多功能病床設(shè)計

1、多功能病床設(shè)計摘要隨著我國社會人口結(jié)構(gòu)老齡化趨勢日趨明顯，對醫(yī)護護理行業(yè)有了更高的要求。醫(yī)用 病床的質(zhì)量可靠性以及功能多樣化，大大方便了護理人員的操作，提升了護理行業(yè)的整體 服務水平，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。本文針對危重病人、癱瘓病人及行動不便的病人設(shè)計了一款多功能病床，該病床具有 幫助病人坐起、屈膝、排便、翻身等功能，解決了再護理行業(yè)中的諸多不便，促進了我國 護理行業(yè)醫(yī)療器械的發(fā)展。本文采用了自頂向下的設(shè)計方法，首先擬定了病床的整體設(shè)計方案，然手對病床的總 體框架、抬腿部件、抬背部件、整床升降等部件進行了分別詳細的設(shè)計。并采用先進的計 算機輔助設(shè)計軟件solidworks對多功能病床

2、進行了建模和分析，繪制了主要零部件的CAD工程圖。采用機械力學理論詳細分析了多功能病床的主要零部件，確保了機構(gòu)運行的安全 性和穩(wěn)定性。最后，本文對多功能病床的控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和分析。關(guān)鍵詞：多功能；病床；設(shè)計；目錄摘要1目錄21多功能病床總體設(shè)計31.1 研究背景及意義31.2 擬定總體設(shè)計方案4病床的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1側(cè)翻機構(gòu)的設(shè)計72.2 抬背機構(gòu)的設(shè)計82.3 曲腿機構(gòu)的設(shè)計92.4 電機的選擇113病床結(jié)構(gòu)的校核與分析163.1 床底架桿校核163.2 抬背桿校核173.3 病床的三維建模194病床控制系統(tǒng)設(shè)計224.1 控制系統(tǒng)原理及方案224.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計244.3 控制系

3、統(tǒng)的軟件設(shè)計29總結(jié)34參考文獻351多功能病床總體設(shè)計1.1 研究背景及意義多功能醫(yī)用病床是針對生活不能自理的病人、危重病人和癱瘓病人的特殊需要而設(shè)計 的，能隨意調(diào)節(jié)床的背部和腳部的角度。即使不能自理者，護理人員也可通過床邊的控制 器進行操作，減少照顧病、殘患者的勞動強度。本文設(shè)計了一種用于醫(yī)院重癥病人用的多 功能床，解決病人身體和生理方面的需要（抬背、翻身等），也減輕護理人員的勞動強度。 針對市場需求開發(fā)設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便的多功能病床并進行動態(tài)仿真， 對于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化具有重要的意義。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長，思想的進步， 城市人口正逐

4、步進入老齡化，人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的社會問題。據(jù)統(tǒng)計，歐洲發(fā) 達國家和日本的老年人獨居率已高達40%如此之高的比例迫使社會采取措施解決老年人的護理服務問題。如果完全依靠家庭人工照料，與西方國家子女與老年人分居、家庭規(guī)模 小型化的觀念有抵觸之處。我國60歲及其以上老年人口已達1.32億，占全國總?cè)丝诘?0%,并以年均3.32%的速度持續(xù)增長。其中“空巢家庭”占所有老齡家庭總數(shù)的25.8%,在一些大城市中該比例更大，解決因身體虛弱臥床不起或因疾患導致生活不能自理的老年人 的家庭照料與看護問題是人口老齡化國家所面臨的共同問題1。為此，國家也大力加強了對護理機器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人或長期

5、使用病床的病人 提供一個集護理和排泄等各功能于一體的多功能病床，極大的提高了患者的康復護理水平 也為護理人員提供了極大的方便，所以操作簡單，功能強大的護理產(chǎn)品越來越受到追捧。病床在國內(nèi)的設(shè)計研究尚處于初級階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進一步的完善。 國外病床的研究以德國、日本為代表，各種護理功能正在逐步完善，成熟。但因其價格昂 貴（一般售價在20萬人民幣以上），很難為一般的消費者所接受。病床的基本分類情況如下1:從近年來的發(fā)展來看，國內(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)構(gòu)、功能等等各異的病床層出不窮。發(fā)展方向 主要向機器人模塊化的自動控制方向發(fā)展。結(jié)構(gòu)功能單一的病床已經(jīng)逐漸隱退。如今病床床體本身的構(gòu)件要實現(xiàn)

