专利名称：多功能防褥疮护理床智能控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种护理床控制装置，尤其涉及一种多功能防褥疮护理床智能控制器。
背景技术：
多功能防褥疮护理床是专为瘫痪病人和长期卧床不能自理病人而设计的一种床具，具有 自动翻身、床面交替、自动抬臀及左右平移等多项功能，能有效地减少患者身体受压部位肌 肉的压迫时间，有利于血液循环和通风干燥，避免压迫性溃疡的发生，减轻患者痛苦，同时 也可大大减轻患者陪护的劳动强度。以往防褥疮护理床控制器多采用可编程控制器(PLC)作 为控制单元，以时序控制为主，缺乏故障保护措施，没有直观的显示界面，且成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了解决目前防褥疮护理床的控制装置安全性不好，成本较高，操作 不便等问题，提供一种具有结构简单，人机界面友好，操作方便，故障保护措施完善，造价 低等优点的多功能防褥疮护理床智能控制器。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种多功能防褥疮护理床智能控制器，它包括控制面板电路、主控制板电路和继电器输 出板电路；其中，
控制面板电路进行液晶显示和按键操作，向主控制板电路发送操作命令，并回读主控制 板电路的动作状态实时显示；
主控制板电路通过主控核心电路接收控制面板电路的操作命令，通过输出驱动电路与继 电器输出板电路连接；通过信号输入电路进行床体位置检测，保障床体不会因误动作造成损 坏；
继电器输出板电路接收到输出驱动电路控制信号，通过多电机控制电路控制安装在床体 上的多个巻布轴电机和多个直流推杆电机工作；同时多电机运行检测电路和多电机故障检测 电路将检测的运疗和故障信号送入信号输入电路；
控制面板电路和主控制板电路之间通过RS48S串行通讯的方式交换信息，组成主从式的 控制结构。
所述控制面板电路包括单片机UOl、硬件看门狗U02、 RS485串口转换模块l)03、液晶显 示模块和4*4键盘阵列；单片机UOl的Pl 口连接4*4键盘阵列进行按键扫描检测；PO 口总 线与液晶显示模块的总线连接，液晶控制信号线接入P2 口；单片机UOl的串行接口 RXD、TXD接入U03进行RS485电平转换，由U01的P3.3 口控制发送与接收的切换；硬件看门狗U02 完成上电复位和程序运行监测，在P3.2 口不产生喂狗信号2.5秒后发出复位信号，确保UOl 不死机；控制面板电路作为主机，根据键盘操作命令向主控制板电路发出动作命令，并连续 回读主控制板电路的动作状态数据，通过液晶显示模块以汉字形式显示。
所述主控核心电路包括单片机Ul、硬件看门狗U2、 RS485串口转换U3、数据地址锁存 器U4、掉电保持RAM U5、写信号译码器U6和读信号译码器U7。 Ul、 U4、 U5组成标准 的单片机数据存储器读写电路，U5为内带电池的2K字节不掉电RAM，无写入次数限制，用 于保存运行过程中的各种实时状态数据；硬件看门狗U2完成上电复位和程序运行监测，在 U1的P3.5口不产生喂狗信号2.5秒后发出复位信号，确保U1不死机；U1的串行接口RXD、 TXD接入U3进行RS485电平转换，主控制板电路作为从机接平时工作在接收状态，发送与 接收的切换由？3.4控制，接收到控制面板电路的命令后，执行相应操作并返送状态信息；读 信号译码器U7通过地址线和U1的RD读信号组合译码，输出8路选通信号，最多可以读取 8*8路开关量信号输入；写信号译码器U6通过地址线和U1的WR信号组合译码，输出4路 选通信号，最大可以输出4*8路开关量信号。
