多功能病床设计

摘要随着我国社会人口结构老龄化趋势日趋明显，对医护护理行业有了更高的要求。医用病床的质量可靠性以及功能多样化，大大方便了护理人员的操作，提升了护理行业的整体服务水平，取得了较好的社会效益和经济效益。本文针对危重病人、瘫痪病人及行动不便的病人设计了一款多功能病床，该病床具有帮助病人坐起、屈膝、排便、翻身等功能，解决了再护理行业中的诸多不便，促进了我国护理行业医疗器械的发展。本文采用了自顶向下的设计方法，首先拟定了病床的整体设计方案，然手对病床的总体框架、抬腿部件、抬背部件、整床升降等部件进行了分别详细的设计。并采用先进的计算机辅助设计软件solidworks 对多功能病床进行了建模和分析，绘制了主要零部件的CAD 工程图。采用机械力学理论详细分析了多功能病床的主要零部件，确保了机构运行的安全性和稳定性。最后，本文对多功能病床的控制系统进行了设计和分析。关键词：多功能；病床；设计；目录摘要 .1目录 .21 多功能病床总体设计 .31.1 研究背景及意义 .31.2 拟定总体设计方案 .42 病床的结构设计 .72.1 侧翻机构的设计 .72.2 抬背机构的设计 .82.3 曲腿机构的设计 .92.4 电机的选择 .113 病床结构的校核与分析 .163.1 床底架杆校核 .163.2 抬背杆校核 .173.3 病床的三维建模 .194 病床控制系统设计 .224.1 控制系统原理及方案 .224.2 控制系统的硬件设计 .244.3 控制系统的软件设计 .29总结 .34参考文献 .351 多功能病床总体设计1.1 研究背景及意义多功能医用病床是针对生活不能自理的病人、危重病人和瘫痪病人的特殊需要而设计的，能随意调节床的背部和脚部的角度。即使不能自理者，护理人员也可通过床边的控制器进行操作，减少照顾病、残患者的劳动强度。本文设计了一种用于医院重症病人用的多功能床，解决病人身体和生理方面的需要（抬背、翻身等），也减轻护理人员的劳动强度。针对市场需求开发设计一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能病床并进行动态仿真，对于产品的产业化具有重要的意义。随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人口寿命不断延长，思想的进步，城市人口正逐步进入老龄化,人口老龄化已成为世界范围内的社会问题。据统计，欧洲发达国家和日本的老年人独居率已高达40%，如此之高的比例迫使社会采取措施解决老年人的护理服务问题。如果完全依靠家庭人工照料，与西方国家子女与老年人分居、家庭规模小型化的观念有抵触之处。我国60岁及其以上老年人口已达1.32 亿, 占全国总人口的10%, 并以年均3.32%的速度持续增长。其中“空巢家庭”占所有老龄家庭总数的25.8%,在一些大城市中该比例更大，解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护问题是人口老龄化国家所面临的共同问题 1。为此, 国家也大力加强了对护理机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或长期使用病床的病人提供一个集护理和排泄等各功能于一体的多功能病床，极大的提高了患者的康复护理水平,也为护理人员提供了极大的方便,所以操作简单,功能强大的护理产品越来越受到追捧。病床在国内的设计研究尚处于初级阶段，产品的功能、结构、造型有待进一步的完善。国外病床的研究以德国、日本为代表，各种护理功能正在逐步完善，成熟。但因其价格昂贵（一般售价在20 万人民币以上） ，很难为一般的消费者所接受。病床的基本分类情况如下 1：从近年来的发展来看，国内的发展迅速，各种结构、功能等等各异的病床层出不穷。发展方向主要向机器人模块化的自动控制方向发展。结构功能单一的病床已经逐渐隐退。如今病床床体本身的构件要实现多种功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左侧翻、右侧翻、 、洁便门开关装置及冲洗马桶和冲洗身体的装置, 另外还有烘干和抽风的设备。各个部分可以独立的运行来完成相应的动作, 同时将单个功能组合起实现复杂的功能。譬如病人躺在床上排泄问题的解决, 改变靠背板的仰角或者左右的侧翻以取得舒适的姿态, 护理人员对洁便池的清洗等 2。本文主要研究目的是为了解决老年人，不能自理的病人、残疾人、瘫痪病人、产妇等这一类人的痛苦。让他（她）在没有他人一直照顾时能够自理。