（机械电子工程专业论文）基于多单片机的牙科综合治疗台控制系统开发.pdf

附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密回。 学位论文作者签名：镓彖瓦 日期：汐f f 年岁月否日 指剥雠：栖确 日期：朋f 年歹月罗日 硕士学位论文 摘要 基于多单片机的牙科综合治疗台控制系统开发 摘要 牙科综合治疗台是用于口腔治疗的主要设备。本课题根据系统分 布式结构特点，采用模块化设计方案，以单片机为控制核心，设计了 控制系统。 在总体方案的设计中，确定了治疗机、牙科椅、主控键盘、辅控 键盘四个功能模块，根据系统功能要求，确定了多单片机控制系统的 硬件结构图，并分块设计了硬件电路。 本课题分析了模块间的响应性要求，提出了从机占优的多机串行 通信模式，设计了其通信协议，实现了模块间的快速数据通信。 在功能模块设计中，本课题分析、设计了气压测量电路，得到了 线性化气压显示；制定了可靠的数据掉电存储方案；针对牙科椅精确 定位的要求，分析了几种常用的位置采样方式，讨论了提高精度的实 现方法；设计了手术灯无级调光电路，利用可控硅实现亮度的无级调 节。实现牙科椅工作状况的可视化显示，包括时钟、椅位状态、气压 等。同时对硬件系统的安全性和抗干扰性做了简要的论述，以提高系 统的可靠性。 本控制系统实现了对牙科综合治疗台的智能控制，性能稳定可靠， 自动化程度高，性价比高，具有较强的推广实用价值。 关键词：多单片机，牙科综合治疗台，无级调光，线性化测量电路， 掉电存储，多机通信 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fd e n t a lu n i tc o n t r o ls y s t e mb a s e do n m u l t is i n gc h i pm i c r o c o m p u t e r a b s t r a c t d e n t a lu n i ti st h em a i ne q u i p m e n tf o rd e n t a lt r e a t m e n t a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s y s t e m sd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ，am o d u l a rd e s i g nw a sa d o p t e db a s e do ns i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m t h r o u g ht h ed e t e r m i n a t i o no ft h ef o u rf u n c t i o nm o d u l e sw h i c ha r et h e r a p ya p p a r a t u sc h a i r , m a i n , v i c ek e y b o a r d , t h ep a p e rf i n i s h e dt h eo v e r a l ld e s i g n t h eh a r d w a r es t r u c t u r ew a si d e n t i f i e d a c c o r d i n gt os y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dt h eh a r d w a r ec i r c u i tw a sd e s i g n e di n d i v i d u a l l y b ya n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n to fr e s p o n s eb e t w e e nm o d u l e s ，s l a v ed o m i n a n c em u l t i - m a c h i n e s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d e w a sp r o p o s e d a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a sd e s i g n e ds oa st o a c h i e v ef a s td a t ac o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nm o d u l e s i nt h ef u n c t i o