6、多種功能，包括平躺、仰起、曲腿、左側(cè)翻、右側(cè)翻、潔便門開關(guān)裝置及沖洗馬桶和沖洗身體 的裝置，另外還有烘干和抽風的設(shè)備。各個部分可以獨立的運行來完成相應的動作，同時將單個功能組合起實現(xiàn)復雜的功能。譬如病人躺在床上排泄問題的解決，改變靠背板的仰角或者左右的側(cè)翻以取得舒適的姿態(tài)，護理人員對潔便池的清洗等2。本文主要研究目的是為了解決老年人，不能自理的病人、殘疾人、癱瘓病人、產(chǎn)婦等 這一類人的痛苦。讓他（她）在沒有他人一直照顧時能夠自理。1.2 擬定總體設(shè)計方案按照床的整體分布，家用電動護理床可以分為總體框架、抬腿部件、抬背部件、整床 升降，部件智能座便系統(tǒng)五大功能模塊。通過分析現(xiàn)有的病床設(shè)計，我們很

7、容易發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)床面某一個特定的體位姿態(tài)， 傳統(tǒng)的設(shè)計方法就會設(shè)計一套特定的機構(gòu)與之對應。當位姿數(shù)目越來越多時，所需機構(gòu)數(shù) 目也隨之增加，同時空間體積也隨之膨脹。而床體的總體積是有一定限制的，即床體的長、 寬、高尺寸必須按照有關(guān)病床標準規(guī)定限制在某一個空間范圍之內(nèi)，才能夠既滿足病人的 舒適感的要求又滿足空間限制要求。多機構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運動，人體的運 動具有極大的柔性。受此啟發(fā)將病床的床面進一步加以細分，成為彼此之間相互獨立的12個面板。如圖2-1所示。圖1-1中，床面板1、床面板2與床面板3對應于人體的背部， 床面板4、床面板5和床面板6對應于人體的臀部，人體的腿與腳分別對應于

8、床面板7、床面板8、床面板9和床面板10、床面板11、床面板12。通過各個床面板之間的協(xié)調(diào)運 動，采用單動或聯(lián)動方式來實現(xiàn)病床所需的各種體位位姿。圖1-1多功能醫(yī)用病床床面板圖為了滿足患者在使用病床時的舒適程度以及有效的減緩護理人員的護理強度。病床結(jié) 構(gòu)在設(shè)計時應滿足以下幾個方面的要求 ：(1)能夠?qū)崿F(xiàn)護理所需的各種體位位姿要求。(2)各個活動床面板的擺動角度范圍應參照有關(guān)醫(yī)療護理要求以及人體的舒適感，各床面 板擺動角度及標準如下：背板擺動角度：0°75°左/右翻身擺動角度：0°75°腿板擺動角度：0°45。(3)病床床體的可靠性、穩(wěn)定性和安全

9、性要符合醫(yī)護要求。(4)床體的結(jié)構(gòu)尺寸有一定的空間范圍限制。多功能醫(yī)用病床從結(jié)構(gòu)和功能上分為：床框架、平面連桿機構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成 圖2-2多功能醫(yī)用病床系統(tǒng)框圖床框架除了固定的機械機構(gòu)以外，還包括各個電機安裝模塊。平面連桿機構(gòu)包括：側(cè) 翻機構(gòu)、抬背機構(gòu)、曲腿機構(gòu)。床板由床板框架和床板面板組成，整臺多功能醫(yī)用病床中 共有四臺直流電機，分別完成頭部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻等動作。本課題工作重點在 平面連桿機構(gòu)部分，包括機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，運動方案的設(shè)計，整個多功能醫(yī)用病床三維模 型的建立，整床的裝配及調(diào)試；控制方案確定，電路板設(shè)計、控制線路布置、連接，各種 傳感器設(shè)計安裝，編程以及調(diào)試。2病床的

