0 引言

    牙醫(yī)綜合治療椅是用于治療口腔疾病的主要設(shè)備^[1]，在口腔疾病的診療過程中起著至關(guān)重要的作用。隨著人們生活水平的提高，對牙齒健康的要求也越來越高，從而導(dǎo)致口腔就診的患者日益增多，這極大地促進(jìn)了牙醫(yī)綜合治療椅的市場需求^[2]。但目前國產(chǎn)的牙醫(yī)綜合治療椅由于控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定、人機(jī)交互能力差、整合度低等原因^[3]導(dǎo)致市場占有率很低，國內(nèi)市場仍以國外產(chǎn)品為主，可以說控制系統(tǒng)設(shè)計的不足嚴(yán)重制約了國產(chǎn)牙醫(yī)綜合治療椅的發(fā)展。因此，一款性能穩(wěn)定、自動化程度高、人機(jī)交互能力好的牙醫(yī)綜合治療椅控制系統(tǒng)無疑具有很大的市場空間。

    本文設(shè)計了基于STM32的主從式通信模式的控制系統(tǒng)，借助高性能的STM32F105VCT6芯片實(shí)現(xiàn)對各執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測芯片的控制，通過RS-485總線多機(jī)通信協(xié)議協(xié)調(diào)主從機(jī)間的工作，在簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的同時，也提高了系統(tǒng)的整合度，并且控制系統(tǒng)采用液晶屏實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，具有良好的人機(jī)交互能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計與工作原理

    該控制系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、主控按鍵面板、副控按鍵面板、電源模塊組成，控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中主控系統(tǒng)由STM32F105VCT6芯片、繼電器控制電路、檢測電路、控制電路、485電路、報警電路、液晶屏組成；主控按鍵面板、副控按鍵面板均由STC89C52芯片、矩陣鍵盤、指示燈、RS485電路組成；電源模塊經(jīng)過整流、濾波和多級穩(wěn)壓芯片后為控制系統(tǒng)提供24V、5V、3.3V的直流電。主控系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)為功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，包括：強(qiáng)吸、弱吸、供水、沖痰電磁閥，靠背、椅架電機(jī)，觀片燈、口腔燈。檢測電路用于檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并反饋給STM32芯片，便于分析系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，包括：熱水器溫控傳感器、供水感應(yīng)傳感器、安全位置傳感器、限位傳感器、傾角傳感器。控制電路為部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)和功能的控制開關(guān)，包括：機(jī)椅互鎖微動開關(guān)、強(qiáng)吸微動開關(guān)、弱吸微動開關(guān)、四向腳控。

    系統(tǒng)運(yùn)行時，通過主、副控按鍵面板上的按鍵即可實(shí)現(xiàn)各功能的控制及相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)由傳感器檢測并反饋給主控系統(tǒng)，通過液晶屏實(shí)時顯示。而具體的控制和設(shè)置命令由主、副控按鍵面板的控制芯片根據(jù)用戶在按鍵面板上的操作自動生成，并將命令通過總線發(fā)送至主控制器，主控制器對命令進(jìn)行處理，生成相應(yīng)的操作信息。若為控制命令，則通過控制繼電器控制電路中繼電器的開閉控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)所需的功能要求；若為參數(shù)設(shè)置命令，則設(shè)置對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到功能要求時的參數(shù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制芯片選擇

    整個控制系統(tǒng)的控制芯片包括主控系統(tǒng)的主控芯片和主、副控按鍵面板的按鍵控制芯片，其中按鍵控制芯片只需驅(qū)動由其端口組成的矩陣鍵盤以及支持485通信即可，所需功能要求比較簡單，且主、副控按鍵面板除了使用者不同外，并無其他區(qū)別，因此都選用常用的STC89C52單片機(jī)。而主控系統(tǒng)的主控芯片所要控制的機(jī)構(gòu)較多，要實(shí)現(xiàn)的功能較復(fù)雜，且為了簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)最好自帶A/D轉(zhuǎn)換，顯然普通的51單片機(jī)無法滿足要求，因此選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F105VCT6芯片，該芯片具有100個通用I/O口、2個12 bit的ADC以及支持SPI、CAN等多個通信接口，完全滿足功能要求。

