中藥熏洗儀自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　引言

　　熏洗療法是我國(guó)醫(yī)學(xué)傳統(tǒng)的外治法之一，因其具有良好的溫經(jīng)散寒、疏風(fēng)通絡(luò)、行氣活血、祛風(fēng)除濕、清熱解毒作用，對(duì)風(fēng)寒濕痹、外傷瘀痛、皮膚疽癢等病療效顯著而為臨床醫(yī)生所常用。由于熏洗療法主要是通過熱量和藥物共同起作用，因而傳統(tǒng)的熏洗方法存在很大的局限性：藥液溫度不易控制，不能保證在足夠的時(shí)間內(nèi)以適宜而較恒定的溫度使熱量和藥液有效成份向病變部位充分滲透。

　　針對(duì)傳統(tǒng)熏洗法的缺陷，經(jīng)多年的實(shí)踐自行研制出一種熏洗儀自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，能夠根據(jù)用戶設(shè)定的溫度、時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)冷熱水和藥液的混合比例，給出恒定溫度的出水并且可以選擇熏蒸、熏洗、洗浴三種模式。

　　熏洗儀自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　熏洗儀自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求如圖1所示：

　　(1)4個(gè)發(fā)光二極管亮?xí)r分別代表：冷水正在加熱、熱水箱正在加水、冷水箱正在加水、藥液溫度過低。

　　(2)8個(gè)LED分別能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示：藥液重量、艙溫、藥液溫度、時(shí)間。

　　(3)12個(gè)按鍵分別代表：艙溫加、減，藥溫加、減，時(shí)間加、減；復(fù)位，啟動(dòng)，暫停，熏蒸、熏洗、洗浴三種模式選擇。

　　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　熏洗儀自動(dòng)控制系統(tǒng)是AT89C52單片機(jī)為核心，控制面板的內(nèi)容顯示和按鍵操作采用的BC7281A單片機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)硬件電路包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其外圍電路、溫度采樣電路、水位采樣電路、加熱控制電路、鍵盤及顯示電路、系統(tǒng)復(fù)位電路等。

　　熏洗儀控制板

　　AT89C52地址分配和相關(guān)管腳的連接：

　　P1.0~P1.2：完成冷水箱的水位傳感器和溫度傳感器信號(hào)的采集和處理。P1.3~P1.5：完成熱水箱的水位傳感器和溫度傳感器信號(hào)的采集和處理。P1.6：艙溫信號(hào)的采集和處理。P1.7：藥溫信號(hào)的采集和處理。INT0：完成藥液重量傳感器的采集和處理。INT1：手動(dòng)操作中斷。P2.0~P2.7：接8個(gè)繼電器。WR、RD：用于通信。P0.4~P0.6：接可控硅進(jìn)行輸出控制。P0.7：蜂鳴器。

　　·加熱及水溫控制

加熱控制是通過單片機(jī)輸出口，控制晶體三極管，從而控制固態(tài)繼電器的通斷即加熱管的通斷來完成加熱。水溫控制是通過設(shè)定值與測(cè)量值之間的比較進(jìn)行的。當(dāng)測(cè)量值低于設(shè)定值時(shí)，控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通來控制加熱管工作；當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)停止加熱。單片機(jī)還根據(jù)測(cè)得的溫度值決定繼電器的通、斷來控制混水電機(jī)的正反轉(zhuǎn)使出水溫度是達(dá)到用戶要求。

　　·水位控制

　　水位測(cè)量采用液位傳感器。當(dāng)檢測(cè)到水位低于設(shè)定值時(shí)，輸出的電磁閥控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離后控制雙可控硅，實(shí)現(xiàn)電磁閥開/關(guān)。

　　熏洗儀控制面板

　　溫度控制面板CPU采用的是AT89C2051單片機(jī)，AT89C2051含有2k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5 向量?jī)杉?jí)中斷斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C2051可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

　　·系統(tǒng)保護(hù)電路

　　AT89C2051各個(gè)管腳連接方式如圖3所示。X5045是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM 三種功能于一身的可編程電路。這種組合設(shè)計(jì)減少了電路對(duì)電路板空間的需求。

　　X5045中的看門狗對(duì)系統(tǒng)提供了保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門狗將通過RESET信號(hào)向CPU 作出反應(yīng)。X5045提供了三個(gè)時(shí)間值供用戶選擇使用。它所具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍以下時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到電源電壓返回到穩(wěn)定值為止。X5045的存儲(chǔ)器與CPU 可通過串行通信方式接口，共有4096個(gè)位，可以按512 x 8個(gè)字節(jié)來放置數(shù)據(jù)。