nm o d u l ed e s i g n , t h ea i r p r e s s u r em e a s u r e m e n t c i r c u i tw a sd e s i g n e df o rl i n e a rd i s p l a y , a n dar e l i a b l ep o w e rf a i l u r e d a t a - s t o r a g es o l u t i o nw a sd e s c r i b e d i nt h ef a c to fa c c u r a t ep o s i t i o n i n gr e q u i r i n gf o rc h a i r , s o m e p o s i t i o ns a m p l i n gm e a n sw e r ea n a l y z e da n de f f e c t i v em e t h o d so fi m p r o v i n gp r e c i s i o nw e r e d i s c u s s e di nt h ep a p e r s t e p l e s sl i g h ta d j u s t m e n tc i r c u i tw a sd e s i g n e df o ro p e r a t i o nl a m pb yu s i n g o ft r i a c al c dw a sa l l o c a t e dt od i s p l a yw o r k i n gc o n d i t i o no fd e n t a lu n i t , i n c l u d i n gc l o c kt i m e ， c h a i rs t a t ea n da i r p r e s s u r e i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , s y s t e ms e c u r i t y a n d a n t i - i n t e r f e r e n c ew e r eb r i e f l ya n a l y z e d t h i sc o n t r o ls y s t e mh a sa c c o m p l i s h e di n t e l l i g e n tc o n t r o lf o rt h ed e n t a lu n i ta n da c h i e v e d r e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，h i 。曲a u t o m a t i o na n dc o s tp e r f o r m a n c e i th a ss t r o n gp r o m o t i o n a lp r a c t i c a l v a l u e x u z h i h u ( m e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o ry a n gx i a n g p i n g k e yw o r d s ：m u l t is i n gc h i pm i c r o c o m p u t e r ，d e n t a lu n i t ，s t e p l e s sl i g h ta 舢t m e n t ， l i n e a r i z a t i o nm e a s u r i n gc i r c u i t ，p o w e rf a i l u r ed a t a - s t o r a g e ，m u l t i - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n 硕： j 学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 牙科综合治疗台的发展概况1 1 1 1 课题研究背景一1 1 1 2 牙科综合治疗台的研究现状2 1 2 研究意义2 1 3 课题研究内容3 1 3 1 牙科综合治疗台概述一3 1 3 2 研究内容一5 第二章控制系统总体方案设计及硬件电路设计6 2 1 牙科综合治疗台系统介绍6 2 1 1 牙科综合治疗台组成6 2 1 2 牙科综合治疗台功能要求6 2 2 基于多单片机的控制系统设计6 2 2 1 模块化设计方案7 2 2 2 主单片机选用7 2 3 各模块的硬件设计8 2 3 1 治疗机模块一8 2 3 2 键盘模块1 2 2 3 3 椅控板模块1 6 2 3 4 