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标题: 中药熏洗仪自动控制系统的设计 [打印本页]

作者: rise_ming 时间: 2013-1-22 21:26 标题: 中药熏洗仪自动控制系统的设计

　　引言
　　熏洗疗法是我国医学传统的外治法之一，因其具有良好的温经散寒、疏风通络、行气活血、祛风除湿、清热解毒作用，对风寒湿痹、外伤瘀痛、皮肤疽痒等病疗效显著而为临床医生所常用。
由于熏洗疗法主要是通过热量和药物共同起作用，因而传统的熏洗方法存在很大的局限性：药液温度不易控制，不能保证在足够的时间内以适宜而较恒定的温度使热量和药液有效成份向病变部位充分渗透。
　　针对传统熏洗法的缺陷，经多年的实践自行研制出一种熏洗仪自动控制系统，该系统以AT89C52单片机为核心，能够根据用户设定的温度、时间自动调节冷热水和药液的混合比例，给出恒定温度的出水并且可以选择熏蒸、熏洗、洗浴三种模式。
　　熏洗仪自动控制系统设计要求
　　熏洗仪自动控制系统设计的要求如图1所示：

　　(1)4个发光二极管亮时分别代表：冷水正在加热、热水箱正在加水、冷水箱正在加水、药液温度过低。
　　(2)8个LED分别能够动态实时显示：药液重量、舱温、药液温度、时间。
　　(3)12个按键分别代表：舱温加、减，药温加、减，时间加、减；复位，启动，暂停，熏蒸、熏洗、洗浴三种模式选择。
　　系统硬件电路设计
　　熏洗仪自动控制系统是AT89C52单片机为核心，控制面板的内容显示和按键操作采用的BC7281A单片机。整个系统硬件电路包括：单片机及其外围电路、温度采样电路、水位采样电路、加热控制电路、键盘及显示电路、系统复位电路等。
　　熏洗仪控制板
　　
      AT89C52地址分配和相关管脚的连接：
　　P1.0~P1.2：完成冷水箱的水位传感器和温度传感器信号的采集和处理。P1.3~P1.5：完成热水箱的水位传感器和温度传感器信号的采集和处理。P1.6：舱温信号的采集和处理。P1.7：药温信号的采集和处理。INT0：完成药液重量传感器的采集和处理。INT1：手动操作中断。P2.0~P2.7：接8个继电器。WR、RD：用于通信。P0.4~P0.6：接可控硅进行输出控制。P0.7：蜂鸣器。
　　加热及水温控制
　　
　　加热控制是通过单片机输出口，控制晶体三极管，从而控制固态继电器的通断即加热管的通断来完成加热。水温控制是通过设定值与测量值之间的比较进行的。当测量值低于设定值时，控制固态继电器的导通来控制加热管工作；当温度到达设定值时停止加热。单片机还根据测得的温度值决定继电器的通、断来控制混水电机的正反转使出水温度是达到用户要求。
　　水位控制
　　
   水位测量采用液位传感器。当检测到水位低于设定值时，输出的电磁阀控制信号经光耦隔离后控制双可控硅，实现电磁阀开/关。
   熏洗仪控制面板
　　
   温度控制面板CPU采用的是AT89C2051单片机，AT89C2051含有2k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5 向量两级中断断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

　　系统保护电路
　　AT89C2051各个管脚连接方式如图3所示。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。

