全自动药液喷洒系统.docx
《全自动药液喷洒系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全自动药液喷洒系统.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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：
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2H12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：
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：
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：
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1/15~64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。
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CodeWarriorIDE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：
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：
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10.112V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：
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：
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。
<1>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。
<2>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。
<3>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ＰＩＤ控制算法，分别是：
增量式算法，位置式算法，微分先行。
这三种ＰＩＤ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
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一个安全的环境。
【项目的应用效果】
通过对医院的采访和跟医生的沟通，我们发现医院及医生对消毒的强烈需求，通过网上搜集的资料，我们发现院内感染这类事件的现实性和严峻性，自动消毒系统能很好的改善这一问题。
本系统结构简单，操作性强，性价比高，实用性强，适用范围广。
【结束语】
本系统结合自动化技术，使消毒过程实现智能化，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。
而且还会定期进行自动清洗，防止药液变质，造成污染。
通过自动喷液系统可以改善院内感染情况，减小经济损失。
本系统构造简单，操作方便，性价比高，应用范围广，小到家居民用，大到医院，工厂和一些公共场合。
综上所述，此系统的前景将十分广阔。
【参考文献】
【1】薛涛，宫辉，曾鸣，龚光华，邵贝贝.单片机与嵌入式系统开发方法，北京：
清华大学出版社，2009
【2】李发海，王岩.电机与拖动基础（第三版），北京：
清华大学出版社，2005
【3】冯博琴，吴宁微型计算机原理与接口技术（第二版），北京：
清华大学出版社，2007
【4】康华光，邹寿彬，秦臻电子技术基础模拟部分（第五版），北京：
高等教育出版社，2006
【5】王建辉，顾树生自动控制原理，北京：
清华大学出版社，2007
升级会员 