1.2 拟定总体设计方案按照床的整体分布，家用电动护理床可以分为总体框架、抬腿部件、抬背部件、整床升降，部件智能座便系统五大功能模块。通过分析现有的病床设计，我们很容易发现，为了实现床面某一个特定的体位姿态，传统的设计方法就会设计一套特定的机构与之对应。当位姿数目越来越多时，所需机构数目也随之增加，同时空间体积也随之膨胀。而床体的总体积是有一定限制的，即床体的长、宽、高尺寸必须按照有关病床标准规定限制在某一个空间范围之内，才能够既满足病人的舒适感的要求又满足空间限制要求。多机构协调的技术是源于模仿人体的运动，人体的运动具有极大的柔性。受此启发将病床的床面进一步加以细分，成为彼此之间相互独立的 12 个面板。如图 2-1 所示。图 1-1 中，床面板 1、床面板 2 与床面板 3 对应于人体的背部，床面板 4、床面板 5 和床面板 6 对应于人体的臀部，人体的腿与脚分别对应于床面板 7、床面板 8、床面板 9 和床面板 10、床面板 11、床面板 12。通过各个床面板之间的协调运动，采用单动或联动方式来实现病床所需的各种体位位姿。图 1-1 多功能医用病床床面板图为了满足患者在使用病床时的舒适程度以及有效的减缓护理人员的护理强度。病床结构在设计时应满足以下几个方面的要求:(1) 能够实现护理所需的各种体位位姿要求。(2) 各个活动床面板的摆动角度范围应参照有关医疗护理要求以及人体的舒适感，各床面板摆动角度及标准如下：背板摆动角度：075左/右翻身摆动角度：075腿板摆动角度：045(3) 病床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合医护要求。(4) 床体的结构尺寸有一定的空间范围限制。多功能医用病床从结构和功能上分为：床框架、平面连杆机构、床板、控制系统组成。图 2-2 多功能医用病床系统框图床框架除了固定的机械机构以外，还包括各个电机安装模块。平面连杆机构包括：侧翻机构、抬背机构、曲腿机构。床板由床板框架和床板面板组成，整台多功能医用病床中共有四台直流电机，分别完成头部升降、腿部屈伸、左右侧翻等动作。本课题工作重点在平面连杆机构部分，包括机构结构的设计，运动方案的设计，整个多功能医用病床三维模型的建立，整床的装配及调试；控制方案确定，电路板设计、控制线路布置、连接，各种传感器设计安装，编程以及调试。2 病床的结构设计2.1 侧翻机构的设计侧翻机构的作用是实现患者在病床上的左右翻身，避免因患者背部长期接触被褥而产生褥疮，同时减轻护理人员的护理强度。多功能医用病床的侧翻机构采用两个对称的四杆机构，由两个直线驱动器驱动。通过电气控制，实现病床的左右侧翻功能。简图如图 3-1 所示。左侧翻示意图 右侧翻示意图图 3-1 侧翻机构多功能医用病床的侧翻机构由线性推杆、侧翻连杆、侧翻滚子、两侧床板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于侧翻构件上，侧翻构件的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与床侧板连接，床侧板通过螺栓与中部床板铰接，中部床板通过固定器将中部床板固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得侧翻构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背部侧板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。侧翻机构由左右两个四杆机构组成，两个机构承对称，因此设计其中之一即可。通过查阅手册人体的肩宽大约为 330415mm，因此床的中间段板要尽可能的窄，使患者能实现翻身这一动作。在此设计中背板中部设为 180mm；两侧板设为 320mm；床板的厚度设为 35mm；支承滚子的直径设为 20mm，床的高度根据普通床的高度做调整，过高不方便患者上下床，过低影响安装空间。线性推杆的底部安装点到床板转轴距离根据机构的始末位置把电机的行程范围定为 115mm。利用 AUTOCAD 的旋转功能，将一侧床板翻转 75，利用偏移指令，找到侧翻构件翻转后的位置，再次旋转得到电机前端的安装点，这样就可以得到了侧翻机构在水平状态时的机构的各点的参数，根据设计要求侧翻的翻转最大角度为 75，所以将背板旋转 75之后，又得到了一个新的机构的位置，通过观察发现，机构在终了位置时，杆件并没有发生碰撞干涉，符合机构的运动要求，测量线性推杆在终了位置时的伸长长度，推杆在许用选用范围之内，满足了推杆的选用行程，至此侧翻机构的图解法设计结束，各点的安装位置及初步设计尺寸如图 3-2 所示。