2.2 電源模塊設(shè)計

    電源模塊用于給整個控制系統(tǒng)供電，輸入電源為24 V的交流電，經(jīng)過整流橋KBU1510整流、濾波、LM7824穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓之后產(chǎn)生24 V直流電為執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電，通過LM2576s-5.0穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生5 V直流電為主、副控按鍵面板及傳感器、繼電器等供電，通過AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3.3 V直流電為STM32芯片供電?？刂葡到y(tǒng)電源模塊電路原理圖如圖2所示。

    為了提高電源模塊的抗干擾能力，在每個穩(wěn)壓芯片的輸入輸出端均接有濾波電容組，每組由一大一小數(shù)量級相差至少兩級以上的電容并聯(lián)而成，且輸入端電源為24 V的交流電，為了濾除輸入電源的共模干擾信號，在輸入端設(shè)計了一個Y電容，即圖2中的C1、C2。

2.3 繼電器控制電路

    繼電器控制電路用于控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能要求，其中繼電器控制電路中的繼電器的開閉由STM32的GPIO口通過ULN2003D驅(qū)動。而繼電器控制電路原理基本相同，GPIO口低電平時，繼電器閉合，同時繼電器工作指示燈亮。因此這里以椅架電機(jī)的繼電器控制電路為例，由于要控制椅架電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過兩個繼電器實(shí)現(xiàn)這一功能要求。具體電路原理圖如圖3所示。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器的選型

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)為功能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，為了簡化電源模塊的設(shè)計，在選型時盡量選用供電電壓相同的，其中靠背電機(jī)和椅架電機(jī)用于控制靠背和椅架的運(yùn)動，要求運(yùn)行穩(wěn)定、力矩大，選用額定轉(zhuǎn)速為30 rpm、額定力矩為30 kg·cm的24 V直流電機(jī)，電磁閥選用24 V常閉型電磁閥，觀片燈選用牙醫(yī)專用的24 V供電的低壓觀片燈，熱水器選用24 VAC供電的牙醫(yī)椅專用的熱水器。

    傳感器用于檢測系統(tǒng)運(yùn)行時執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并反饋給STM32芯片，便于監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，其中安全位置傳感器和限位傳感器均選用漫反射型的紅外光電接近開關(guān)，用于限定牙醫(yī)綜合治療椅運(yùn)動的極限位置，其工作時會發(fā)出不可見的紅外光，當(dāng)靠背和椅架運(yùn)動到開關(guān)位置時，光線被物體表面反射回接收器，傳感器便有信號輸出，STM32根據(jù)傳感器的輸出信號判斷是否到達(dá)極限位置。熱水器溫控傳感器選用常用的太陽能熱水器中2芯的水溫水位傳感器，在檢測水溫的同時也可檢測熱水器中的水位，同時為保安全使用常閉型溫控開關(guān)，當(dāng)熱水器溫度過高時自動斷開，停止加熱。供水感應(yīng)傳感器采用液體流量傳感器，用于檢測供水功能開始時供水流量。傾角傳感器用于檢測靠背和椅架的位置，由于STM32芯片的ADC模擬量輸入通道幅值和工作電壓范圍均為0 V～3.3 V，因此選用信號輸出為0 V～3.3 V的三軸傾角傳感器MMA7361。而其他傳感器通過電阻分壓方式將0 V～5 V的輸出信號轉(zhuǎn)為STM32芯片支持的0 V～2.5 V信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主從機(jī)通信協(xié)議設(shè)計

    主從機(jī)之間的通信采用9位異步通信方式，第9位為通信數(shù)據(jù)和地址數(shù)據(jù)的標(biāo)志位。若第9位為1，表示后面8位數(shù)據(jù)代表地址數(shù)據(jù)，即從機(jī)地址；若第9位為0，表示后面8位數(shù)據(jù)代表的是通信數(shù)據(jù)。且為避免總線沖突，主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸由主機(jī)控制，從機(jī)不主動向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有主機(jī)輪詢到從機(jī)時才將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)，且從機(jī)之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

