全自动药液喷洒系统

全自动药液喷洒系统 参赛学校：北华大学 作 者：邓宗泉 胡鑫辉 李伟 逄一飞 刘玉伟 指导老师：高兴华 王华盛 2010 年 9 月 18 日 【摘要】 全自动药液喷洒系统是因目前国内的多起院内感染事件而设计的，院内感 染已经成为困扰医院的一大难题，刻不容缓。本系统主要是为了改善这一情况， 能够在一定程度上解决应人为操作不当造成的消毒不彻底，造成院内感染。本 系统是一个小型的模拟化系统，采用飞思卡尔单片机作为控制核心，通过 RS232 和上位机 PC 通信，上位机设定时间和液体重量数据，下位机就将称重传 感器采集的数据通过 A/D 转换，然后通过 PID 算法控制取液重量，从而达到不 同的药液浓度，再通过水泵产生高压，使药液通过高压喷头，从而达到全自动 药液喷洒。还可以通过键盘输入数据，液晶实时显示当前的抽取的重量，使操 作更加简单。为防止系统长期使用造成药液污染，我们还设定系统定期进行自 动清洗的功能。 【关键字】 院内感染、自动消毒、飞思卡尔、PID、液体转移、上位机、控制 【项目背景】 随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们对的环境的要 求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的环境，而且对安全性、智能 性等方面也提出了更高的要求，自动药液喷洒系统也应运而生。 在医院，医生、工作人员、病人及家属最担心的是院内感染，院内感染也 称医院感染。医院是病人密集的场所，医院环境最容易被病原微生物污染， 从而为疾病的传播提供外部条件，促进医院感染的发生。医院感染无论对社会 及个人均带来严重危害。2008 年 9 月 5 日到 15 日，发送在西安交大一附院 8 名新生儿连续死亡，经调查，联合专家组一致认为，8 名早产新生儿死亡系院 内感染所致，这是一起严重的院内感染事故。据人民网报道，在我国每年约 400 万住院病人发生医院感染，直接导致的经济损失达到 160 亿至 240 亿元人 民币。而医院感染率只要降低 1%，就可支付医院感染监控人员及进行医院感 染管理和研究所需的一切费用。近年来国内多起院内感染事件已经说明医院感 染已经成为困扰医院的一大难题，刻不容缓。 除一些重点医院外，大量的基层医院的消毒供应上存在很多问题和隐患。 如：1.房屋设置和布局分区不合理 2.清洗设施设备和防护用品不全 3.工作流 程和管理不符合要求 4.灭菌设备的管理和监测不规范 5.工作人员未经专业培 训专业知识缺乏。这些问题是造成了医院感染的重要原因。 但是大量的资料证明：只要护理管理严格、预防措施落实，医院感染发生 就少。为此，我们必须采取综合性措施，确保每次消毒、灭菌、隔离达到预定 的要求，以预防和控制医院感染的发生。因此，我们结合自己所学的知识，加 入一些科技元素，设计了这个全自动药液喷洒系统。用来解决和改善上述的问 题，实现医疗自动化，提高人们生活质量。 【项目的设计思想】 由于科技的发展，使得信息交流越来越方便、普遍。使得更多不同国家、 不同地区的人们聚集在一起，社会也得以更全面的发展。但疾病的传染也给人 类带来的巨大的伤害。传统的消毒液喷洒方式，只能满足小范围的消毒要求， 对病毒的控杀能力也极其有限。这就使得很多病毒得以滋生，使人类因此遭受 了巨大的灾难。基于传统消毒液喷洒方式的缺点，我们设计了这个全自动消毒 液喷洒方式。 此系统可根据医生提供消毒液浓度、消毒液用量、喷洒时间和喷洒范围， 由操作人员或医生通过主控页面进行设置后，启动系统即可完成高浓度消毒液 和水的比例分配、提取、混合、喷洒等工作。由于本系统只需定期放入高浓度 消毒液，而喷洒工作又是有高压喷嘴完成所以大大节省了劳动力资源，使得消 毒工作变得更加方便、高效。可以大大减少由于病毒传染而带来的灾难。 【项目的设计方案】 控制系统主要包括下位机设置及自主移动控制系统和上位机设置及检测系 统两个部分，下位机通过硬件电路设计和控制算法的软件编写实现一定程度上 的自主执行，上位机通过有线通讯的方式接受实时反馈的信息，并发送相应的 指令实现系统执行的简单优化。 1.系统组成 本控制系统以飞思卡尔芯片为控制核心，设计一套简易自动消毒液喷洒控 制系统。下位机与上位机通过有线通讯模块进行通讯，下位机还另行设计有键 盘输入和液晶显示单元模块，更加有利于对下位机的直接控制。下位机系统配 有单独的电源模块，抗干扰和保护设计。 总体控制系统组成框图如图 1 所示： 控制核心 电机驱动 药液喷洒 流量检测 重量检测 1 上位机 水药液 电机 2 药液混合室 电机 1 电机 3 重量检测 2 电机驱动 P I D P I D R S 2 3 2 图 1：总系统框图 1.1Freescale 芯片的特点及应用 (1)Freescale 芯片的特点 飞思卡尔公司的 S12 系列单片机为 16 位单片机，以飞思卡尔的高速 CPU12 内核为基础，片内集成了高速 AD 转换器，PWM 脉宽调制器，增强型定时器，以 及 SCI，SPI，CAN 总线模块等，并且具有 FLASH，EEPROM，RAM 多种片内存储器。 