电源电路设计1 8 2 4 j 、结2 0 第三章从机占优的多机通信设计2 l 3 1 控制系统的响应性要求2 1 3 2 从机占优的多机串行通信接口设计2 2 3 2 1 多机串行通信原理2 2 3 2 2 从机占优的多机串行通信接口设计2 2 3 3 数据通信协议2 3 3 3 1 握手和应答2 3 3 3 2 超时控制2 4 3 3 3 数据帧格式2 4 3 3 4 数据校验2 4 坝一l ：学位论文 目录 3 4 通信流程及软件设计2 4 3 4 1 主机通信设计2 5 3 4 2 从机通信设计2 9 3 5 应用分析2 9 3 6 小结3 0 第四章控制系统软件设计3 1 4 1 总体程序设计3 1 4 1 1 模块信息传递图3 1 4 1 2 调度器介绍3 1 4 1 3 各模块程序图3 2 4 2 液晶显示软件设计3 5 4 2 1h t l 6 2 1 b 时序图3 5 4 2 1 显示控制软件3 5 4 - 3 时钟芯片的控制软件设计3 7 4 3 。1i l c 接口一3 7 4 3 2 时钟寄存器3 9 4 4 手术灯控制软件设计4 1 4 4 1 调光参数确定4 1 4 4 2 软件流程图4 1 4 5 小结4 3 第五章牙科综合治疗台关键技术研究4 4 5 1 气源压力线性化测量4 4 5 1 1 压力传感器选择4 4 5 1 2 恒流源设计4 5 5 1 3 信号放大电路4 6 5 1 4 分段线性化显示4 7 5 2 数据掉电存储方案4 8 5 2 1 字节编程4 9 5 2 2 扇区拷贝5 0 5 2 3 字节读取5 0 5 3 牙科椅位置控制5 1 5 3 1 牙科椅驱动5 1 5 3 2 椅位控制原理5 3 5 3 _ 3 椅位偏差分析5 3 5 3 4 椅位精度提高方法5 5 5 4 小结5 7 坝l j 学位论文目录 第六章系统抗干扰设计及调试5 8 6 1 控制系统的抗干扰设计5 8 6 1 1 硬件的安全性设计5 8 6 1 2 硬件抗干扰5 8 6 1 3 软件抗干扰设计5 9 6 2 控制系统调试6 0 6 2 1 从机占优的多机通信响应性调试6 0 6 2 2 手术灯无级调光6 1 6 2 3 牙科椅位置精度调试6 2 6 2 4 其他模块及整机调试6 2 6 3 小结6 4 第七章结论与展望6 5 7 1 本文所做研究工作6 5 7 2 前景展望6 5 参考文献6 6 在校期间发表论文情况6 9 致谢7 0 v 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 牙科综合治疗台的发展概况 1 1 1 课题研究背景 口腔设备属医学技术设备的范畴，在英国属于“设备综合工程学 的范畴， 其定义是“为使设备寿命周期费用最经济”，而把适用于有形资产的有关工程技 术、管理财务以及其他实际业务加以综合的学问。而口腔设备的分类很多，按其 口腔医学学科分为：口腔基本设备、口腔内腔设备及修复设备等。其中，口腔基 本设备即口腔各科共用的设备，如牙科椅、牙科综合治疗台、各型牙钻牙科手机、 消毒设备等【l 】。牙科椅是口腔治疗的最基本的1 1 1 腔设备，是一体化e l 腔诊疗系统 的核心，其设计水平反映了整个系统的自动化程度【2 j 。 牙科椅主要供口腔手术及口腔疾病的检查和治疗用，在口腔疾病的治疗 中起着重要的作用。其发展大体分为三个阶段： ( 1 ) 初始阶段。最早用改造的普通座椅作为牙科椅( 如图1 1 所示) ，其 功能主要为稳定患者的体位，方便医生操作。早期牙科椅的升降、转向均是机械 性的，操作起来极为不便。 图1 - 1 早期的牙科椅 ( 2 ) 发展阶段。1 8 7 5 年出现了手摇牙科椅( 如图1 2 所示) 。其右侧摇把 调整椅位的高低；靠背用把手调节，可以使之解决水平位；头托的方位亦可以调 节。左边配有漱水系统和痰盂，并配有器械盘，与目前使用牙科椅相似，脚踏板 宽大、方便。 2 0 世纪初期，牙科椅配备了液压装置( 如图1 3 所示) ，称为油泵牙科椅。其 优点是性能好，故障少，使用寿命较长，能满足1 2 1 腔疾病的一般治疗。 硕士学位论文 第一章绪论 图l - 2 手摇牙科椅图1 - 3 液压牙科椅 ( 3 ) 现代阶段。现代的牙科椅为电动牙科椅，椅位的升降、仰俯甚至头靠 角度的调整均用电动调节，患者的治疗体位从坐位变为卧位，既可使患者感到舒 适，也可以方便医生的操作，克服了强迫体位，减轻了劳动强度。 1 1 2 牙科综合治疗台的研究现状 现代牙科综合治疗台综合应用了当代各项高新技术、设计和工艺，围绕着美 观舒适、高效多能等不断创新发展【3 】。 1 美观舒适 依循人体工程学原理，突出以人为中心的设计思想，牙科椅外形符合人体生 理曲线，使患者在最舒适的体位下接受治疗。 