0 引言

    牙醫綜合治療椅是用于治療口腔疾病的主要設備^[1]，在口腔疾病的診療過程中起著至關重要的作用。隨著人們生活水平的提高，對牙齒健康的要求也越來越高，從而導致口腔就診的患者日益增多，這極大地促進了牙醫綜合治療椅的市場需求^[2]。但目前國產的牙醫綜合治療椅由于控制系統性能不穩定、人機交互能力差、整合度低等原因^[3]導致市場占有率很低，國內市場仍以國外產品為主，可以說控制系統設計的不足嚴重制約了國產牙醫綜合治療椅的發展。因此，一款性能穩定、自動化程度高、人機交互能力好的牙醫綜合治療椅控制系統無疑具有很大的市場空間。

    本文設計了基于STM32的主從式通信模式的控制系統，借助高性能的STM32F105VCT6芯片實現對各執行機構和檢測芯片的控制，通過RS-485總線多機通信協議協調主從機間的工作，在簡化系統硬件結構的同時，也提高了系統的整合度，并且控制系統采用液晶屏實時顯示系統運行狀態，具有良好的人機交互能力。

1 系統總體設計與工作原理

    該控制系統主要由主控系統、主控按鍵面板、副控按鍵面板、電源模塊組成，控制系統的總體結構如圖1所示。其中主控系統由STM32F105VCT6芯片、繼電器控制電路、檢測電路、控制電路、485電路、報警電路、液晶屏組成；主控按鍵面板、副控按鍵面板均由STC89C52芯片、矩陣鍵盤、指示燈、RS485電路組成；電源模塊經過整流、濾波和多級穩壓芯片后為控制系統提供24V、5V、3.3V的直流電。主控系統中執行機構為功能實現機構，包括：強吸、弱吸、供水、沖痰電磁閥，靠背、椅架電機，觀片燈、口腔燈。檢測電路用于檢測執行機構的運行數據，并反饋給STM32芯片，便于分析系統運行狀態，包括：熱水器溫控傳感器、供水感應傳感器、安全位置傳感器、限位傳感器、傾角傳感器。控制電路為部分執行機構和功能的控制開關，包括：機椅互鎖微動開關、強吸微動開關、弱吸微動開關、四向腳控。

    系統運行時，通過主、副控按鍵面板上的按鍵即可實現各功能的控制及相應參數的設置，系統運行狀態由傳感器檢測并反饋給主控系統，通過液晶屏實時顯示。而具體的控制和設置命令由主、副控按鍵面板的控制芯片根據用戶在按鍵面板上的操作自動生成，并將命令通過總線發送至主控制器，主控制器對命令進行處理，生成相應的操作信息。若為控制命令，則通過控制繼電器控制電路中繼電器的開閉控制執行機構運行，實現所需的功能要求；若為參數設置命令，則設置對應執行機構達到功能要求時的參數。

2 硬件設計

2.1 控制芯片選擇

    整個控制系統的控制芯片包括主控系統的主控芯片和主、副控按鍵面板的按鍵控制芯片，其中按鍵控制芯片只需驅動由其端口組成的矩陣鍵盤以及支持485通信即可，所需功能要求比較簡單，且主、副控按鍵面板除了使用者不同外，并無其他區別，因此都選用常用的STC89C52單片機。而主控系統的主控芯片所要控制的機構較多，要實現的功能較復雜，且為了簡化系統硬件結構最好自帶A/D轉換，顯然普通的51單片機無法滿足要求，因此選用意法半導體公司生產的基于Cortex-M3內核的STM32F105VCT6芯片，該芯片具有100個通用I/O口、2個12 bit的ADC以及支持SPI、CAN等多個通信接口，完全滿足功能要求。

2.2 電源模塊設計

    電源模塊用于給整個控制系統供電，輸入電源為24 V的交流電，經過整流橋KBU1510整流、濾波、LM7824穩壓芯片穩壓之后產生24 V直流電為執行機構供電，通過LM2576s-5.0穩壓芯片產生5 V直流電為主、副控按鍵面板及傳感器、繼電器等供電，通過AMS1117-3.3穩壓芯片產生3.3 V直流電為STM32芯片供電。控制系統電源模塊電路原理圖如圖2所示。

    為了提高電源模塊的抗干擾能力，在每個穩壓芯片的輸入輸出端均接有濾波電容組，每組由一大一小數量級相差至少兩級以上的電容并聯而成，且輸入端電源為24 V的交流電，為了濾除輸入電源的共模干擾信號，在輸入端設計了一個Y電容，即圖2中的C1、C2。

2.3 繼電器控制電路

    繼電器控制電路用于控制各執行機構的運行，以實現相應的功能要求，其中繼電器控制電路中的繼電器的開閉由STM32的GPIO口通過ULN2003D驅動。而繼電器控制電路原理基本相同，GPIO口低電平時，繼電器閉合，同時繼電器工作指示燈亮。因此這里以椅架電機的繼電器控制電路為例，由于要控制椅架電機的正反轉，通過兩個繼電器實現這一功能要求。具體電路原理圖如圖3所示。

2.4 執行機構和傳感器的選型

    執行機構為功能實現機構，為了簡化電源模塊的設計，在選型時盡量選用供電電壓相同的，其中靠背電機和椅架電機用于控制靠背和椅架的運動，要求運行穩定、力矩大，選用額定轉速為30 rpm、額定力矩為30 kg·cm的24 V直流電機，電磁閥選用24 V常閉型電磁閥，觀片燈選用牙醫專用的24 V供電的低壓觀片燈，熱水器選用24 VAC供電的牙醫椅專用的熱水器。