所述信号输入电路包括两个角度传感器的6路信号，各角度传感器分别安装在床体巻布 轴电机上，每个角度传感器输出表示转动位置的脉冲信号、转向信号和原点信号共3路，两 个角度传感器均与锁存器U10连接，角度传感器每转输出1024个脉冲，脉冲信号脉宽W0ms， Ul每5ms定时读取脉冲信号，根据转向信号和原点信号对脉冲数进行加减计数，保存至掉电 保持RAM U5中，从而确定巻布轴位置，并保证了掉电重新上电后Ul仍能判定巻布轴位置; 信号输入电路还包括七对行程开关，它们安装在床体的七只电动推杆上，每对行程开关均由 一个高位行程开关和一个低位行程开关组成；各对行程开关与锁存器U8和锁存器U9连接， 锁存器U8和锁存器U9作为输入缓冲，在Ul对读译码器U7输出选通信号的控制下，分时读 取信号状态；
同时直流推杆电机运行信号和故障信号采集装置产生的开关量信号送入锁存器Ull和锁 存器U12， U1通过U11和U12在读译码器U7的选通信号控制下，定时对七路推杆电机的运 行和故陣信号进行读取判断。
所述输出驱动电路包括9对继电器Kl、 K2的驱动，在2只巻布轴电机和7只直流推杆电 机上分别安装一对继电器；全部继电器由3组驱动电路驱动，每组驱动结构相同并各自驱动 7只继电器，每组驱动电路的输出锁存器锁存信号分别来自写译码器U6的WY0、 WY1、 WY2:
其中一组驱动电路的结构包括一个输出锁存器U13、 7路光电耦合器、 一个7路驱动器 U14及相应电阻，Ul发出继电器动作信号，在写译码器U6输出的选通信号WY0控制下，锁
6存到U13的输出端，通过光电耦合器将信号传送至24V电源工作的驱动器U14的输入端，经 U14驱动后控制7只继电器动作，电阻RP6为光耦输入限流电阻，电阻RP5、 RP7组成分压电 阻，以使U14的输入高低电平达到规定的电平要求。
所述多电机控制电路共有9路，每一路均包括一对继电器K1、 K2,它们切换控制直流推 杆电机或巻布轴电机的正反转进而控制推杆的伸长、縮短和床面的左右移动，继电器K1、 K2 的常闭触点互锁连接防止误动作时造成电源短路；
运行检测电路只对推杆电机进行检测，共有7路，每一路均包括串联在直流推杆电机回 路中的二极管D1、 D2,限流电阻R4和光耦U30，电机正常运行时的电流会在Dl、 D2两端 产生压降，经R4限流后可使光耦U30输入端发光，在输出端产生运行信号；若直流推杆电 机运行时没有该运行信号产生，则可以判定为电机回路开路；
故障检测电路只对推杆电机进行检测，共有7路，每一路包括串联在电机回路中的自恢 复保险丝R3，限流电阻R5和光耦U31,电机运行时电流在正常范围内，R3的阻值很小，产 生的压降也很小，不足以使光耦U31的输入端发光，光耦输出端无信号输出；当电机发生过 载或短路故障时，电流大幅增加，R3的阻值迅速变大，从而在两端产生较大的压降，这一 电压经R5限流后，使光耦U31输入端发光，在输出端产生故障信号；主控制板电路信号输 入电路采集监测这些信号，在判断故障发生后暂停床体执行动作，避免造成床体的损坏，并 将故障信息送至控制面板进行声音报警和LCD故障信息显示。本发明的智能控制器专为多功 能防褥疮护理床而开发设计，以单片机作为控制核心结合外围隔离驱动等硬件电路，通过继 电器可分别控制床体的7只电动推杆和2只巻布轴电机的正反向运动；同时控制器检测床体 动作位置和巻布轴转动角度，根据不同的床体动作要求，控制各机械装置协调动作，完成各 项床体动作功能。
本发明的特点为-
1. 控制器采用主从式的组成结构，合理地分配了控制功能，简化了各部分的硬件结构， 减轻了单片机的处理工作。
2. 采用汉字液晶显示器，直观明确地显示床体的动作过程、床体位置和故障信息。
3. 采用角度传感器控制控制巻布轴位置，克服了以时间控制所产生的累积误差，精确可靠。
4. 采用PTC自恢复保险丝和电流检测等检测电路，由单片机智能判断各电动推杆的过载 故障和开路故障，可快速切断输出停止动作，保证床体不会因机械故障而造成床体结构破坏。
5. 采用DC-DC隔离电源、光电耦合、瞬变保护二极管(TVS)等器件，有效地解决了继 电器接直流负载通断时所产生的强烈干扰，保证了控制器的可靠运行。