    工作時主從機(jī)之間采用握手和應(yīng)答方式確保通信可靠。主機(jī)首先向從機(jī)發(fā)送握手信號（即地址數(shù)據(jù)），從機(jī)接收到握手信號后，判定是否要進(jìn)行通信，如果是則發(fā)送回應(yīng)，此時通信連接建立，主從機(jī)之間開始交換數(shù)據(jù)，完成后，斷開連接，通信結(jié)束。若主機(jī)發(fā)送握手信號后，從機(jī)在指定的時間內(nèi)沒有應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信失敗，自動結(jié)束與該從機(jī)的通信。

3.2 參數(shù)設(shè)置程序設(shè)計

    參數(shù)設(shè)置主要用于設(shè)置對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到功能要求時的參數(shù)，主要包括：供水量、沖痰時間、熱水器加熱溫度以及靠背和椅架運(yùn)動極限位置。參數(shù)設(shè)置時先按下設(shè)置鍵，再按下對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能按鍵，即可進(jìn)入該執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置模式，通過參數(shù)調(diào)整按鍵來調(diào)整參數(shù)值。當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成后，再次按下設(shè)置鍵即可保存設(shè)置。若參數(shù)設(shè)置期間按下任意功能控制按鍵，則參數(shù)設(shè)置無效，參數(shù)值為設(shè)置前的參數(shù)；若按下復(fù)位鍵，則參數(shù)變?yōu)橄到y(tǒng)初始參數(shù)，并退出參數(shù)設(shè)置程序。參數(shù)設(shè)計程序流程如圖4所示。

    在參數(shù)設(shè)置時，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)均停止工作，并且設(shè)置參數(shù)的從機(jī)與主機(jī)一直保持通信，直到按下設(shè)置鍵或復(fù)位鍵以及功能按鍵時才斷開通信。

3.3 功能控制程序設(shè)計

    功能控制主要根據(jù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)的傳感器檢測到的數(shù)據(jù)和設(shè)置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)，通過繼電器電路控制對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，包括：靠背和椅架的上升和下降、熱水器加熱、供水和沖痰等，并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行數(shù)據(jù)和結(jié)果通過液晶屏實(shí)時顯示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出錯時，會通過報警電路提示，并通過液晶屏顯示具體錯誤信息，方便實(shí)時掌控系統(tǒng)狀態(tài)。功能控制程序流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試

4.1 開機(jī)自檢測試

    開機(jī)自檢主要用于檢測系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時各個功能模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否處于正常工作狀態(tài)，包括：主控按鍵面板、副控按鍵面板、主控系統(tǒng)中控制電路模塊中各個開關(guān)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊中各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果某一個未處于正常開機(jī)狀態(tài)，通過液晶屏顯示其對應(yīng)的故障代碼，圖6所示為主、副控按鍵面板在開機(jī)時均未與主控系統(tǒng)連接時出現(xiàn)的錯誤代碼。

4.2 通信測試

    系統(tǒng)運(yùn)行時主控系統(tǒng)會與按鍵面板之間建立通信，之后按鍵面板將檢測到的鍵值發(fā)送給主控系統(tǒng)。若按鍵面板無按鍵按下，則會向主控系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)48，主控系統(tǒng)會根據(jù)接收到的鍵值控制指示燈的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能；如果接收到數(shù)據(jù)48，則表示按鍵面板無按鍵按下，指示燈會亮；若接收到的數(shù)據(jù)非48，則表明按鍵面板有按鍵按下，指示燈會熄滅，主控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，控制系統(tǒng)采用的主從機(jī)通信協(xié)議性能穩(wěn)定，可以很好地滿足實(shí)際功能需求。

5 結(jié)束語

    本文設(shè)計了一種基于STM32的牙醫(yī)綜合治療椅控制系統(tǒng)，通過高性能的STM32芯片和基于RS485總線的主從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的同時，也提高了系統(tǒng)整合度和可擴(kuò)展性。實(shí)際應(yīng)用表明，該牙醫(yī)綜合治療椅控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，人機(jī)交互能力強(qiáng)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐志虎.基于多單片機(jī)的牙科綜合治療臺控制系統(tǒng)開發(fā)[D].上海：東華大學(xué)，2011.

[2] 賈喬潔.牙醫(yī)綜合治療機(jī)設(shè)計[J].美術(shù)大觀，2013(2).

[3] 沈燕飛.RYY_E型醫(yī)療設(shè)備控制系統(tǒng)開發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

作者信息：

許新建，文國軍，王玉丹，胡自飛

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430074）