图 3-2 侧翻机构初始设计尺寸图2.2 抬背机构的设计抬背机构的主要作用是实现患者在病床上的抬背及端坐功能。多功能医用病床的台北机构类似于侧翻机构，由线性推杆、抬背连杆、抬背滚子、背板以及部分床架组成。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于抬背构件上，抬背构件的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与背板连接，中部床板焊接固定于床架上，使之充当机架作用，线性推杆的推动使得抬背构件绕着床架发生转动，通过滚子的作用，使得背板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。简图如图 3-3 所示。图 3-3 抬背机构多功能医用病床的抬背机构采用一个四杆机构，用单个线性推杆驱动。查阅手册得人体的坐高大约为 800mm 左右，所以本机构中背板的长度为 860mm，滚子的直径为 20mm，与侧翻机构相似，图解法设计，设臀部床板的长度为 400mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为 608mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的抬背机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，将背板向上翻转 75之后，利用偏移命令，找到转动摆杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为 190mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。初步设计完成之后的尺寸图如图 3-4 所示，各点安装位置也如图所示。图 3-4 抬背机构初始设计尺寸图2.3 曲腿机构的设计曲腿机构的作用是实现患者腿部床板的向下弯曲。在向下弯曲的时候，脚板必须处于水平位置。多功能医用病床的曲腿机构是一个五杆机构，由单线性推杆驱动，实现曲腿的动作。简图如图 3-5所示。图 3-5 曲腿机构多功能医用病床的曲腿机构包括：线性推杆、曲腿连杆、曲腿连杆、腿部床板和部分床架。线性推杆一端铰接于床架上，另一端铰接于曲腿连杆上，曲腿连杆又和曲腿连杆相铰接，曲腿连杆再和腿部床板铰接；曲腿连杆和腿部床板通过不同的铰接分别固定于床架上，线性推杆的推动使得曲腿构件绕着床架发生转动，通过曲腿连杆与腿部床板相铰接，使得腿部床板绕着它与中部床板的铰接点为转轴发生转动。多功能医用病床的曲腿机构采用一个五杆机构，设大腿板的长度为 445mm，线性推杆的行程范围得出水平距离为 380mm，由此得出线性推杆的初始安装长度，这样得到了初始状态下的曲腿机构的尺寸，但由于机构需要满足运动要求，根据设计要求，机构做拉动，将腿板向下翻转 45之后，利用偏移命令，找到转动连杆的所在位置，得出线性推杆的终了安装位置，这样就可以得到线性推杆的行程，其行程为 101mm，此行程正好满足了线性推杆的选用范围，可以直接采用厂家提供的线性推杆。初步设计完成之后的尺寸图如图3-6 所示，各点安装位置也如图所示。图 3-6 曲腿机构初始设计尺寸图在大腿板和脚板的连接处添加两处支撑滚子，在曲腿没有或初进行时，滚子起支撑脚板的作用。在床架下框架再添加两处支撑滚子。当曲腿运动进行时，脚板碰到床下框架的滚子，使得小腿板弯曲变为接近水平位置，起到支撑脚的作用。而腿板与脚板连接处的滚子由于曲腿动作失去支撑作用。2.4 电机的选择1、整床升降电动机的选择功率：时间 t=35s ， 上升高度 h=220mm ，极限夹角 90，转臂角速度为 srads049.3521转臂速度： smsh09.2.11 负载 NT,转臂所传递的功率为 WP309.3（忽略转臂自重）电 动 机 的 许 用 功 率：忽略轴的转动惯量及连杆自重）122078.4.9P许 螺 杆 联 轴 器 轴 承电动机实际功率： 9.78实由以上结果知，选定额定功率为 100W 的单向电容式减速电动机。其相关参数如下电机转速由图 3.2 可知螺杆导程 1 最短约为 220mm。