76.具有掉电记忆功能，若床体在工作过程中掉电，控制器可自动记录断点，在恢复供电 后，按"暂停/继续"键，可从断点位置继续执行原动作。
7.上电时通过规定的复合键操作可进入单机调试状态，可控制各个机械装置单独动作， 便于调试和维修。
本发明的有益效果是本智能控制器具有简捷直观的操作面板，各种操作命令只需一键 完成，同时具备汉字液晶显示窗口，可动态显示床体的工作状态和位置信息，人机界面友好, 操作方便，故障保护措施完善，造价低。
图l为本发明的电气框图2为控制面板电路电气原理P 3为主控核心电路电气原理图4为信号输入电路电气原理图5为输出驱动电路电气原理图6为继电器输出板电路电气原理图7为现有床体的俯视结构示意图8为图7的侧面结构示意图。
其中，1.控制面板电路，2.主控制板电路，3.继电器输出板电路，4.主控核心电路， 5.信号输入电路，6.电源隔离稳压电路，7.输出驱动电路，8.运行检测电路，9.故障检测 电路，IO.巻布轴电机，ll.直流推杆电机，12.多电机控制电路。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
图l中，它包括控制面板电路l、主控制板电路2和继电器输出板电路3;其中，
控制面板电路l进行液晶显示和按键操作处理，根据操作命令向主控制板电路发送操作 命令，同时回读主控制板电路的动作状态实时显示；
主控制板电路2通过主控核心电路4接收控制面板电路1的操作命令，根据动作要求通 过输出驱动电路7与继电器输出板电路3连接，协调控制床体各机械装置的正反向运动通 过信号输入电路5进行床体位置检测，保障床体不会因误动作造成损坏；
继电器输出板电路3接收到输出驱动电路7控制信号，通过多电机控制电路控制安装在 床体上的多个巻布轴电机10和多个直流推杆电机11工作；同时多电机运行检测电路8和多 电机故障检测电路9将检测的运行和故障信号送入信号输入电路5;
控制面板电路1和主控制板电路2之间通过RS485串行通讯的方式交换信息，组成主从
8式的控制结构。
图2中，控制面板电路1主要由单片机UOl、硬件看门狗U02、 RS485串口转换U03、 液晶显示模块和4*4键盘阵列组成。单片机UOl的Pl 口连接4*4按键阵列进行按键扫描检 测；PO口总线与液晶显示器的总线连接，液晶控制信号线接入P2 口；单片机U01的串行接 口 RXD、 TXD接入U03进行RS485电平转换，由UOl的P3.3 口控制发送与接收的切换。硬件 看门狗U02完成上电复位和程序运行监测，在P3.2 口不产生喂狗信号2.5秒后发出复位信号， 确保U01不死机。液晶显示器LCD可显示2*10个汉字，内带汉字字库，支持并行总线接口。 工作方式为控制面板作为主机，根据键盘操作命令向主控制板发出动作命令，并连续回读主 控制板的动作状态等数据，通过液晶LCD以汉字形式显示。
图3中，主控板核心电路4为主控制板的核心，主要由单片机Ul、硬件看门狗U2、 RS485 串口转换U3、数据地址I炎存器U4、掉电保持RAM U5、写信号译码器U6和读信号译码器 U7组成。Ul、 U4、 U5组成标准的单片机数据存储器读写电路，U5选用内带电池的2K字节 不掉电RAM,没有写入次数限制，用于保存运行过程中的各种实时状态数据。硬件看门狗U2 完成上电复位和程序运行监测，在Ul的P3.5 口不产生喂狗信号2.5秒后发出复位信号，确 保Ul不死机。Ul的串行接口 RXD、 TXD接入U3进行RS485电平转换，主控板作为从机翁 平时工作在接收状态，发送与接收的切换由P3.4控制，接收到控制面板的命令后，执行相应 操作并返送状态信息。由于床体的位置输入信号和驱动输出很多，单片机片上的接口资源不 能满足要求，因此进行了输入输出口的扩展。U7为读输入信号译码器，通过地址线和RD读 信号组合译码，可以输出8路选通信号，最多可以读取8*8路开关量信号输入。U6为写输出 信号译码器，通过地址线和WR信号组合译码，可以输出4路选通信号，最大可以输出4*8 路开关量信号。通过扩展满足了床体输入输出的数量要求，并且通过地址线统一划分了 RAM、 读输入和写输出的地址范围，没有地址交叉冲突，编程时只要对不同的地址用MOVX指令操 作，即可完成不同的数据读写和输入输出等功能。