该系列产品中 112 引脚封装的 MC9S12XS128 型号的单片机具有 128K 的 FLASH，2K 的 EEPROM 和 8K 的 RAM 存储器，2 个 AD 转换器，8 通道 PWM 脉宽调 制器，2 个 SCI 和 2 个 SPI 收发器等，IO 引脚总数达 91 个，实际运行系统时钟 可达 40MHZ。此外该单片机具备上电复位，低压复位，时钟监视复位多种保护 措施，支持方便的背景调试功能，其运算能力和驱动能力远比一般的 51 单片机 能力强，由于本系统数据处理和电机控制比较多，所以本系统设计选择该型号 单片机作为控制器。 图 2 为 H12 单片机的内部结构图。 图 2 H12 单 片 机 内 部 结 构 图 图 2.1 飞思卡尔 xs128 单片机 2.下位机硬件设计 下位机驱动控制系统作为高浓度消毒液及水的提取和消毒喷洒的主控系统， 直接影响整个系统的有效性，所以下位机的合理设置对于整个系统的执行操作 起着至关重要的作用。一般来说，整个下位机系统包含控制器和驱动器两部分。 对于实验平台的下位机，我们采用了 MC9S12XS128MAL 为核心的控制器和驱动器， 充分利用了 Freescale 芯片的驱动能力强、处理速度快和丰富的电机控制外围 接口电路，大大减少了控制系统的体积，提高了系统的性价比。下位机驱动控 制系统结构框图如图 3： 控制核心 电机驱动 药液喷洒 流量检测 重量检测 1 水药液 电机 2 药液混合室 电机 1 电机 3 重量检测 2 电机驱动 P I D P I D 图 3 该控制核心主要由电源模块、晶体振荡接口电路、SCI 通信模块的设计、在线 仿真、键盘输入、液晶显示和测试接口设计(BDM)组成，其结构框图如图 4： 飞思卡尔 M C U 串口模块 液晶显示 A / D 接口 晶振 / 复位模 块 P W M 输出接 口 电源模块 B D M 模块 键盘输入 图 4 2.1 最小系统设计 最小系统核心设计，包括核心板 Freescale(MC9S12XS128MAL)，BDM 模块， 晶振模块，复位模块。电路原理图如图 5： 图 5 2.2 电源设计 由于 MC9S12XS128MAL 型号的 Freescale 芯片采用 5V 供电，而本系统又需要 12V 电源，为减少电源的数量以节省成本，因此在控制器上需要设计 12V 到 5V 的电平转换电路。在该模块的设计中，我们主要用到了 L7809CV 型号和 L7805CV 型号的电源管理芯片，该芯片最大能提供 1000mA 的电流。为了使电源 模块的功率达到设计要求，电源管理模块的原理图如图 6：Vin1GND2out3LM7809C4F5pazheHEAR X 图 6 2.3 晶体振荡接口电路 在全自动消毒液喷洒系统的设计中，我们使用一个有源 16MHz 的晶体振荡 器。Freescale 芯片 MC9S12XS128MAL 具有锁相环(PLL)，用来从一个较低的外 部时钟合成片内时钟、锁相环支持 1/1564 倍于输入时钟频率的乘法因子，可 以通过软件编程实现，采用 2 倍频，那么就可以获得时钟： PLLCLK=2*OSCCLK*(SYNR+1)/(REFDV+1) 将 SYNR 设为 2，将 REFDV 设为 0，可以得到 32MHz 的总线频率。YT 图 7 2.4 在线仿真和测试接口设计 我们在对 Freescale 系统进行硬件仿真时，可以通过 BDM 边界扫描接口对 Freescale 内部的数据存储器、程序存储器和控制寄存器进行在线监控，并能 在 MC9S12XS128MAL 的开发环境 CodeWarrior IDE 中下载程序到 Freescale 芯片 中并进行硬件仿真。BDM 边界扫描接口的原理图如图 8：51R203.K9VCMODnF46BHeadrXAPL 图 8 2.5RS232 通信模块的设计 由于在 MC9S12XS128MAL 芯片内部集成了 RS232 通信和 CAN 通信模块，所以 很容易扩展这两种通信接口。扩展 RS232 通信接口使用的是 MAXIM 公司开发的 最常用的收发器 MAX232，需要注意的是从 MAX232 的 R1OUT 脚输出的信号需经 74LVT245 进行电平转换才能输入到 2407A 的 SC 工 RXD 口。扩展 RS232 接口的 原理图如图 9： 7Jp+-ToutiGN 图 9 3水泵驱动器设计 基于系统稳定性及方便性考虑，本系统采用 L298N 芯片作为水泵驱动器， 其电路原理图如下： 图 10 实物图 图 10.1 12V 微型水泵 其单级驱动能力只有 1A 左右的电流，基于水泵功率大方面考虑我们采用了级联 方式具体电路如图 11 所示：C10.uF234D5678V9LNEPOUTmotr 图 11 4.