为了使医师在最佳的体位下操作，厂商进行了大量的研究和创新：超薄的靠 背设计、有镜子的手术灯、治疗台的支臂轻巧、动作精确、活动自如。卡瓦医疗 公司推出的k a v os y s t e m1 0 5 6 治疗台的足部控制，可以操作牙科座椅功能、 快速控制以及开关功能；符合解剖学形状的座椅使患者处于放松休息的体位【4 】。 2 高效多能 主要体现在提高治疗效率和功能多样方面。具有气动高速牙钻、光纤手机、 超声洁牙机、高频电刀、光固化灯等设施。这种多机一体化、功能多样化的综合 治疗台，使口腔医师能快速、准确、有效地进行治疗。 1 2 研究意义 我国牙科椅与人口之比为1 ：1 0 00 0 0 ，与发达国家相比该比例严重失调， 远远满足不了人群的i e i 腔诊所需要【5 】。在我国，牙科医生平均使用0 8 台牙科 椅，许多地方医生还共用牙科椅；但是牙科医生平均每天接待1 5 个病人，平 均每3 0 分钟看一个牙科病人 6 1 ，这些说明国内对牙科椅的需求具有非常大的 潜力，我国政府需要大力扶持、发展符合我国国情的口腔医疗设备【7 】。 我国的医疗器械工业尤其是牙科医疗器械，虽然有一定生产规模和技术 硕士学位论文 第一章绪论 基础，但是与发达国家相比还存在很大差距：产品质量和性能较差，档次低； 科技基础薄弱，自动化程度低【8 】。如美国a d e c 公司生产的a d e c5 0 0 牙科 综合治疗台，其配备了液晶显示屏，可以显示椅子相关信息；痰盂采用耐污 的瓷器，并有可计时的接水装置和冲洗装置；可以选配牙科图像采集系统等。 国外牙科综合治疗台在人性化、稳定性方面比国产牙科综合治疗台设计的投 入研究的较多，系统功能整合度较高。国内牙科综合治疗台也在不断的革新， 功能越来越多，性价比较高，但系统整合度较低，仍停留在基本的控制阶段， 人机交互能力较差。 综合考虑成本、人性化、安全性和稳定性等因素，本课题制定了基于多 单片机的嵌入式系统的研发方案，采用多个模块分别处理系统的功能，模块 间利用总线有机连接，组成一个功能可配备的智能控制系统。系统设计了液 晶显示面板，使得综合治疗台的工作信息详细地显示在医生面前，气压、加 水冲盂时间、手术灯亮度、椅子状态和时钟日期等一系列参数利于医生快速 便捷的展开手术。本控制系统满足了牙科综合治疗台的要求，在质量、功能 和创新上有所突破，具有一定的经济社会效益。 1 3 课题研究内容 1 3 1 牙科综合治疗台概述 牙科综合治疗台是在单一功能牙科椅基础上发展起来的具有口腔综合治疗 功能的牙科设备。如图1 4 所示，基本配置包括：牙科座椅、牙科手机、卫生及 供水设备、控制台、工作灯、机械盘、喷枪、医生及助手座椅等牙科治疗中常用 或必用设备，可选配置有：洁牙机和观片灯等。 硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 4 牙科综合治疗台结构示意图 在牙科治疗过程中，为方便医生操作，需要自动控制椅子运行到预定椅 位，实际的运行过程中椅子位置不能有太大的误差，且误差不能累积，以免 产生椅位偏移，影响使用。 图1 - 5 椅子控制原理图 常用的电机有驱动电机和控制电机。驱动电机具有良好的负载能力，常 见的有交流、直流电机；控制电机有步进电机、伺服电机、测试发电机，其 主要任务是转换和传递控制信号。 采用交流电机可以驱动牙科椅，其位置控制方法为：将电机的行程换算 成电机运行时间参数，椅子移动到某点，对应的时间坐标唯一，这种方法的 优点是可以比较简单的对椅子进行位置定位，但其精度不高，产生的偏差较 大。此外交流电机的电压不能满足医疗器械的安全用电标准。 直流电机通常用于执行和驱动，因其具有的优良的调速性能和较大的起 动转矩【9 j ，得到了广泛的应用。而在实际的应用中，对直流电机的驱动方面 4 硕士学位论文 第一章绪论 的研究较多，往往忽略了其精确定位的要求。 1 3 2 研究内容 牙科综合治疗台的控制系统负责整个牙科椅的平稳、安全运行，采用治疗机 和椅控板分离，主控键盘、辅控键盘独立，板间通讯使用串行方式。系统的控制 对象分为牙科椅和治疗机两部分。牙科椅部分主要实现控制两电动推杆的运动， 治疗机部分实现相关的医疗辅助功能。 本文针对牙科综合治疗台，设计其控制系统，主要工作有： ( 1 ) 针对牙科综合治疗台功能复杂、分布距离远的特点，设计模块化的控 制系统，并设计从机占优的通信方式，使模块间达到快速响应的要求。 ( 2 ) 设计气源压力信号采集电路，并对线性化放大电路进行公式推导计算， 最后进行模数转换，得到气压和a d 值的对应关系；采用分段线性拟合方式和液 晶驱动实现气源压力的显示。 ( 3 ) 在运动控制中，对系统的一些椅位参数进行存储，利用单片机的优势， 设计高可靠的掉电存储方案，达到设计要求。 ( 4 ) 采用电动推杆来实现牙科椅的驱动，分析其位置采样方法，讨论椅位 偏差，给出椅位控制方法。 