选用不掉电RAM的目的是考虑当床体动作中突然停电时，可以保存断电时刻的动作状 态，如动作种类、运行时间和角度位置等，重新上电时床体自动进入暂停状态，按"暂停/ 继续"键后，床体可以继续执行掉电前未完成的动作，避免位置失控。
图4中，信号输入电路5为主控制板的信号输入部分，主要由外部输入信号和输入锁存 器组成。床体共使用了7只电动推杆，每只推杆都有高位和低位2个行程开关信号，这样共 有14路开关量信号，由2个8路锁存器U8和U9作为输入缓冲，在U1对读译码器输出选 通信号的控制下，分时读取信号状态。床体的左右平移动作是靠2个巻布轴电机来完成的， 为了准确控制移动位置，分别配备了角度传感器，每个角度传感器输出信号为表示转动位置的脉冲信号、转向信号和原点信号共3路，通过U10锁存器与2只角度传感器信号连接。 角度传感器每转可输出1024个脉冲，由于巻布轴运行较慢，脉冲信号脉宽WOms，因此采用 每5ms定时读取的方法，结合软件数字滤波采集脉冲信号，根据转向信号和原点信号对脉冲 数进行加减计数，保存至不掉电RAM U5中，从而确定巻布轴位置，并保证了掉电重新上电 后Ul仍能判定巻布轴位置。为了监测电机的运行情况，还对7路推杆电机运行信号和故障 信号进行了采集检测，信号均为开关量信号，Ul通过锁存器Ull和U12在读译码器的选通 信号控制下，定时进行读取判断。
图5中，输出驱动电路7为主控制板的输出控制部分，其中7路驱动输出电路组成如图 5所示，主要由输出锁存器U13,、光电耦合器、7路驱动器U14及相应电阻组成。由于控制 主板为SV电源工作，继电器为24V电源工作，Ul输出的控制信号需要经过驱动电路才能使 继电器正常动作，为了减少继电器动作时对主控制电路产生干扰，5V和24V工作电源采用 相互隔离形式，因此使用光电耦合电路将控制信号传送到驱动电路。Ul发出的动作信号，在 写译码器输出的选通信号WYO控制下，锁存到U13的输出端，通过光电耦合器将信号传送至 24V电源工作的驱动器U14的输入端，经U14驱动后控制继电器动作。电阻RP6为光耦输入 限流电阻，电阻RP5、 RP7组成分压电阻，以使U14的输入高低电平达到规定的电平要求。
图6中，多电机控制电路12共有9路，每一路均包括一对继电器Kl、 K2,它们切换控 制直流推杆电机或巻布轴电机的正反转进而控制推杆的伸长、縮短和床面的左右移动，继电 器K1、 K2的常闭触点互锁连接防止误动作时造成电源短路；
运行检测电路8只对推杆电机进行检测，共有7路，每一路均包括串联在直流推杆电机 回路中的二极管D1、 D2,限流电阻R4和光耦U30，电机正常运行时的电流会在Dl、 D2两 端产生压降，经R4限流后可使光耦U30输入端发光，在输出端产生运行信号；若直流推杆 电机运行时没有该运行信号产生，则可以判定为电机回路开路；
故障检测电路9只对推杆电机进行检测，共有7路，每一路包括串联在电机回路中的自 恢复保险丝R3，限流电阻R5和光耦U31,电机运行时电流在正常范围内，R3的阻值很小， 产生的压降也很小，不足以使光耦U31的输入端发光，光耦输出端无信号输出；当电机发生 过载或短路故障时，电流大幅增加，R3的阻值迅速变大，从而在两端产生较大的压降，这 一电压经R5限流后，使光耦U31输入端发光，在输出端产生故障信号；主控制板电路信号 输入电路采集监测这些信号，在判断故障发生后暂停床体执行动作，避免造成床体的损坏， 并将故障信息送至控制面板进行声音报警和LCD故障信息显示。