那么由屈膝的抬腿时间 st35，螺杆导程间距 md2，可以得出电动机的最低转速约：in89602rn2、坐起电动机1）功率取 t=30s，极限角度 =70o，转臂角速度：srads047.38702转臂速度： ml 10.2.2负载 NT1，则转臂传递的功率：wTP4.12 （忽略转臂自重）电 动 机 的 许 用 功 率：（忽略轴的转动惯量及2 21.4300.98W轴 承许 螺 杆 联 轴 器连杆自重）电动机实际功率： 2PP 许 2 1.2=36W由以上结果知，选用额定功率为 40W 的单相电容式减速电动机。相关参数如下2）转速由图 3.1 可知坐起螺杆行程最短约为 365m。那么由上身坐起的时间 t=30s，螺杆螺纹间距 d=2mm，可以得出电动机的最低转速：n=36523060r/min=365r/min图 3.1 坐起螺杆的导程示意图 3、曲腿电动机的选择1）功率： st35，极限角度 o35，转臂角速度： srad0174.8转臂速度：ml 35.2.3负载 T3=1000N，则转臂所传递的功率： WTP5.33（忽略转臂自重）(忽略轴的转动惯量及连322.9.10.48P轴 承许 螺 杆 联 轴 器杆量）电动机实际功率：P3=P 许 31.2=10.9W由以上结果知，选定额定功率为 25W 的单相电容式减速电动机。相关参数如下2）转速：由图 3.2 可知屈膝螺杆行程最短约为 121mm。那么由屈膝的抬腿时间 st35，螺杆导程间距 md2，可以得出电动机的最低转速约： in104621rn 图 3.2 屈膝时螺杆的行程示意图3 病床结构的校核与分析3.1 床底架杆校核多功能病床病床各主要部件及连杆材料均选用 Q235A 钢考虑到由于多功能医用病床内的机构角度，不可避免的会使床的质量增加。由于整床的重量将全部压在床底架长杆上，所以底架长杆将会是受力最大的杆件，根据设计尺寸，底架长杆的长度为1440mm，床底架长杆上有两个支撑点，假设床身的质量为 400kg，人体的质量为 150kg，总重为 550kg。具体计算如下所示：图 3-1 床底架受力示意图初步估计床的总质量为 365kg，假设床身的质量为 400kg，人体的质量为 150kg，总重为 550kg。所以 F2=F3=2750N， =1440mm，ADl=1020mm, =70mm。BClCDl根据力矩平衡公式：F1 =F2 +F3AlBlCDl得：F1= =2215.3N27501927504=F1+F4=F2+F3F得 F4=3284.7N通过上述已知条件，计算杆各段所受的剪力及弯矩：以 A 为原点，在 AB 端内：剪力 F=F1=2215.3N，方向向下弯矩 M=F1x 得：M=0775.355NM，方向为逆时针方向在 BC 段内：剪力 F=F2-F1=534.7N，方向向上弯矩 M=F1x-F2（x-0.35） 得：M=229.9775.355NM，方向为逆时针方向在 CD 段内：剪力 F=F4=3284.7N，方向向上弯矩 M=F4x 得：M=0229.9NM，方向为逆时针方向所以，根据计算分析，得出的结果为 B 点的受力最大且弯矩也最大，所以 B 点所在在截面为危险截面。计算后的剪力图及弯矩图如图 6-2 所示。图 3-2 床底架剪力及弯矩图根据剪力及弯矩图说明了床底架杆在整体上的受力并没有发生突变，同时也不存在在某段的力值特别大的现象，所以从整体上而言，床框架的力学性能良好，受力情况满足了机构的设计要求。3.2 抬背杆校核多功能医用病床在抬背的时候，其抬背摆杆将是受力较大的杆件，由于人的背部质量较大，所以其将会时比较危险的杆件，对其的力学计算如下。图 3-3 抬背杆受力示意图按照人体的质量及床板的质量均分，则圆整后的数据为F1=500N，方向向上。F3x=950N，F3y=2039N， =830mm， =680mm, =54mm。AClABlBDlF2x=F3x=950N，F2y=F1+F3y=500+2039=2539N在 AB 段剪力 F=F1=500N，方向向上弯矩 M=Fx，得：M=0340NM，方向为顺时针方向在 BC 段剪力 F= F3y=2039N，方向向下弯矩 M=F2y（x-0.68）-F1x (0.68x0.734) 得：M=229.9340NM，方向逆时针方向M= F2y（x-0.68）+F2x -F1x 0.734x（0.734x0.83）得：M=-18.5229.9 NM，方向逆时针方向所以，根据上述计算结果，得知 B 点的剪力最大且所受的弯矩也是最大，综上所述，B 点所在的截面为危险截面。根据计算结果画出的剪力图及弯矩图如图 3-4 所示。图 3-4 抬背杆所受剪力及弯矩图根据剪力及弯矩图说明了抬背杆在 AB 段的受力最大，前后两端均受到压力使之变形，中部的受力变形则是由于前后两端分别受到向下的压力，所以导致了中部产生了拱起现象的受力。