10、結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1側(cè)翻機構(gòu)的設(shè)計側(cè)翻機構(gòu)的作用是實現(xiàn)患者在病床上的左右翻身，避免因患者背部長期接觸被褥而產(chǎn) 生褥瘡，同時減輕護理人員的護理強度。多功能醫(yī)用病床的側(cè)翻機構(gòu)采用兩個對稱的四桿 機構(gòu)，由兩個直線驅(qū)動器驅(qū)動。通過電氣控制，實現(xiàn)病床的左右側(cè)翻功能。簡圖如圖 3-1 所示。左側(cè)翻示意圖右側(cè)翻示意圖圖3-1側(cè)翻機構(gòu)多功能醫(yī)用病床的側(cè)翻機構(gòu)由線性推桿、側(cè)翻連桿、側(cè)翻滾子、兩側(cè)床板以及部分床 架組成。線性推桿一端較接于床架上，另一端較接于側(cè)翻構(gòu)件上，側(cè)翻構(gòu)件的一端較接于 床架上，另一端通過滾子與床側(cè)板連接，床側(cè)板通過螺栓與中部床板較接，中部床板通過 固定器將中部床板固定于床架上，使之充當機架作用，線

11、性推桿的推動使得側(cè)翻構(gòu)件繞著 床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過滾子的作用，使得背部側(cè)板繞著它與中部床板的較接點為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn) 動。側(cè)翻機構(gòu)由左右兩個四桿機構(gòu)組成，兩個機構(gòu)承對稱，因此設(shè)計其中之一即可。通過 查閱手冊人體的肩寬大約為 330415mm因此床的中間段板要盡可能的窄，使患者能實現(xiàn) 翻身這一動作。在此設(shè)計中背板中部設(shè)為180mm兩側(cè)板設(shè)為320mm床板的厚度設(shè)為35mm支承滾子的直徑設(shè)為 20mm床的高度根據(jù)普通床的高度做調(diào)整，過高不方便患者上 下床，過低影響安裝空間。線性推桿的底部安裝點到床板轉(zhuǎn)軸距離根據(jù)機構(gòu)的始末位置把 電機的行程范圍定為115mm利用AUTOCA的旋轉(zhuǎn)功能，將一側(cè)床板翻轉(zhuǎn) 75&

12、#176; ,利用偏移 指令，找到側(cè)翻構(gòu)件翻轉(zhuǎn)后的位置，再次旋轉(zhuǎn)得到電機前端的安裝點，這樣就可以得到了 側(cè)翻機構(gòu)在水平狀態(tài)時的機構(gòu)的各點的參數(shù)，根據(jù)設(shè)計要求側(cè)翻的翻轉(zhuǎn)最大角度為75° ,所以將背板旋轉(zhuǎn)75。之后，又得到了一個新的機構(gòu)的位置，通過觀察發(fā)現(xiàn)，機構(gòu)在終了位 置時，桿件并沒有發(fā)生碰撞干涉，符合機構(gòu)的運動要求，測量線性推桿在終了位置時的伸 長長度，推桿在許用選用范圍之內(nèi)，滿足了推桿的選用行程，至此側(cè)翻機構(gòu)的圖解法設(shè)計 結(jié)束，各點的安裝位置及初步設(shè)計尺寸如圖3-2所示。圖3-2側(cè)翻機構(gòu)初始設(shè)計尺寸圖2.2 抬背機構(gòu)的設(shè)計抬背機構(gòu)的主要作用是實現(xiàn)患者在病床上的抬背及端坐功能。多功能

13、醫(yī)用病床的臺北 機構(gòu)類似于側(cè)翻機構(gòu)，由線性推桿、抬背連桿、抬背滾子、背板以及部分床架組成。線性 推桿一端較接于床架上，另一端較接于抬背構(gòu)件上，抬背構(gòu)件的一端較接于床架上，另一 端通過滾子與背板連接，中部床板焊接固定于床架上，使之充當機架作用，線性推桿的推 動使得抬背構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過滾子的作用，使得背板繞著它與中部床板的較接 點為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。簡圖如圖 3-3所示。圖3-3抬背機構(gòu)多功能醫(yī)用病床的抬背機構(gòu)采用一個四桿機構(gòu)，用單個線性推桿驅(qū)動。查閱手冊得人體的坐高大約為 800m*右，所以本機構(gòu)中背板的長度為 860mm滾子 的直徑為20mm與側(cè)翻機構(gòu)相似，圖解法設(shè)tf,設(shè)臀部床板的長度

