个人卫生护理机器人控制部分的设计与实现

摘要：介绍了个人卫生护理机器人控制部分的设计与实现，该系统采用单片机作为微控制器，利用串口扩展芯片，实现了对洗头、洗澡、生命体征检测、上位机通信以及语音提示等功能模块的控制，完成了全自动洗澡的功能。实验证明，该系统具有较高的研究开发和实用价值。
关键词：个人卫生护理机器人；MCU；模块设计；温度检测

0 引言
    如今，我国已进入了老龄化社会，60岁以上人口已经超过了1．49亿，占全国人口的11％；而65岁以上人口占总人口的6．96％。同时，中国残疾人数量也在不断上升。无论在养老院或是残疾人家庭，个人卫生护理都是难题。为此设计了一种能为特殊群体提供洗头、洗澡、干身、按摩等服务的个人卫生护理机器人系统。该系统可用于医院、养老院和家庭，为病人、老人及残疾人完成个人卫生的护理工作，具有较高的研究开发和实用价值。

1 控制部分总体设计
    本系统主要由机械本体、主控模块、显示模块、语音模块、生命体征检测模块、网络模块、洗头模块、驱动电路、气泵、风泵、水位及温度传感器等多个部分组成。机械部分主要完成轮椅与浴缸的对接，实现用户坐在轮椅上便可直接入浴的功能，打破了以往依靠人工的局限性。单片机通过控制浴缸内机械臂的升降，实现人浴出浴及高低位置的适当调整，保证用户有一个舒适的洗澡姿势；通过控制风泵及水泵，实现淋浴、泡泡浴、冲洗、烘干等一系列功能；通过水位及温度传感器，检测浴缸内水位及温度的高低；语音模块实现提示及报警功能，为用户提供可靠的服务。

2 控制部分硬件设计
    控制系统的硬件组成如图1所示。

2．1 主控单元
    主控芯片采用STC89C52单片机实现智能控制，该芯片内部资源丰富，I／O口数量多，增加了P4口，每个I／O有四种工作方式，驱动能力强，内含8 KBFIASH，支持在线编程，内含的独立波特率发生器，支持1T方式，运算速度快，价格低廉。由于系统比较复杂，需要控制的模块较多，所以在输出部分用串并转换来扩展输出，扩展芯片用两片74HC595实现。电路如图2所示。

2．2 温度检测模块
    水温检测是一个很重要的环节，如果出现水温过高或者过低的现象，就很有可能对人身造成伤害，所以要求误差要小，精度尽可能高，占用I／O口尽量少。基于这些要求，采用DS-18B20数字温度传感器。该产品由美国DALLAS公司生产，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等特点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
2．3 语音提示模块
    语音提示部分是个人卫生护理机器人控制系统的重要部分，对各种工作状态进行提示，从启动到各个洗浴模式都有相对应的语音提示，出现紧急情况有语音报警，最大限度避免了异常情况造成的危害。系统选用以DMA5601为核心的语音模块，该模块可以进行64段每段最长达100s的语音播放，其优点是串口控制，节约I／O占用，并且波特率可调，可以很好的与其他部件相连接。64段语音，每段长达100 s的语音播放可以很好地满足要求。
2．4 生命体征检测模块
    生命体征检测模块主要用于实时监测洗浴过程中人体的生命体征信号，并与上位机进行通信，可以对心动过缓／过速，血氧及血压的异常情况进行报警，方便护理人员对洗浴过程中的异常情况及时处理。该模块的原理框图如图3所示。

2．5 人机交互模块(HMI)
    该模块选用北京迪文科技有限公司的DMT48270T043，迪文DMI内置了TFT驱动、大容量FLASH存储字库和界面图片，使得用户MCU只要有串口(或者1个空余的I／O口)即可，电路设计简单，编程方便。
2．6 洗头模块
    洗头模块的控制部分由AT89C2051单片机来完成，其电路如图4所示。

2．7 驱动模块
    通过控制电机的正反转来实现人浴、出浴、洗头等功能，其驱动电路如图5所示。

2．8 网络模块
    个人卫生护理机器人在工作时可以通过以太网向上位机传送数据，这些数据主要是护理机的工作状态和洗澡者的生命体征数据及报警信号。此模块采用了一款独立的UART，TCP／IP协议模块来完成数据的转换和双向传输。通过对生命体征监测部分的数据交流以得到使用者的心率、血氧饱和度和脉搏信息。经过处理，将这些信息和其他的机器状态报警信号上传至上位机。该模块与主控芯片以串口的方式通信，节约了I／O口。

3 系统软件设计
    系统软件采用模块化设计，由主程序、初始化子程序、温度检测程序、中断子程序、延时子程序等组成，通过主程序分别调用各子模块完成相应的功能。其软件系统总体框图如图6所示。

4 结语
    本文介绍了基于STC89C52的个人卫生护理机器人的设计与实现方法，该系统能够完成自动洗浴的功能，为行动不便的人提供了洗头、洗澡、干身、按摩等服务，较大幅度地减少了为这些人服务的劳动强度。该系统可广泛应用于医院、养老院和需要该类服务的家庭。