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 第二章控制系统总体方案设计及硬件电路设计 2 1 牙科综合治疗台系统介绍 2 1 1 牙科综合治疗台组成 牙科综合治疗台由牙科椅、治疗机和控制面板组成。 牙科椅供患者手术使用，可以通过调节电机使驱动装置实现多个椅位，并获 得舒适的体位。 治疗机是水、气、手枪等设备的一个集控中心，配有净水系统、吸唾器系统 等，有可调亮度的手术灯、x 光观片灯( 下简称观片灯) 、漱口水加热( 下简称 加热) 、水杯加水( 下简称加水) 、痰盂冲洗( 下简称冲盂) 等装置，控制系统主 要对其电控部分进行设计，并达到自动控制要求。 加装在控制面板上的液晶屏可显示牙科椅的椅位信息和治疗机设备的信息， 椅位信息包括上、下、前倾、后倾运动、预置位信息、漱口位、治疗完毕椅子复 位状态等，治疗机设备信息包括加水和冲盂信息及时间、加热、观片灯、手术灯 亮度、气源压力值和时钟等信息。 2 1 2 牙科综合治疗台功能要求 整个控制系统由以下几个部分组成：加水等电磁阀驱动电路、气压信号检测 和信号处理电路、无级调光电路、l c d 显示驱动电路、电动推杆驱动电路以及 单片机外围电路等。 整个控制系统需要达到的要求有： 可以设置水杯加水时间，冲洗痰盂时间，以及手术灯亮度，并能永久保持。 系统可以实现自动控温，当温度达到一定温度后，自动停止水加热；可以设置日 期时钟，方便查看工作时间，液晶屏可显示水杯实时加水剩余时间、手术灯亮度 等信息。 按下椅子上升、下降、前倾或后倾键，牙科椅做出相应的动作，松开按键后， 牙科椅立即停止相应方向的动作；用户可以将理想的治疗位置设为记忆椅位 ( s 1 ，s 2 ，s 3 ) ，在椅子碰到限位、遇阻开关时牙科椅能够立即停止相应的动作， 以免意外发生；可以实现断电记忆功能，可以全自动设置椅子椅位( 初始化设置) 。 2 2 基于多单片机的控制系统设计 由于系统要求实现的功能较复杂，使用的i o 口较多，以往由单个单片机就 可实现，现在变得困难：系统分布距离较广，所需线缆较多，功耗和成本比较大。 基于以上原因，采用多个单片机分别处理系统的部分功能，化繁为简，单个模块 设计灵活，扩展方便；模块之间使用通信方式协同工作，可以大大减少使用的线 6 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 缆，性价比高，通用性好，调试方便【l 。 2 2 1 模块化设计方案 采用就近原则，系统划分为主键盘模块、辅键盘板模块、治疗机模块和椅控 板模块四个模块，每一模块由一个单片机作为核心。键盘模块负责按键信息和时 钟的读取、灯值和液晶的驱动以及气源压力信号的采集等；治疗机模块负责加热、 加水、冲盂和无级调光手术灯的功能；椅控板模块负责椅子运动控制和多功能脚 开关的信号输入。各模块之间通过串行通信实现数据传送，具体的硬件结构图如 图2 1 所示。 图2 _ 1 控制系统硬件结构示意图 2 2 2 主单片机选用 基于多单片机控制的牙科综合治疗台采用模块化设计思路，其主控芯片的选 用应该满足系统的大部分功能要求，多个单片机尽量采用同一型号。牙科控制系 统中，需要实现掉电保存用户设置的参数的功能以及椅子记忆位置，故单片机系 统需要拥有或扩展片外非易失性存储器。键盘芯片中测量气压信号需要使用a d 模块。在8 位单片机中，i n t e l 的m c s 5 1 系列单片机凭借其稳定的性能，高性价 比以及良好的兼容性，在各个领域得到了最广泛的应用。该系列单片机采用c i s c ( 集中指令集) ，其数据线和指令线分时复用，内部有1 2 k b 片内r a m ，一个全双 工串口，支持6 4 k b 寻址空间，并提供5 个中断源和2 级中断以及串行通信接口 ( i ，a r t ) 。m c s 5 1 系列兼容产品功能强大，集成各种外围扩展，本控制系统选 用宏晶科技的s t c 8 9 c 5 2 和s t c l 2 c 5 a 0 8 a d 作为控制芯片。 硕士学位论文第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 s t c 8 9 c 5 2 单片机是宏晶科技推出的增强型的8 0 5 1 单片机，指令代码完全兼 容单片机，其特点如下【l l 】： 木指令执行可以达到6 时钟机器周期，执行速度快，抗干扰能力强。 掌片上集成5 1 2 字节r a m 。 * i s p 功能：无需专用编程器，可直接通过串口下载用户程序，便于调试。 宰内部f l a s h 空间，可以掉电保存系统运行的关键数据。 宰内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路，可以省去控制板复位电路。 