14、為400mm線性推桿的行程范圍得出水平距離為 608mm由此得出線性推桿的初始安裝長度，這樣得到了初始狀 態(tài)下的抬背機構(gòu)的尺寸，但由于機構(gòu)需要滿足運動要求，根據(jù)設(shè)計要求，將背板向上翻轉(zhuǎn) 75。之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動擺桿的所在位置，得出線性推桿的終了安裝位置，這 樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為190mm此行程正好滿足了線性推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。初步設(shè)計完成之后的尺寸圖如圖3-4所示，各點安裝位置也如圖所示。圖 3-4抬背機構(gòu)初始設(shè)計尺寸圖2.3 曲腿機構(gòu)的設(shè)計曲腿機構(gòu)的作用是實現(xiàn)患者腿部床板的向下彎曲。在向下彎曲的時候，腳板必須處于 水平位置。多功能醫(yī)用病床

15、的曲腿機構(gòu)是一個五桿機構(gòu)，由單線性推桿驅(qū)動，實現(xiàn)曲腿的 動作。簡圖如圖3-5所示。圖3-5曲腿機構(gòu)多功能醫(yī)用病床的曲腿機構(gòu)包括：線性推桿、曲腿連桿I、曲腿連桿n、腿部床板和 部分床架。線性推桿一端較接于床架上，另一端較接于曲腿連桿I上，曲腿連桿I又和曲 腿連桿n相較接，曲腿連桿n再和腿部床板較接；曲腿連桿I和腿部床板通過不同的較接 分別固定于床架上，線性推桿的推動使得曲腿構(gòu)件繞著床架發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過曲腿連桿n與 腿部床板相較接，使得腿部床板繞著它與中部床板的較接點為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。多功能醫(yī)用病床的曲腿機構(gòu)采用一個五桿機構(gòu)，設(shè)大腿板的長度為445mm線性推桿的行程范圍得出水平距離為 380mm由此得

16、出線性推桿的初始安裝長度，這樣得到了初始 狀態(tài)下的曲腿機構(gòu)的尺寸，但由于機構(gòu)需要滿足運動要求，根據(jù)設(shè)計要求，機構(gòu)做拉動， 將腿板向下翻轉(zhuǎn)45。之后，利用偏移命令，找到轉(zhuǎn)動連桿的所在位置，得出線性推桿的終 了安裝位置，這樣就可以得到線性推桿的行程，其行程為 101mm此行程正好滿足了線性 推桿的選用范圍，可以直接采用廠家提供的線性推桿。初步設(shè)計完成之后的尺寸圖如圖3-6所示，各點安裝位置也如圖所示。圖 3-6曲腿機構(gòu)初始設(shè)計尺寸圖在大腿板和腳板的連接處添加兩處支撐滾子，在曲腿沒有或初進行時，滾子起支撐腳 板的作用。在床架下框架再添加兩處支撐滾子。當曲腿運動進行時，腳板碰到床下框架的 滾子，使得小

17、腿板彎曲變?yōu)榻咏轿恢?，起到支撐腳的作用。而腿板與腳板連接處的滾 子由于曲腿動作失去支撐作用。2.4 電機的選擇1 、整床升降電動機的選擇功率：時間t=35s上升高度h=220mm,極限夾角，轉(zhuǎn)臂角速度為轉(zhuǎn)臂速度：負載，轉(zhuǎn)臂所傳遞的功率為（忽略轉(zhuǎn)臂自重）電動機的許用功率：忽略軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿自重）電動機實際功率：由以上結(jié)果知，選定額定功率為100W的單向電容式減速電動機其相關(guān)參數(shù)如下電機轉(zhuǎn)速由圖3.2可知螺桿導程1最短約為220mm那么由屈膝的抬腿時間，螺桿導程間距, 可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約：2、坐起電動機1 ）功率取t=30s ,極限角度0 =700,轉(zhuǎn)臂角速度：轉(zhuǎn)臂速度：負載，則轉(zhuǎn)

18、臂傳遞的功率：（忽略轉(zhuǎn)臂自重）電機的許用功率：（忽略軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿自重）電動機實際功率：P 許2X 1.2=36W由以上結(jié)果知，選用額定功率為40W的單相電容式減速電動機。相關(guān)參數(shù)如下2）轉(zhuǎn)速由圖3.1可知坐起螺桿行程最短約為 365m,那么由上身坐起的時間t=30s ,螺桿螺紋 間距d=2mm可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速：n=365+ 2+30X60r/min=365r/min圖3.1坐起螺桿的導程示意圖3 、曲腿電動機的選擇1 ）功率：,極限角度，轉(zhuǎn)臂角速度：轉(zhuǎn)臂速度：負載T3=1000N則轉(zhuǎn)臂所傳遞的功率：（忽略轉(zhuǎn)臂自重）（忽略軸的轉(zhuǎn)動慣量及連桿量）電動機實際功率：P3=P許3 X 1.