二只巻布轴电机没有专用的运行和故障检测电路，对它们的检测是结合角度传感器信号 完成的。当巻布轴电机正常运行时，角度传感器就会发出脉冲和转向信号，通过软件方法可以判定巻布轴电机的故障状态，若巻布轴电机运行时没有对应的脉冲信号产生，则可判断为 巻布轴电机出现故障，暂停执行床体动作，进行相应的报警提示。这样故障保护就包括了床 体的所有电机，保护措施完善。
电源隔离稳压电路6输出与24V电源隔离的12V和5V直流电压。
图7、图8给出了现有的床体的结构示意图，其中巻布轴电机10分布在床体的两侧，直 流推杆电机11共有7个，其中床体的前后端两侧各有一个，在床体中部分别放置三个。
权利要求
1.一种多功能防褥疮护理床智能控制器，其特征是，它包括控制面板电路、主控制板电路和继电器输出板电路；其中，控制面板电路进行液晶显示和按键操作，向主控制板电路发送操作命令，并回读主控制板电路的动作状态实时显示；主控制板电路通过主控核心电路接收控制面板电路的操作命令，通过输出驱动电路与继电器输出板电路连接；通过信号输入电路进行床体位置检测，保障床体不会因误动作造成损坏；继电器输出板电路接收到输出驱动电路控制信号，通过多电机控制电路控制安装在床体上的多个卷布轴电机和多个直流推杆电机工作；同时多电机运行检测电路和多电机故障检测电路将检测的运行和故障信号送入信号输入电路；控制面板电路和主控制板电路之间通过RS485串行通讯的方式交换信息，组成主从式的控制结构。
2. 如权利要求1所述的多功能防褥疮护理床智能控制器，其特征是，所述控制面板电路 包括单片机UOl、硬件看门狗U02、 RS485串口转换模块U03、液晶显示模块和4*4键盘阵列； 单片机UOl的Pl 口连接4*4键盘阵列进行按键扫描检测；PO 口总线与液晶显示模块的总线 连接，液晶控制信号线接入P2 口；单片机UOl的串行接口 RXD、 TXD接入U03进行RS485 电平转换，由U01的P3.3 口控制发送与接收的切换；硬件看门狗U02完成上电复位和程序运 行监测，在P3.2口不产生喂狗信号2.5秒后发出复位信号，确保U01不死机；控制面板电路 作为主机，根据键盘操作命令向主控制板电路发出动作命令，并连续回读主控制板电路的动 作状态数据，通过液晶显示模块以汉字形式显示。
3. 如权利要求1所述的多功能防褥疮护理床智能控制器，其特征是，所述主控核心电路 包括单片机Ul、硬件看门狗U2、RS485串口转换U3、数据地址锁存器U4、掉电保持RAM U5、 写信号译码器U6和读信号译码器U7; Ul、 U4、 U5组成标准的单片机数据存储器读写电路， U5为内带电池的2K字节不掉电RAM，无写入次数限制，用于保存运行过程中的各种实时状 态数据；硬件看门狗U2完成上电复位和程序运行监测，在Ul的P3.5 口不产生喂狗信号2.5 秒后发出复位信号，确保Ul不死机；Ul的串行接口 RXD、 TXD接入U3进行RS485电平转 换，主控制板电路作为从机^平时工作在接收状态，发送与接收的切换由P3.4控制，接收到 控制面板电路的命令后，执行相应操作并返送状态信息；读信号译码器U7通过地址线和Ul 的RD读信号组合译码，输出8路选通信号，最多可以读取8*8路开关量信号输入；写信号 译码器U6通过地址线和U1的WR信号组合译码，输出4路选通信号，最大可以输出4*8路开关量信号。