由于抬背杆整体上的受力并没有发生突变不存在在某段的力值特别大的现象，所以从整体上而言，床框架的力学性能良好，受力情况满足了机构的设计要求。抬背杆在三种机构中最危险，因为抬背杆满足了设计要求，所以侧翻和曲腿杆满足设计要求。3.3 病床的三维建模通过图解法的方法得到了病床的初始设计数据，这些是对病床进行建模的基础，根据上述初始设计数据，通过 soliderworks 软件对其进行建模，S olidworks 软 件 功 能 强 大 ， 组 件 繁 多 。 Solidworks 功 能 强 大 、 易 学 易 用 和 技 术 创 新 是 SolidWorks 的三 大 特 点 ， 使 得 SolidWorks 成 为 领 先 的 、 主 流 的 三 维 CAD 解 决方 案 。 SolidWorks 能 够 提 供 不 同 的 设 计 方 案 、 减 少 设 计 过 程 中 的错 误 以 及 提 高 产 品 质 量 。 SolidWorks 不 仅 提 供 如 此 强 大 的 功 能 ，同 时 对 每 个 工 程 师 和 设 计 者 来 说 ， 操 作 简 单 方 便 、 易 学 易 用 。 得到的模型如图 3-7 所示。图 3-7(a) 护理床床架三维模型图 3-7(b) 护理床侧翻（左）连杆三维模型图 3-7(c) 护理床抬背连杆三维模型图 3-7(d) 护理床曲腿连杆三维模型图 3-7(e) 多功能医用护理床三维模型 1图 3-7(f) 多功能医用护理床三维模型 24 病床控制系统设计4.1 控制系统原理及方案为了实现多功能病床各个机构的运动，病床控制系统采用单片机构成主控制以及各个辅助模块，对四台直流电机正反转和速度的控制。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。直流电机调速基本原理是改变电机的电压就可以改变转速了。 改变电压的方法很多，直流 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好、稳速精度高、调速范围宽。同样，由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，因此主电路损耗小、装置效率高；直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。因此最常用的一定是 PWM 脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。电机调速一般分为三个级，控制级，驱动级和反馈级。 单片机属于前端的控制级，只需要能够产生可调的 PWM 波形就可以（很多单片机都有专用 PWM 输出功能，有定时器就能做到） 。驱动级，在控制级后。因为单片机弱电不能直接驱动电机这样的强电，所以需要用功率开关器件来驱动电机。基本思路就是通过弱点控制强电。通常，驱动级和控制级还需要电气隔离（光耦器件）保证安全。 反馈级是为了实现精确调速的。一般是电流反馈，也有用转速反馈的，也有电流转速双闭环反馈控制的。PWM 输出的占空比具体是多少由单片机通过反馈的信息综合运算得到（是负反馈控制） 。具体的原理图要根据具体的电机。控制部分采用模块化，控制系统方案框图如图 5-1 所示图 4-1 控制系统框图控制系统的主控制 CPU 采用 AT89S51 单片机，AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。由于 AT89S52 本身资源有限，所以扩展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片 SRAM 芯片 6264 用做数据存储器，存放用户程序；输入/输出口的扩展选用了并行接口 8255 芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大。电机驱动模块采用专用的电机驱动芯片，例如 L298N、L297N 等电机驱动芯片，由于它内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全、可靠行，所以我们在应用时只需考虑到芯片的硬件连接、驱动能力等问题就可以了，所以此种方案的电路设计简单、抗干扰能力强、可靠性好。设计者不需要对硬件电路设计考虑很多，可将重点放在算法实现和软件设计中，大大的提高了工作效率。当连杆机构运动到设计要求的角度时，通过传感器使机构运动停止，同时反馈位置信息到单片机进行调节。