19、2=10.9W由以上結(jié)果知，選定額定功率為25W的單相電容式減速電動機。相關(guān)參數(shù)如下2）轉(zhuǎn)速:由圖3.2可知屈膝螺桿行程最短約為121mm那么由屈膝的抬腿時間，螺桿導程間距，可以得出電動機的最低轉(zhuǎn)速約：圖3.2屈膝時螺桿的行程示意圖 3病床結(jié)構(gòu)的校核與分析3.1 床底架桿校核多功能病床病床各主要部件及連桿材料均選用Q235A鋼考慮到由于多功能醫(yī)用病床內(nèi)的機構(gòu)角度，不可避免的會使床的質(zhì)量增加。由于整床 的重量將全部壓在床底架長桿上，所以底架長桿將會是受力最大的桿件，根據(jù)設(shè)計尺寸， 底架長桿的長度為1440mm床底架長桿上有兩個支撐點，假設(shè)床身的質(zhì)量為400kg,人體的質(zhì)量為150kg,總重為55

20、0kgo具體計算如下所示：圖 3-1床底架受力示意圖初步估計床的總質(zhì)量為 365kg，假設(shè)床身的質(zhì)量為 400kg,人體的質(zhì)量為150kg，總重 為 550kg o 所以 F2=F3=2750N =1440mm =1020mm,=70mm 。根據(jù)力矩平衡公式：F1X=F2X +F3X得：F1=2215.3N=F1+F4=F2+F3得 F4=3284.7N通過上述已知條件，計算桿各段所受的剪力及彎矩：以A為原點，在AB端內(nèi)：剪力F=F1=2215.3N ,方向向下彎矩M=F 僅 x得：M=0775.355N? M 方向為逆時針方向在BC段內(nèi):剪力F=F2-F1=534.7N,方向向上彎矩M=F僅

21、 x-F2X (x-0.35 )得：M=229.9775.355N? M方向為逆時針方向在CD段內(nèi)：剪力 F=F4=3284.7N,方向向上彎矩M=F4Kx得：M=0-229.9N? M方向為逆時針方向所以，根據(jù)計算分析，得出的結(jié)果為B點的受力最大且彎矩也最大，所以B點所在在截面為危險截面。計算后的剪力圖及彎矩圖如圖6-2所示。圖3-2床底架剪力及彎矩圖根據(jù)剪力及彎矩圖說明了床底架桿在整體上的受力并沒有發(fā)生突變，同時也不存在在 某段的力值特別大的現(xiàn)象，所以從整體上而言，床框架的力學性能良好，受力情況滿足了 機構(gòu)的設(shè)計要求。3.2 抬背桿校核多功能醫(yī)用病床在抬背的時候，其抬背擺桿將是受力較大的桿

22、件，由于人的背部質(zhì)量 較大，所以其將會時比較危險的桿件，對其的力學計算如下。圖 3-3抬背桿受力示意圖按照人體的質(zhì)量及床板的質(zhì)量均分，則圓整后的數(shù)據(jù)為F1=500N方向向上。F3x=950N , F3y=2039N =830mrp =680mm,=54mm 。F2x=F3x=950N , F2y=F1+F3y=500+2039=2539N在AB段剪力F=F1=500N ,方向向上彎矩M=氏x,得：M=0-340l? M 方向為順時針方向在BC段剪力F=F3y=2039N ,方向向下彎矩M=F2y< ( x-0,68 ) -F1Xx(0.68 <x< 0.734)得：M=229

23、.9340N? M 方向逆時針方向M=F2yx ( x-0.68 ) +F2xX -FIXx(0.734 <x< 0.83)得：M=-18.5229.9N ? M,方向逆時針方向所以，根據(jù)上述計算結(jié)果，得知B點的剪力最大且所受的彎矩也是最大，綜上所述，B點所在的截面為危險截面。根據(jù)計算結(jié)果畫出的剪力圖及彎矩圖如圖3-4所示。圖3-4抬背桿所受剪力及彎矩圖根據(jù)剪力及彎矩圖說明了抬背桿在AB段的受力最大，前后兩端均受到壓力使之變形，中部的受力變形則是由于前后兩端分別受到向下的壓力，所以導致了中部產(chǎn)生了拱起現(xiàn)象 的受力。由于抬背桿整體上的受力并沒有發(fā)生突變不存在在某段的力值特別大的現(xiàn)象，