毒扫p ioi，i-poo 劫p lt蕊鼍电1 争 p 娩孕啦 呻 p 1 3p 够 勘 p 1 4p 鹋 p 、暑鼍镐 = 鏊 p 1 6p 0 器 p 、1p o t 盎 氆t 1嘲 擞t op 2 1 ( i i 一亍毒 p 2 2 一一 t 、|p 2 3 张p 静 i i l3 i 。 p 2 5 i i 1 一 e a ，v | ，p 2 6 p 2 7 2 2 pl 1 9 一 x l 靓。 疆：x 2 9 r e s e t 融c d 2 it j l y 下y n 甄一 l 继 甚d撼l 澹 霸嚣psen l 图2 2 主芯片引脚图 主控键盘模块采用s t c l 2 c 5 a 0 8 a d 芯片，其内部带有8 路1 0 位精度a d 转换器，转换速度可达2 5 0 k s 1 2 】，可以取代外部a d 芯片。 2 3 各模块的硬件设计 2 3 1 治疗机模块 治疗机部分主要实现对加水和冲盂等电磁阀的控制以及手术灯无级调光，其 硬件结构图如图2 3 所示。 硕士学位论文第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 通信 信息 输入 输出 图2 - 3 治疗机模块硬件结构图 1 电磁阀控制电路 加水和冲盂采用2 4 v 直流电磁阀驱动，控制电路如图2 4 所示。u l n 2 0 0 3 是一款高耐压，含7 个n p n 达林顿管，可以吸收高达o 5 a 电流，具有的钳位二 极管以免芯片受感性器件冲击。在此电路中，u l n 2 0 0 3 是灌电流驱动，输入为 高时导通，继电器得电。为了防止单片机上电复位引脚高电平而打开继电器，故 处理器输出接反相器7 4 h c 0 4 ，低电平控制电磁阀导通。发光二极管和电阻r 2 串联后和继电器线圈并联，用来显示电磁阀的工作状态。 啦越阕 图2 - 4 电磁阀驱动电路 2 温度传感器控制电路 加热元件采用电阻丝，其驱动电路同电磁阀驱动电路。当水加热到达一定温 度后( 5 0 ) ，温度传感器动作，如图2 5 所示，传感器开关s 1 自动断开，光耦 t l p 5 2 1 关闭，引脚p 1 1 输出高电平。单片机检测到电平变化后，关闭加热电磁 阀，从而起到智能控温作用。 9 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 、心c p i 1 s i s e n s o r 漏 图2 - 5 温度传感器控制电路 3 手术灯的无级调光电路 牙科控制系统用到的手术灯采用交流电源，调光方式采用斩波控制方法。斩 波原理为在每一个电源电压周期中，在规定的时刻使负载与电源接通，即通过改 变电压的每一个周期导通时间来改变电压的大小，从而达到调光的目的【1 3 】。 单片机通过控制双向可控硅的导通来实现手术灯亮度的调整。双向可控硅的 特点是导通后即使触发信号变为o ，可控硅仍然导通，直到电压方向改变，可控 硅自动关断，开始下一周期的控制。调光的实现原理如图2 - 6 所示，在过零点 后延时一段时间t c 才触发双向可控硅导通，t c 越长，可控硅导通的时间越短， 手术灯的亮度就越低。 l s v 轰e 避零脉冲 熬发踩砖 讼歇昼 一筵瓣警 移弋沥弋移 图2 6 手术灯调光时序图 过零检测电路如图2 7 所示，手术灯采用1 5 v a c 5 0 1 - - i z 供电，需检测电源的 正负过零点，采用两组光耦t l p 5 2 1 隔离，r 1 2 为限流电阻，通过单片机p 0 1 1 0 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 采集过零信号。发光二极管导通电流i f = 2 m a ，r 1 2 = i k ，i c e = l m a ，过零角仅计 算为 仅= s i n l ( i f r 1 2 u p ) = s i n 一1 ( 0 0 0 2xl o o o 2 1 2 1 ) = 5 3 9 。( 2 1 ) 图2 - 7 过零脉冲检测电路 图2 - 8 手术灯驱动电路 图2 8 为手术灯驱动电路，m o c 3 0 2 1 是双向晶闸管输出型的光电耦合器， 作用是隔离单片机和触发双向可控硅q 1 ，m o c 3 0 2 1 内部带有过零控制电路，因 此双向可控硅q 1 刚刚导通时，电压较低，对电源的波动较小【1 4 1 。 光耦m o c 3 0 2 l 由单片机p 0 0 口控制，当其为低电平时，m o c 3 0 2 1 的输出 端4 和6 之间的电压稍微过零时，内部可控硅导通，触发外部双向可控硅q 1 导 通。图中r 9 为输入电阻，可按公式计算 r 9 ( v c c v c f ) i r r ( 2 - 2 ) 式中，v c f 为发光二极管的正向压降为1 2 v ，i f t 为二极管最小触发电流为 1 0 m a ，计算得r 9 不大于3 8 0 欧姆。