显示模块采用 12864LCD 液晶显示器，该显示器功率低，驱动方法和硬件连接电路较复杂，显示屏幕大、可对汉字和字符进行显示。键盘模块采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键设置在行、列线的交叉点上，利用这种矩阵结构只需 m 根行线和 n 根列线就可组成 mn 个按键的键盘，因此矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合。但此种键盘的软件结构较为复杂。电源模块通过固定芯片对整流后的电压进行降压、稳压处理（如 7812、7805 等） ，此方案可靠性、安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。综上所述：（1）控制模块： 采用 AT89S51 单片机；（2）电机驱动模块： 采用直流电机驱动芯片 L298N 实现；（3）限位模块： 采用传感器；（4）显示模块： 采用 12864LCD 液晶显示模块；（5）键盘模块： 采用标准的矩阵式键盘；（6）电源模块： 采用 7805、7812 芯片实现。4.2 控制系统的硬件设计电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中直流电机需要 24V 电源，而单片机、显示模块等其它电路需要 5V 的电源，因此电路中选用 7805 和 7812 两种稳压芯片，其最大输出电流为 1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图 5-2 所示。图 4-2 电 源 电 路驱动模块是控制器与执行器之间的桥梁，在本系统中单片机的I/O 口不能直接驱动电机，只有引入电机驱动模块才能保证电机按照控制要求运行，在这里选用 L298N 电机驱动芯片驱动电机，该芯片是由四个大功率晶体管组成的 H 桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比，调整电动机转速。其中输出脚（SENSEA 和 SENSEB）用来连接电流检测电阻，Vss 接逻辑控制的电源。Vs 为电机驱动电源。IN1-IN4 输入引脚为标准 TTL 逻辑电平信号，用来控制 H 桥的开与关即实现电机的正反转，ENA、ENB 引脚则为使能控制端，用来输入 PWM 信号实现电机调速。其电路如图 3.3所示，利用两个光电耦合器将单片机的 I/O 与驱动电路进行隔离，保证电路安全可靠。这样单片机产生的 PWM 脉冲控制 L298N 的选通端，使电机在 PWM 脉冲的控制下正常运行，其中四个二极管对芯片起保护作用。其电路如图 7-3 所示。图 4-3 电 机 驱 动 电 路根据设计要求要对系统各项参数和电机运行状态进行显示，因此在电路中加入显示模块是非常必要的。在系统运行过程中需要显示的数据比较多，而且需要汉字显示，在这里选用 12864 液晶显示器比较适合，它是一种图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及 12864 全点阵液晶显示器组成，可完成汉字（1616）显示和图形显示共有 20 个引脚，其引脚名称及引脚编号的对应关系如图 5-4，引脚功能如表 7-1 所示。图 4-4 12864LCD 引 脚 分 布表 4-1 12864 液晶显示模块引脚功能引脚 符 号 引 脚 功 能 引脚 符 号 引 脚 功 能1 VSS 电源地 15 CS1 CS1=1 芯片选择左边 64*64点2 VDD 电源正+5V 16 CS2 CS2=1 芯片选择右边 64*64点3 VO 液晶显示驱动电源 17 /RST 复位（低电平有效）4 RS H：数据输入；L：指令码输入 18 VEE LCD 驱动负电源5 R/W H：数据读取；L：数据写入 19 A 背光电源（+）6 E 使能信号。 20 K 背光电源（-）7-14 DB0-DB7 数据线 有些型号的模块 19、20 脚为空脚12864 液晶显示器与单片机的连接电路如图 7-5 所示：图 4-5 显 示 模 块 电 路根据设计需求，本系统中使用了 44 键盘用以实现对病床各个动作的控制，其电路原理图如图 7-6 所示。图中 L0L3 为 44 键盘的列信号，H0H3 为 44 键盘的行信号。在本系统中，用 P1.0P1.3 连接键盘的列信号 L0L3；用P1.4P1.7 连接键盘的行信号 H0H3。