　　·鍵盤及顯示電路

　　BC7281 A是8位/16位LED數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用控制芯片。BC7281A可驅(qū)動(dòng)8位或16位數(shù)碼管顯示或64/128只獨(dú)立LED；具有64鍵鍵盤接口，內(nèi)含去抖功能；具有2種鍵盤工作模式，適應(yīng)不同應(yīng)用需求；獨(dú)具光柱譯碼方式，可獨(dú)立控制兩條64段光柱顯示；段尋址功能便于控制獨(dú)立LED；16位均可獨(dú)立控制閃爍屬性，閃爍速度軟件可調(diào)；段驅(qū)動(dòng)極性及移位脈沖時(shí)序均可控，可配合各種形式的驅(qū)動(dòng)電路；鍵盤部分具有鍵值鎖存功能；內(nèi)部顯示寄存器和控制寄存器的內(nèi)容均可讀出；2線高速串行接口的特點(diǎn)。

　　BC7281A的DIG0~DIG7管腳接8只LED、8位數(shù)碼管顯示和12個(gè)按鍵。通過管腳SCLK和SDAT分別外接一個(gè)移位寄存器74HC164控制8個(gè)LED、8位數(shù)碼管顯示和12個(gè)按鍵動(dòng)作。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，需要與硬件配合，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行比較判斷來控制循環(huán)水泵或上水電磁閥，實(shí)現(xiàn)各種智能自動(dòng)控制?？紤]到用戶的不同需要，軟件設(shè)計(jì)還要兼顧到操作人員方便地選擇熏蒸、熏洗、洗浴三種模式工作方式，設(shè)置和修改各種設(shè)定值。

　　整個(gè)系統(tǒng)的控制程序采用C語言編寫，符合模塊化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由主程序和各功能子程序組成。子程序包括：初始化子程序、設(shè)定值裝載子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序、加熱子程序、手動(dòng)檢測(cè)子程序、溫差跟蹤循環(huán)子程序、顯示子程序、鍵處理子程序、上水子程序、報(bào)警子程序等。

　　控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示：主程序首先完成對(duì)串行口和中斷源的初始化，設(shè)置初始運(yùn)行參數(shù)，開中斷。

　　(1)控制面板的LED燈及數(shù)碼管顯示的為溫度傳感器檢測(cè)溫度，及稱重傳感器的檢測(cè)值，表明系統(tǒng)工作正常?？筛鶕?jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)定。此時(shí)冷、熱水箱開始檢測(cè)水位是否達(dá)到標(biāo)定值，沒達(dá)到開進(jìn)水閥加水，達(dá)到開始對(duì)熱水箱加熱達(dá)設(shè)定值。同時(shí)檢測(cè)艙溫，是否達(dá)設(shè)定值，達(dá)不到就進(jìn)行加熱直至設(shè)定值。

　　(2)啟動(dòng)：當(dāng)軟件檢測(cè)到啟動(dòng)鍵按下時(shí)，判定是在什么模塊下。

    (a)熏蒸模塊下，依據(jù)當(dāng)時(shí)藥液的重量、溫度，冷水的溫度，熱水的溫度以及要達(dá)到藥液設(shè)定的重量、溫度。據(jù)熱量平衡方程，算出冷水箱、熱水箱出水閥的接通時(shí)間。依此來向藥箱供冷、熱水。

　　當(dāng)藥液的重量達(dá)到設(shè)定值、判定溫度是否達(dá)到設(shè)定值，達(dá)不到啟動(dòng)藥加熱，達(dá)到時(shí)啟動(dòng)氣泵、氣加熱，并且進(jìn)行到計(jì)時(shí)。時(shí)間到，停止氣泵、氣加熱。

　　(b)洗浴模塊和熏蒸模塊基本一致。不同的是：在洗浴過程中，冷、熱水箱的出水閥是關(guān)閉的；在洗浴過程中，除了保證溫度外，還應(yīng)保證最小重量。時(shí)間到，停止水泵。

　　(c)熏洗模塊下：先執(zhí)行a)程序，定時(shí)達(dá)到后再執(zhí)行b)程序

　　(3) 暫停：在熏蒸、熏洗、洗浴工作過程中，檢測(cè)到暫停鍵按下時(shí)，停止氣泵或水泵及其相關(guān)工作。當(dāng)按下開始按鍵時(shí)，接著暫停前的工作繼續(xù)運(yùn)行工作。     
                 
　　(4) 復(fù)位：檢測(cè)到此鍵按下后，系統(tǒng)執(zhí)行的實(shí)時(shí)工作停止，返回到初始狀態(tài)，與系統(tǒng)上電時(shí)的狀態(tài)一樣。

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)進(jìn)行了臨床測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明：在功能上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水位、水溫的監(jiān)測(cè)與控制，同時(shí)也與用戶建立了良好的交互界面；在自動(dòng)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)補(bǔ)水時(shí)間、補(bǔ)水方式、輔助加熱裝置選定等一系列功能的自動(dòng)化控制。

　　幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)：

　　(1)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

　　(2)溫度控制檢測(cè)過程中，溫度分辨率可達(dá)0.5℃，控制精度可達(dá)±1℃，故能滿足熏洗儀要求。

　　(3)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)和控制非常準(zhǔn)確。

　　(4)能夠按照用戶的設(shè)定的恒溫進(jìn)行出水。

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