，運(yùn)算速度快，價(jià)格低廉。由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要控制的模塊較多，所以在輸出部分用串并轉(zhuǎn)換來擴(kuò)展輸出，擴(kuò)展芯片用兩片74HC595實(shí)現(xiàn)。電路如圖2所示。

2．2 溫度檢測(cè)模塊
    水溫檢測(cè)是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，如果出現(xiàn)水溫過高或者過低的現(xiàn)象，就很有可能對(duì)人身造成傷害，所以要求誤差要小，精度盡可能高，占用I／O口盡量少。基于這些要求，采用DS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品由美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣等特點(diǎn)，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。
2．3 語音提示模塊
    語音提示部分是個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要部分，對(duì)各種工作狀態(tài)進(jìn)行提示，從啟動(dòng)到各個(gè)洗浴模式都有相對(duì)應(yīng)的語音提示，出現(xiàn)緊急情況有語音報(bào)警，最大限度避免了異常情況造成的危害。系統(tǒng)選用以DMA5601為核心的語音模塊，該模塊可以進(jìn)行64段每段最長(zhǎng)達(dá)100s的語音播放，其優(yōu)點(diǎn)是串口控制，節(jié)約I／O占用，并且波特率可調(diào)，可以很好的與其他部件相連接。64段語音，每段長(zhǎng)達(dá)100 s的語音播放可以很好地滿足要求。
2．4 生命體征檢測(cè)模塊
    生命體征檢測(cè)模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洗浴過程中人體的生命體征信號(hào)，并與上位機(jī)進(jìn)行通信，可以對(duì)心動(dòng)過緩／過速，血氧及血壓的異常情況進(jìn)行報(bào)警，方便護(hù)理人員對(duì)洗浴過程中的異常情況及時(shí)處理。該模塊的原理框圖如圖3所示。

2．5 人機(jī)交互模塊(HMI)
    該模塊選用北京迪文科技有限公司的DMT48270T043，迪文DMI內(nèi)置了TFT驅(qū)動(dòng)、大容量FLASH存儲(chǔ)字庫(kù)和界面圖片，使得用戶MCU只要有串口(或者1個(gè)空余的I／O口)即可，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，編程方便。
2．6 洗頭模塊
    洗頭模塊的控制部分由AT89C2051單片機(jī)來完成，其電路如圖4所示。

2．7 驅(qū)動(dòng)模塊
    通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)人浴、出浴、洗頭等功能，其驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

2．8 網(wǎng)絡(luò)模塊
    個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人在工作時(shí)可以通過以太網(wǎng)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是護(hù)理機(jī)的工作狀態(tài)和洗澡者的生命體征數(shù)據(jù)及報(bào)警信號(hào)。此模塊采用了一款獨(dú)立的UART，TCP／IP協(xié)議模塊來完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和雙向傳輸。通過對(duì)生命體征監(jiān)測(cè)部分的數(shù)據(jù)交流以得到使用者的心率、血氧飽和度和脈搏信息。經(jīng)過處理，將這些信息和其他的機(jī)器狀態(tài)報(bào)警信號(hào)上傳至上位機(jī)。該模塊與主控芯片以串口的方式通信，節(jié)約了I／O口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、初始化子程序、溫度檢測(cè)程序、中斷子程序、延時(shí)子程序等組成，通過主程序分別調(diào)用各子模塊完成相應(yīng)的功能。其軟件系統(tǒng)總體框圖如圖6所示。

4 結(jié)語
    本文介紹了基于STC89C52的個(gè)人衛(wèi)生護(hù)理機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，該系統(tǒng)能夠完成自動(dòng)洗浴的功能，為行動(dòng)不便的人提供了洗頭、洗澡、干身、按摩等服務(wù)，較大幅度地減少了為這些人服務(wù)的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、養(yǎng)老院和需要該類服務(wù)的家庭。