当m o c 3 0 2 1 在关断状态，也有5 0ua 的 硕士学位论文第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 电流输出，接入r l l 可以消除这个电流对q 1 的误触发。 r 1 0 为m o c 3 0 2 1 的限流电阻，r x o = u p i p ，u p 为工作电压峰值，i p 为 m o c 3 0 2 1 最大允许输出电流。当工作压力为1 5 v 时，r l o = 2 7q ，由于r 1 0 的串 入，使得触发电路有一个最小的触发电压，低于这个电压，双向可控硅q 1 不会 导通，最小触发电心1 4 】 u t = r 1 0 1 g t + u g t + u t m ( 2 - 3 ) 式中i g r 可控硅q 1 的最小触发电流； u g r 可控硅q 1 的最小触发电压； u t m m o c 3 0 2 1 的输出端压降，1 v 。 q 1 采用b t a l 6 a ，i g t = 5 0 m a ，u g t = 1 5 v ，u t m = l v ，r l o = 2 7q ，由公式( 2 3 ) 得 u t = 2 7 o 0 5 + 1 5 + 1 = 3 8 5 v ，则对应的最小导通角e 为 0 = s i n _ 1 ( 五u t ) = s i n _ 1 ( 3 8 5 2 1 21 ) = 1 0 3 4 。 ( 2 - 4 ) 、u p ， 即e 大于1 0 3 4 。时，可控硅q 1 才能导通。 通过改变0 来改变脉冲电压的平均值，从而实现可控整流。在软件上将0 按 照一定相等面积( 即脉冲导通面积) 划分为若干块，使得手术灯亮度在相同时间 内，面积改变相同，从而实现均匀调节亮度。 2 3 2 键盘模块 牙科综合治疗台包括两个键盘，一个主控键盘，供医生使用，一个辅控键盘， 供医生助手使用。主控键盘、辅控键盘按键布局相同，辅控键盘配置部分按键， 液晶显示屏可配；主控键盘增加了气压测量电路板接口和时钟芯片电路，如图 2 - 9 所示为主控键盘的硬件结构图。 按键电路 i 主单 爿驱动电路i爿液晶显示 控片 键机 盘 时钟电路 i a d 串行 l 卜 通信气源压力板 电路 指不状态灯r 图2 - 9 主控键盘模块硬件结构示意图 1 按键和显示灯电路 按键电路采用常用的行列式按键扫描，共有1 8 个按键，如图2 1 0 所示，每 硕士学位论文第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 个按键对应1 个状态显示灯。 1 和牙科椅有关的1 1 个按键：上升( u p ) 、下降( d o w n ) 、前倾( b u ) 、后倾( b d ) 、 复位( s 0 ) 、预置i ( s 1 ) 、预置2 ( s 2 ) 、预置3 ( s 3 ) 、漱口位( s p i t e ) 、设置( s e t ) 、医 生选择( p r o ) 。 2 治疗功能按键：冲孟( w a t e r ) 、加水( c u p ) 、加热( h e a t ) 、观片灯 ( w a t c h ) 、手术灯( l i g h t ) 、减少( d e c ) 、增加( a d d ) 。 图2 - 1 0 按键和指示灯电路 2 时钟芯片电路 本系统采用时钟芯片s d 2 4 0 3 a p i ，其内置晶振、具有标准1 2 c 串行接口，这 使得硬件电路设计简单，可以大大减少设计时间。c p u 可使用该接口通过5 位 地址寻址来读写片内3 2 字节寄存器的数据( 包括时间寄存器、报警寄存器、控制 寄存器、通用s r a m 寄存器) ；时钟精度为+ 5 p p m ，年误差小于2 5 分钟；内置 时钟精度数字调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差( 分辨率为 3 0 5 p p m ) ，并可通过外置的温度传感器可设定适应温度变化的调整值，实现在宽 温范围内高精度的计时功能【l5 1 。 如图2 1 1 所示，s d 2 4 0 3 a p i 具有一个后备电池输入脚v b a t ，当芯片检测 到主电源v d d 掉到后备电池电压以下时，芯片会自动转为由接在v b a t 的后 备电池供电。内置1 2 c 总线0 5 秒自动复位功能( 从s t a r t 命令开始计时) ，保证时 钟数据的有效性及可靠性，避免1 2 c 总线挂死问题。 s c l 一串行时钟输入脚，由单片机来提供时钟；s d a 串行数据输入输出脚， 此管脚通常用一电阻上拉至v d d ，并与其它漏极开路或集电器开路输出的器件 通过线与方式连接。