按照要求设计操作面板如图7-6 所示：图 4-6 键 盘 电 路键盘操作说明：在系统开始运行时，12864LCD 将显示开机界面，若按下设置键显示屏进入参数设置界面，此时按 1、2、3、4 进入相应参数的设置的状态，输入相应的数字即可完成该参数的设置，待所有量设置完成后按正/反控制键设置正反转，最后按启动键启动系统，在运行过程中可按下相应键对电机进行暂停、继续、停止运行的控制。根 据 设 计 要 求 ， 当 各 个 运 动 到 达 特 定 角 度 时 ， 各 个 运 动 就 要停 止 。 因 此 要 在 指 定 角 度 出 添 加 限 位 。 这 里 使 用 传 感 器 作 为 限 位 ，同 时 反 馈 到 单 片 机 ， 达 到 更 加 精 确 地 角 度 。图 47 限 位 电 路开 始初 始 化调 用 清 屏 子 程 序开 始 界 面 显 示设 置 键按 下 ？调 用 清 屏 子 程 序设 置 界 面 显 示根 据 设 置计 算 参 数启 动 键按 下 ？调 用 清 屏 子 程 序电 机 运 行状 态 显 示PWM脉 冲 输 出YNYN4.3 控制系统的软件设计1、程序流程图 4-8 主 程 序 流 程 图 4-9 键 盘 流 程 图 4-10 系 统 主 函 数 流 程 图 4-11 子 程 序 流 程2、显示程序流程显示模块是实现人机对话的重要部分，在这里选用 12864LCD显示器可实现对汉字和字符的显示，该显示器的引脚功能在上面已经做了说明，下面介绍 12864LCD 的相关指令。（1）读取状态字当 R/W=1，D/I=0 时，在 E 信号为高的作用下，状态分别输出到数据总线上。状态字是了解模块当前工作状态的唯一的信息渠道，在每次对模块操作之前，都要读出状态字判断 BUSY 是否为“0” 。若不为“0” ，则计算机需要等待，直至BUSY =0 为止。（2）显示开关设置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 0 1 1 1 1 1 DD=1：开显示；D=0 关显示。（3）显示起始行设置D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0D/IR/WDB7DB6 DB5DB4DB3DB2DB1DB00 1 BUSY 0 ONOFF RST 0 0 0 00 0 1 1 显示起始行（ 063）指令表中 DB5DB0 为显示起始行的地址，取值在 03FH（164 行）范围内，它规定了显示屏上最顶一行所对应的显示存储器的行地址。（4）页面地址设置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 1 0 1 1 1 Page（07）页面地址是 DDRAM 的行地址。8 行为一页，DDRAM 共 64 行即 8 页，DB2-DB0表示 0-7 页。（5）列地址设置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB00 0 0 1 Yaddress（063）列地址是 DDRAM 的列地址。共 64 列，DB5-DB0 取不同值得到 0-3FH（1-64） ，代表某一页面上的某一单元地址，列地址计数器在每一次读写数据后它将自动加一。（6）写显示数据 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB01 0 显 示 数 据该操作将 8 位数据写入先前已确定的显示存储器的单元内。操作完成后列地址计数器自动加一。 （7）读显示数据 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB01 1 显 示 数 据该操作将 12864 模块中的 DDRAM 存储器对应单位中的内容读出，然后列地址计数器自动加一。3、控制程序（1）8255 芯片初始化子程序B255: MOV DPTR, #3FFFHMOV A, #10001001BMOVX DPTR, AMOV DPTR, #3FFCHMOV A, #0FFH MOVX DPTR, AMOV DPTR, #3FFDHMOV A, #0FFHMOVX DPTR, ARET（2）键盘子程序CLR EX1MOV DPTR, #5FFFHMOV A, #01000000BMOVX DPTR, AMOV DPTR, #5FFEHMOVX A, DPTRCJNE A, #KEY0, NEXT0JMP _KEY0NEXT0: CJNE A, #KEY1, NEXT1JMP _KEY1NEXT1: CJNE A, #KEY2, NEXT2JMP _KEY2NEXT2：NEXT4