24、所 以從整體上而言，床框架的力學性能良好，受力情況滿足了機構(gòu)的設(shè)計要求。抬背桿在三 種機構(gòu)中最危險，因為抬背桿滿足了設(shè)計要求，所以側(cè)翻和曲腿桿滿足設(shè)計要求。3.3 病床的三維建模通過圖解法的方法得到了病床的初始設(shè)計數(shù)據(jù)，這些是對病床進行建模的基礎(chǔ)，根據(jù) 上述初始設(shè)計數(shù)據(jù)，通過 soliderworks 軟件對其進行建模，Solidworks軟件功能強大， 組件繁多。Solidworks功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點，使得 SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維 CADW決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。S

25、olidWorks不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學易 用。得到的模型如圖3-7 所示。圖 3-7(a)護理床床架三維模型圖 3-7(b)護理床側(cè)翻(左)連桿三維模型圖 3-7(c)護理床抬背連桿三維模型圖 3-7(d)護理床曲腿連桿三維模型圖 3-7(e)多功能醫(yī)用護理床三維模型 1圖 3-7(f)多功能醫(yī)用護理床三維模型 24病床控制系統(tǒng)設(shè)計4.1控制系統(tǒng)原理及方案為了實現(xiàn)多功能病床各個機構(gòu)的運動，病床控制系統(tǒng)采用單片機構(gòu)成主控制以及各個 輔助模塊，對四臺直流電機正反轉(zhuǎn)和速度的控制。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，

26、能承 受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動化系 統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要有三種方法：調(diào)節(jié)電樞供電的電壓、減弱勵磁磁通和改變 電樞回路電阻。針對三種調(diào)速方法，都有各自的特點，也存在一定的缺陷。直流電機調(diào)速 基本原理是改變電機的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。？改變電壓的方法很多，直流 PWMJ速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點：由于PWMJ速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍寬。同樣， 由于開關(guān)頻率高，快速響應

27、特性好，動態(tài)抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只 工作在開關(guān)狀態(tài)，因此主電路損耗小、裝置效率高；直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功 率因數(shù)比相控整流器高。因此最常用的一定是PWIW寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。電機調(diào)速一般分為三個級，控制級，驅(qū)動級和反饋 級。？單片機屬于前端的控制級，只需要能夠產(chǎn)生可調(diào)的PW械形就可以（很多單片機都有專用PW喻出功能，有定時器就能做到）。驅(qū)動級，在控制級后。因為單片機弱電不能 直接驅(qū)動電機這樣的強電，所以需要用功率開關(guān)器件來驅(qū)動電機?；舅悸肪褪峭ㄟ^弱點 控制強電。通常，驅(qū)動級和控制級還需要電氣隔離（光耦器件）保證安全。

28、？反饋級是為了實現(xiàn)精確調(diào)速的。一般是電流反饋，也有用轉(zhuǎn)速反饋的，也有電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制 的。PWM輸出的占空比具體是多少由單片機通過反饋的信息綜合運算得到（是負反饋控 制）。具體的原理圖要根據(jù)具體的電機。控制部分采用模塊化，控制系統(tǒng)方案框圖如圖5-1所示圖4-1控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)的主控制 CP而用AT89S51單片機，AT89S51是一個低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP 的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATME公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和IS

29、PFlash 存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。由于 AT89S52本身資源有限，所以擴展了一片EPRO好片W27C5121做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片SRAM片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；輸入/輸出口的擴展選用了并行接口8255芯片，一些進/出的信號均做了隔離放大。電機驅(qū)動模塊采用專用的電機驅(qū)動芯片，例如L298M L297N等電機驅(qū)動芯片，由于它內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全、可靠行，所以我們在應用時只需考慮到芯 片的硬件連接、驅(qū)動能力等問題就可以了，所以此種方案的電路設(shè)計簡單、抗干擾能力強、可靠