重量检测及放大模块的设计 本模块中，重量检测我们采用 HL-8 称重传感器，信号放大我们采用仪用 放大器 AD620。HL-8 称重传感器是电阻应变式，利用电阻应变片变形时其电阻 也随之改变的原理工作如下图。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传 输电缆 4 部分组成。电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上 的应变片随之变形，并导致电阻改变。测量电路测出应变片电阻的变化并变换 为与外力大小成比例的电信号输出。电信号经 AD620 放大后经飞思卡尔 AD 采集 处理以数字形式显示出被测物的质量。 图 12 称重传感器内部结构图 图 12.1 称重传感器 AD620 是一个低成本、高精密度的仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设 置增益，增益范围为 1 到 10000，采用 8 引脚的 SOIC 和 DIP 封装，具有高精度 （最大非线性度 40ppm） 、低失调电压（50uV）和低失调漂移特性。通过实验数 据测试我们的误差在 5g 之内。称重传感器和放大器的连接电路图如下图 13： Rdacb12345678UAD0LMKGNVC-OT 图 13 5.液体喷洒装置的设计 液体喷洒采用市场上购买的不锈钢高压喷头，通过水泵抽取混合液后经管 道送入高压喷头，形成雾化，不仅可以增大药液的接触面积，而且能使药液得 到最大限度的利用，达到更加高效的消毒。 图 14 高压喷头 6.上位机系统 上位机监控界面采用 VB6.0 开发实现，VB6.0 是面向对象的可视化编程工 具，具有事件驱动编程机制、强大的数据库操纵功能、Active 技术以及应用程 序集成开发环境等优点。它不需编写大量代码去描述界面元素的外观和位置， 而只要把预先建立的对象添加到屏幕上即可。根据消毒液控制系统的要求，设 计了功能设置、实时监控、与下位机通信等功能。 功能设置：完成配置药液量、配药浓度、药液喷洒周期、范围的设定。 实时监控：检测高浓度消毒液存储箱中药液量是否满足配药所需量及 当前所剩药液量。 与下位机通信：功能设定完成能实时接受系统当前工作状况及其各方 面所需反馈的信息。 测试系统上位机界面如图 15 所示： 图 15 7.软件算法及流程图 本系统涉及到 PID 算法控制取液的质量，在过程控制中，按偏差的比例 （P） 、积分（I）和微分（D）进行控制的 PID 控制器（亦称 PID 调节器）是应 用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制 参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过 程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制 对象，PID 控制器是一种最优控制。PID 调节规律是连续系统动态品质校正的一 种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、） 。控制点目 前包含三种比较简单的控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法， 微分先行。 这三种算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制 的大多数要求。 在本系统中我们采用增量式 PID。 U(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) A=Kp(1+T/Ti+Td/T) B=Kp(1+2Td/T) C=KpTd/T T 采样周期 Td 微分时间 Ti 积分时间 系统流程图 系统初始化 关闭电机 1 和 电机 2 等待一段时 间 关闭电机 3 启动电机 3 报警 系统等待 判断流量 启动系统 等待上位机 发送数据 判断液体重 量 定时 喷洒药液 语音提示 图 16 软件流程图 8.实验数据和分析 通过对模拟系统的实物测试，用电子称称抽取液体的重量，得到下表的数 据: 表 1：药液提取实验数据 单位：g 设定值 800 1000 1200 1500 实际值 796 1002 1197 1501 误差值 4 2 3 1 表 2：水提取实验数据 单位：g 设定值 800 1000 1200 1500 实际值 802 1004 1198 1503 误差值 2 4 2 3 【项目的独特性及创新点】 本系统采用自动化技术，使配药、喷药一体化，通过上位机界面，实现一 键输入，自动消毒的效果。可以有效的解决应工作流程和管理不符合要求，灭 菌设备的管理和监测不规范和工作人员未经专业培训专业知识缺乏而造成的消 毒不彻底，改善院内感染情况，能够为广大的病人和医生提供