　　X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU 作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU 可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512 x 8个字节来放置数据。
键盘及显示电路
　　BC7281 A是8位/16位LED数码管显示及键盘接口专用控制芯片。BC7281A可驱动8位或16位数码管显示或64/128只独立LED；具有64键键盘接口，内含去抖功能；具有2种键盘工作模式，适应不同应用需求；独具光柱译码方式，可独立控制两条64段光柱显示；段寻址功能便于控制独立LED；16位均可独立控制闪烁属性，闪烁速度软件可调；段驱动极性及移位脉冲时序均可控，可配合各种形式的驱动电路；键盘部分具有键值锁存功能；内部显示寄存器和控制寄存器的内容均可读出；2线高速串行接口的特点。
　　BC7281A的DIG0~DIG7管脚接8只LED、8位数码管显示和12个按键。通过管脚SCLK和SDAT分别外接一个移位寄存器74HC164控制8个LED、8位数码管显示和12个按键动作。
软件设计
　　软件是控制系统的灵魂，需要与硬件配合，将实时采集的数据与相应的设定值进行比较判断来控制循环水泵或上水电磁阀，实现各种智能自动控制。考虑到用户的不同需要，软件设计还要兼顾到操作人员方便地选择熏蒸、熏洗、洗浴三种模式工作方式，设置和修改各种设定值。
　　整个系统的控制程序采用C语言编写，符合模块化设计标准，由主程序和各功能子程序组成。子程序包括：初始化子程序、设定值装载子程序、数据存储子程序、定时中断服务子程序、加热子程序、手动检测子程序、温差跟踪循环子程序、显示子程序、键处理子程序、上水子程序、报警子程序等。
　　控制系统的软件流程图如图4所示：主程序首先完成对串行口和中断源的初始化，设置初始运行参数，开中断。

　　(1)控制面板的LED灯及数码管显示的为温度传感器检测温度，及称重传感器的检测值，表明系统工作正常。可根据实际要求进行设定。此时冷、热水箱开始检测水位是否达到标定值，没达到开进水阀加水，达到开始对热水箱加热达设定值。同时检测舱温，是否达设定值，达不到就进行加热直至设定值。
　　(2)启动：当软件检测到启动键按下时，判定是在什么模块下。
　　(a)熏蒸模块下，依据当时药液的重量、温度，冷水的温度，热水的温度以及要达到药液设定的重量、温度。据热量平衡方程，算出冷水箱、热水箱出水阀的接通时间。依此来向药箱供冷、热水。
　　当药液的重量达到设定值、判定温度是否达到设定值，达不到启动药加热，达到时启动气泵、气加热，并且进行到计时。时间到，停止气泵、气加热。
　　(b)洗浴模块和熏蒸模块基本一致。不同的是：在洗浴过程中，冷、热水箱的出水阀是关闭的；在洗浴过程中，除了保证温度外，还应保证最小重量。时间到，停止水泵。
　　(c)熏洗模块下：先执行a)程序，定时达到后再执行b)程序
　　(3) 暂停：在熏蒸、熏洗、洗浴工作过程中，检测到暂停键按下时，停止气泵或水泵及其相关工作。当按下开始按键时，接着暂停前的工作继续运行工作。
　　(4) 复位：检测到此键按下后，系统执行的实时工作停止，返回到初始状态，与系统上电时的状态一样。
　　结语
　　本系统进行了临床测试实验，证明：在功能上，实现了对水位、水温的监测与控制，同时也与用户建立了良好的交互界面；在自动上，实现了对补水时间、补水方式、辅助加热装置选定等一系列功能的自动化控制。
　　几项主要技术指标：
　　(1)系统运行稳定。
　　(2)温度控制检测过程中，温度分辨率可达0.5℃，控制精度可达±1℃，故能满足熏洗仪要求。
　　(3)对水位的监测和控制非常准确。
　　(4)能够按照用户的设定的恒温进行出水。
　　参考文献：
　　1.  杨文龙．单片机原理及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2003．
　　2.  杨文龙．单片机系统设计及工程应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2005．
　　3.  王福源,王玮,侯均衡．智能型电热水器的控制系统设计[J]．三峡大学学报，2002(12),523-525．
　　4.  严建敏,贾虹．快速热水器控制系统设计[J]．自动化技术与应用[J]，2005年第24卷第7期：78-80．
　　5.  雷建龙．AT89C2051单片机控制的电热水器水温自动调节器[J]．中国仪器仪表,2003(8)：10-11．

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