30、性好。設(shè)計者不需要對硬件電路設(shè)計考慮很多，可將重點放在算法實現(xiàn)和軟件設(shè)計中，大大的提高了工作效率。當連桿機構(gòu)運動到設(shè)計要求的角度時，通過傳感器使機構(gòu)運動停止，同時反饋位置信 息到單片機進行調(diào)節(jié)。顯示模塊采用128X 64LCD液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件連接電路 較復雜，顯示屏幕大、可對漢字和字符進行顯示。鍵盤模塊采用行列式鍵盤，這種鍵盤的特點是行線、列線分別接輸入線、輸出線。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需m根行線和n根列線就可組成亦n個按鍵的鍵盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合。但此種鍵盤的軟件結(jié)構(gòu)較為 復雜。電源模塊通過固定芯片對整流后的電壓進行降

31、壓、穩(wěn)壓處理(如7812、7805等)，此方案可靠性、安全性高，對能源的利用率高，并且電路簡單容易實現(xiàn)。綜上所述：(1)控制模塊：采用AT89S51單片機；(2)電機驅(qū)動模塊：采用直流電機驅(qū)動芯片 L298N實現(xiàn)；(3)限位模塊：采用傳感器；(4)顯示模塊：？?？采用128X 64LCD液晶顯示模塊；(5)鍵盤模塊：？?？采用標準的矩陣式鍵盤；(6)電源模塊：?采用7805、7812芯片實現(xiàn)。4.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。在本系統(tǒng)中直流電機需要 24V電源，而單片機、顯示模塊等其它電路需要5V的電源，因此電路中選用 7805和7812兩種穩(wěn)壓芯片，

32、其最大輸出電流為1.5A,能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如圖 5-2所示。圖4-2電源電路驅(qū)動模塊是控制器與執(zhí)行器之間的橋梁，在本系統(tǒng)中單片機的I/O 不能直接驅(qū)動電機，只有引入電機驅(qū)動模塊才能保證電機按照控制要求運行，在這里選用L298N電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機，該芯片是由四個大功率晶體管組成的H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空 比，調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。其中輸出腳（SENSEA口 SENSEB用來連接電流檢測電阻，Vss接邏輯控制的電源。Vs為電機驅(qū)動電源。IN1-IN4輸入引腳為標準TTL邏輯電平信號，用來控制 H橋的開與關(guān)

33、即實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，ENA ENB弓I腳則為使能控制端，用來輸入PWM&號實現(xiàn)電機調(diào)速。其電路如圖3.3所示，利用兩個光電耦合器將單片機的I/O與驅(qū)動電路進行隔離，保證電路安全可靠。這樣單片機產(chǎn)生的PW嘛沖才制L298N的選通端，使電機在 PW嘛沖的控制下正常運行，其中四個二極管對芯片起保護作用。其電路如圖7-3所示。圖4-3電機驅(qū)動電路根據(jù)設(shè)計要求要對系統(tǒng)各項參數(shù)和電機運行狀態(tài)進行顯示，因此在電路中加入顯示模 塊是非常必要的。在系統(tǒng)運行過程中需要顯示的數(shù)據(jù)比較多，而且需要漢字顯示，在這里 選用128X 64液晶顯示器比較適合，它是一種圖形點陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及12

34、8X 64全點陣液晶顯示器組成，可完成漢字（16X16）顯示和圖形顯示共有20個引腳，其引腳名稱及引腳編號的對應關(guān)系如圖5-4,引腳功能如表7-1所示。圖4-4128X 64LCD弓I腳分布表 4-112864 液晶顯示模塊引腳功能引腳符號引功能引腳符號引腳功臺匕目匕1VSS電源地15CS1CS1=1 芯片選擇左邊 64*64點2VDD電源正+5V16CS2CS2=1 芯片選擇右邊64*64點3VO液晶顯示驅(qū)動電源17/RST復位（低電平有效）4RSH :數(shù)據(jù)輸入；L :指令碼輸入18VEELCD驅(qū)動負電源5R/WH :數(shù)據(jù)讀??；L :數(shù)據(jù)寫入19A背光電源（+）6E使能信號。20K背光電源（