i n t - 报警中断输出脚，根据控制寄存器来设置其工作的模 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 式，它可通过重写控制寄存器来禁止。 - - i ；5 图2 - 1 1s d 2 4 0 3 a p i 时钟芯片电路 3 液晶显示电路 l c d 液晶显示屏是l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 的简称，具有以下特点【1 6 】： ：c 低压微功耗； 母平板型结构； 宰被动显示型( 无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳) ； 木显示信息量大( 因为像素可以做得很小) ； 半易于彩色化( 在色谱上可以非常准确的复现) ； 木无电磁辐射( 对人体安全，利于信息保密) ； 木长寿命( 这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长，但是液晶背光寿 命有限，不过背光部分可以更换) ； 系统中液晶显示屏采用h t n 透射式段码l c d ，1 4 占空比，1 3 偏压比，驱 动电压为5 v 。 所设计的显示界面如图2 1 2 所示。 1 4 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 f i i i 圄一萌蕊面晶 | l庶画 图2 - 1 2 液晶显示屏 液晶屏图案简要说明： s 1 ：观片灯显示s 2 ：加热显示 s 3 ：加水显示s 4 ：冲盂显示 数字9 、1 0 、1 1 ，2 加水或冲盂时间( 优先显示加水时间) 。 s 6 ：冷光灯显示p 1 p i o 冷光灯亮度显示。 s 7 ：椅子背降；s 8 ：椅子背升：s 9 ：椅子上升；s 1 0 ：椅子下降。 s l l ，背升遇阻限位，s 1 2 背降遇阻限位，5 1 3 上升遇阻限位s 1 4 下降遇阻限 位。 数字1 6 、1 7 ：月份数字1 8 、1 9 ：日；数字2 0 、2 1 ：小时；数字2 2 、2 3 ：分 钟；c o l ：秒闪烁。 $ 1 6 ：椅子锁定；s 1 7 ：椅子图案。 t 2 ：d o c t o r 字样；t 3 、t 4 、t 5 ：医生a 、b 、c 标志。 t 6 ：气压；t 7 ：水压；数字1 3 、1 4 、1 5 ，p l l 气压或水压的数值；t 8 ：压力单位。 t 9 ：设置。m 椅子自动运行状态；数字1 2 ：运行状态序号。m 0 ：复位态m 1 、 m 2 、m 3 ：记忆位；m 4 ：漱口位。 液晶驱动电路 系统采用h t l 6 2 1 b 驱动液晶屏，h t l 6 2 1 b 是1 2 8 点内存映象和多功能的l c d 驱动器。h t l 6 2 1 b 的软件配置特性使它适用于多种l c d 应用场合，包括l c d 模块和显示子系统。其工作特性为【17 】： 木工作电压2 4 5 2 v ； 飘 髭 斡 舛 一 ；l-llil-llli 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 木内嵌2 5 6 k h z r c 振荡器： 木可选1 2 或1 3 偏压和1 21 3 或1 4 的占空比； 木片内时基频率源； 半节电命令可用于减少功耗； ，c 数据模式和命令模式指令； 木提供v l c d 管脚用于调整l c d 操作电压。 滚熬覆嫒 图2 - 1 3h t l 6 2 1 b 显示电路图 h t l 6 2 1 b 和单片机的接口电路如图2 1 3 所示，c s 为h t l 6 2 1 b 的片选信号， 而为r e a d 脉冲输入，一w r 为w r i t e 脉冲输入，d a t a 为串行数据输入、输出 四根控制线均上拉。v l c d 为l c d 电源输入，可以通过变位器调整。 c o m o c o m 3 为l c d 的四个公共端，s e g 0 s e g 3 1 接l c d 的段码。 | 脚控开关b 驱动电路 ， 两组电动 推杆 牙科椅 卜位遇阻b 单片机 i 处理电路目i 电机脉冲 串行 通信 卜 电路 2 3 3 椅控板模块 图2 - 1 4 牙科椅模块硬件结构示意图 1 6 硕士学位论文 第二章牙科综合治疗台方案设计及硬件电路设计 椅控板硬件结构如图2 1 4 所示，电路主要包含电动推杆的驱动及其脉冲信 号的采集、脚控开关信息的采集。 1 电动推杆的驱动电路 图2 - 1 5 电动推杆驱动电路 由于电动推杆为直流电机，采用继电器隔离驱动。控制电路如图2 1 5 所示， u l n 2 0 0 3 两路输出分别连在电动推杆电机的正负两端，实现电机的正反转，