    傳感器用于檢測系統運行時執行機構的運行數據并反饋給STM32芯片，便于監測系統運行狀態，其中安全位置傳感器和限位傳感器均選用漫反射型的紅外光電接近開關，用于限定牙醫綜合治療椅運動的極限位置，其工作時會發出不可見的紅外光，當靠背和椅架運動到開關位置時，光線被物體表面反射回接收器，傳感器便有信號輸出，STM32根據傳感器的輸出信號判斷是否到達極限位置。熱水器溫控傳感器選用常用的太陽能熱水器中2芯的水溫水位傳感器，在檢測水溫的同時也可檢測熱水器中的水位，同時為保安全使用常閉型溫控開關，當熱水器溫度過高時自動斷開，停止加熱。供水感應傳感器采用液體流量傳感器，用于檢測供水功能開始時供水流量。傾角傳感器用于檢測靠背和椅架的位置，由于STM32芯片的ADC模擬量輸入通道幅值和工作電壓范圍均為0 V～3.3 V，因此選用信號輸出為0 V～3.3 V的三軸傾角傳感器MMA7361。而其他傳感器通過電阻分壓方式將0 V～5 V的輸出信號轉為STM32芯片支持的0 V～2.5 V信號。

3 系統軟件設計

3.1 主從機通信協議設計

    主從機之間的通信采用9位異步通信方式，第9位為通信數據和地址數據的標志位。若第9位為1，表示后面8位數據代表地址數據，即從機地址；若第9位為0，表示后面8位數據代表的是通信數據。且為避免總線沖突，主從機之間的數據傳輸由主機控制，從機不主動向主機發送數據，只有主機輪詢到從機時才將數據發送至主機，且從機之間不進行數據傳輸。

    工作時主從機之間采用握手和應答方式確保通信可靠。主機首先向從機發送握手信號（即地址數據），從機接收到握手信號后，判定是否要進行通信，如果是則發送回應，此時通信連接建立，主從機之間開始交換數據，完成后，斷開連接，通信結束。若主機發送握手信號后，從機在指定的時間內沒有應答，則認為此次通信失敗，自動結束與該從機的通信。

3.2 參數設置程序設計

    參數設置主要用于設置對應執行機構達到功能要求時的參數，主要包括：供水量、沖痰時間、熱水器加熱溫度以及靠背和椅架運動極限位置。參數設置時先按下設置鍵，再按下對應執行機構的功能按鍵，即可進入該執行機構運行參數的設置模式，通過參數調整按鍵來調整參數值。當參數設置完成后，再次按下設置鍵即可保存設置。若參數設置期間按下任意功能控制按鍵，則參數設置無效，參數值為設置前的參數；若按下復位鍵，則參數變為系統初始參數，并退出參數設置程序。參數設計程序流程如圖4所示。

    在參數設置時，所有執行機構均停止工作，并且設置參數的從機與主機一直保持通信，直到按下設置鍵或復位鍵以及功能按鍵時才斷開通信。

3.3 功能控制程序設計

    功能控制主要根據與執行機構對應的傳感器檢測到的數據和設置的執行機構運行參數，通過繼電器電路控制對應執行機構的運行狀態，包括：靠背和椅架的上升和下降、熱水器加熱、供水和沖痰等，并將執行機構運行數據和結果通過液晶屏實時顯示。當系統運行出錯時，會通過報警電路提示，并通過液晶屏顯示具體錯誤信息，方便實時掌控系統狀態。功能控制程序流程如圖5所示。

4 系統測試

4.1 開機自檢測試

    開機自檢主要用于檢測系統開機運行時各個功能模塊和執行機構是否處于正常工作狀態，包括：主控按鍵面板、副控按鍵面板、主控系統中控制電路模塊中各個開關及執行機構模塊中各個執行機構。如果某一個未處于正常開機狀態，通過液晶屏顯示其對應的故障代碼，圖6所示為主、副控按鍵面板在開機時均未與主控系統連接時出現的錯誤代碼。

4.2 通信測試

    系統運行時主控系統會與按鍵面板之間建立通信，之后按鍵面板將檢測到的鍵值發送給主控系統。若按鍵面板無按鍵按下，則會向主控系統發送數據48，主控系統會根據接收到的鍵值控制指示燈的狀態實現相應的功能；如果接收到數據48，則表示按鍵面板無按鍵按下，指示燈會亮；若接收到的數據非48，則表明按鍵面板有按鍵按下，指示燈會熄滅，主控系統執行相應的功能。經實驗測試，控制系統采用的主從機通信協議性能穩定，可以很好地滿足實際功能需求。

5 結束語

    本文設計了一種基于STM32的牙醫綜合治療椅控制系統，通過高性能的STM32芯片和基于RS485總線的主從式系統結構，在簡化系統硬件結構的同時，也提高了系統整合度和可擴展性。實際應用表明，該牙醫綜合治療椅控制系統運行穩定可靠，自動化程度高，人機交互能力強，有著廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 徐志虎.基于多單片機的牙科綜合治療臺控制系統開發[D].上海：東華大學，2011.

[2] 賈喬潔.牙醫綜合治療機設計[J].美術大觀，2013(2).

[3] 沈燕飛.RYY_E型醫療設備控制系統開發[D].杭州：浙江大學，2003.

作者信息：

許新建，文國軍，王玉丹，胡自飛

（中國地質大學（武漢） 機械與電子信息學院，湖北 武漢430074）