35、-）7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線有些型號的模塊19、20腳為空腳128X 64液晶顯示器與單片機的連接電路如圖7-5所示：圖4-5顯示模塊電路根據(jù)設(shè)計需求，本系統(tǒng)中使用了4X4鍵盤用以實現(xiàn)對病床各個動作的控制，其電路原理圖如圖7-6所示。圖中L013為4X4鍵盤的列信號，H0H3為4X4鍵盤的行信號。在本系統(tǒng)中，用P1.0P1.3連接鍵盤的列信號 L0L3;用P1.4P1.7連接鍵盤的行 信號HO- H3。按照要求設(shè)計操作面板如圖7-6所示：圖4-6鍵盤電路鍵盤操作說明：在系統(tǒng)開始運行時，128X 64LCD將顯示開機界面，若按下設(shè)置鍵顯示 屏進入?yún)?shù)設(shè)置界面，此時按1、2、3、4進入相應參數(shù)

36、的設(shè)置的狀態(tài)，輸入相應的數(shù)字即可完成該參數(shù)的設(shè)置，待所有量設(shè)置完成后按正/反控制鍵設(shè)置正反轉(zhuǎn)，最后按啟動鍵啟動系統(tǒng)，在運行過程中可按下相應鍵對電機進行暫停、繼續(xù)、停止運行的控制。根據(jù)設(shè)計要求，當各個運動到達特定角度時，各個運動就要停止。因此要在指定角度 出添加限位。這里使用傳感器作為限位，同時反饋到單片機，達到更加精確地角度。圖 47限位電路4.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計1 、程序流程圖4-8主程序流程圖4-9鍵盤流程圖 4-10系統(tǒng)主函數(shù)流程圖 4-11子程序流程2 、顯示程序流程顯示模塊是實現(xiàn)人機對話的重要部分，在這里選用128X 64LCD顯示器可實現(xiàn)對漢字和字符的顯示，該顯示器的引腳功能在

37、上面已經(jīng)做了說明，下面介紹128X 64LCD的相關(guān)指令。(1)讀取狀態(tài)字D/IR/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 BUSY 0ON /OFF RST 0 0 0 0當R/W=1, D/I=0時，在E信號為高的作用下，狀態(tài)分別輸出到數(shù)據(jù)總線上。狀態(tài)字 是了解模塊當前工作狀態(tài)的唯一的信息渠道，在每次對模塊操作之前，都要讀出狀態(tài)字判 斷BUSYg否為“0”。若不為“ 0”，則計算機需要等待，直至 BUSY=0 為止。(2)顯示開關(guān)設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111DD=1 :開顯示；D=0關(guān)顯示。(3)顯示

38、起始行設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011顯不起始行（063）指令表中DB異DB0為顯示起始行的地址，取值在 03FH （164行）范圍內(nèi)，它規(guī) 定了顯示屏上最頂一行所對應的顯示存儲器的行地址。（4）頁面地址設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0010111Page (07)頁面地址是 DDRA曲行地址。8行為一頁，DDRAI# 64行即8頁，DB2-DB減示0-7 頁。(5)列地址設(shè)置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000Yaddress(063)列地址是 DDRA版歹U地址。共 64歹U, DB5-D

39、B0取不同值得至U 0-3FH(1-64),代表某一頁面上的某一單元地址，列地址計數(shù)器在每一次讀/寫數(shù)據(jù)后它將自 動加一。(6)寫顯示數(shù)據(jù)D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010顯示數(shù)據(jù)該操作將8位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲器的單元內(nèi)。操作完成后列地址計數(shù)器 自動加一。(7)讀顯示數(shù)據(jù)D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB011顯示數(shù)據(jù)該操作將12864模塊中的DDRA雁儲器對應單位中的內(nèi)容讀出，然后列地址計數(shù)器自 動加一。3 、控制程序(1) 8255芯片初始化子程序B255:MOVDPTR,#3FFFHMOVA,#10001001BMOVXDP

40、TR,MOVDPTR,#3FFCHMOVA,#0FFHMOVXDPTR, AMOVDPTR,#3FFDHMOVA,#0FFHMOVXDPTR, ARET(2)鍵盤子程序CLREX1MOVDPTR,#5FFFHMOVA,#01000000BMOVX DPTR, AMOVDPTR,#5FFEHMOVXA, DPTRCJNEA, #KEY0, NEXT0JMP _KEY0NEXT0:CJNEA, #KEY1, NEXT1JMPKEY1NEXT1:CJNEA,#KEY2,NEXT2JMP_KEY2NEXT2 :NEXT40:CJNEA,#KEY16JMP_KEY16(3) 一個電機的控制CONT1:MOVDPTR,#3FFCHMOVXA,DPTRSETBACC.0CLR