4. 如权利要求1所述的多功能防褥疮护理床智能控制器，其特征是，所述信号输入电路 包括两个角度传感器的6路信号，各角度传感器分别安装在床体巻布轴电机上，每个角度传 感器输出表示转动位置的脉冲信号、转向信号和原点信号共3路，两个角度传感器均与锁存 器U10连接，角度传感器每转输出1024个脉冲，脉冲信号脉宽〉80ms， Ul每5ms定时读取 脉冲信号，根据转向信号和原点信号对脉冲数进行加减计数，保存至掉电保持RAM U5中， 从而确定巻布轴位置，并保证了掉电重新上电后U1仍能判定巻布轴位置；信号输入电路还包 括七对行程开关，它们安装在床体的七只电动推杆上，每对行程开关均由一个高位行程开关 和一个低位行程开关组成；各对行程开关与锁存器U8和锁存器U9连接，锁存器U8和锁存 器U9作为输入缓冲，在U1对读译码器U7输出选通信号的控制下，分时读取信号状态；同时直流推杆电机运行信号和故障信号采集装置产生的开关量信号送入锁存器Ull和锁 存器U12, U1通过U11和U12在读译码器U7的选通信号控制下，定时对七路推杆电机的运 行和故障信号进行读取判断。
5. 如权利要求1所述的多功能防褥疮护理床智能控制器，其特征是，所述输出驱动电路 包括9对继电器Kl、 K2的驱动，在2只巻布轴电机和7只直流推杆电机上分别安装一对继电 器；全部继电器由3组驱动电路驱动，每组驱动结构相同并各自驱动7只继电器，每组驱动 电路的输出锁存器锁存信号分别来自写译码器U6的WY0、 WY1、 WY2;其中一组驱动电路的结构包括一个输出锁存器U13、 7路光电耦合器、 一个7路驱动器 U14及相应电阻，Ul发出继电器动作信号，在写译码器U6输出的选通信号WYO控制下，锁 存到U13的输出端，通过光电耦合器将信号传送至24V电源工作的驱动器U14的输入端，经 U14驱动后控制7只继电器动作，电阻RP6为光耦输入限流电阻，电阻RP5、 RP7组成分压电 阻，以使U14的输入高低电平达到规定的电平要求。
6. 如权利要求1所述的多功能防褥疮护理床智能控制器，其特征是，所述多电机控制电 路共有9路，每一路均包括一对继电器K1、 K2，它们切换控制直流推杆电机或巻布轴电机的 正反转进而控制推杆的伸长、缩短和床面的左右移动，继电器K1、 K2的常闭触点互锁连接防 止误动作时造成电源短路；运行检测电路只对推杆电机进行检测，共有7路，每一路均包括串联在直流推杆电机回 路中的二极管D1、 D2,限流电阻R4和光耦U30，电机正常运行时的电流会在Dl、 D2两端 产生压降，经R4限流后可使光耦U30输入端发光，在输出端产生运行信号；若直流推杆电 机运行时没有该运行信号产生，则可以判定为电机回路开路；故障检测电路只对推杆电机进行检测，共有7路，每一路包括串联在电机回路中的自恢复保险丝R3，限流电阻R5和光耦U31,电机运行时电流在正常范围内，R3的阻值很小，产 生的压降也很小，不足以使光耦U31的输入端发光，光耦输出端无信号输出；当电机发生过 载或短路故障时，电流大幅增加，R3的阻值迅速变大，从而在两端产生较大的压降，这一 电压经R5限流后，使光耦U31输入端发光，在输出端产生故障信号；主控制板电路信号输 入电路采集监测这些信号，在判断故障发生后暂停床体执行动作，避免造成床体的损坏，并 将故障信息送至控制面板进行声音报警和LCD故障信息显示。
全文摘要
本发明公开了一种多功能防褥疮护理床智能控制器。它解决目前防褥疮护理床控制装置安全性不好，成本较高，操作不便等问题，具有结构简单，人机界面友好，操作方便，故障保护措施完善，造价低等优点。其结构为控制面板电路进行液晶显示和按键操作处理；主控制板电路通过主控核心电路接收控制面板电路的操作命令，主控制板的输出驱动电路与继电器输出板电路连接；通过信号输入电路进行床体位置检测；继电器输出板电路接收到输出驱动电路控制信号控制电机动作；同时多电机运行检测电路和多电机故障检测电路将检测的运行和故障信号送入信号输入电路；控制面板电路和主控制板电路之间通过RS485串行通讯的方式交换信息，组成主从式的控制结构。
文档编号A61G7/018GK101566832SQ20091001371
公开日2009年10月28日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者侯延进, 立 孙, 崔新雨, 田永春, 明 白, 董红海, 敏 许 申请人:山东省科学院能源研究所