单片机实现洗浴服务机器人的控制系统设计

邵麦顿，姚旭东，张庆华

（1.洛阳理工学院 河南 洛阳 471023；2.洛阳圣瑞机电技术有限公司 河南 洛阳 471000）

目前，中国已经进入了老龄化社会，预计从2020年开始，中国将步入老龄化严重阶段；2050年中国将步入超高老龄化国家行列，60岁以上人口将占到30%左右。全国约有1 400多万老年人将进入老年福利机构养老。特别是对于卧床不能自立的老年人，无论在养老院或家庭，个人卫生护理洗浴都是难题。而最重要的日常护理之一就是洗浴。因此，开发面向家用与医用环境的个人卫生护理机器人，利用智能控制、人机工程学等技术进行设计，实现洗浴过程的自动化显得尤为重要。单片机控制技术作为自动化控制技术的核心之一，采用单片机技术对服务机器人实现洗浴过程的单元模块化控制系统设计，主要实现智能洗浴、洗发、干身、按摩和康复等作用于一体化，设计控制方便，功能强，性能可靠[1-2]。

1 控制系统的工作原理

根据洗浴控制单元的控制功能和要求，设计该洗浴单元控制系统方案原理框图如图1所示。

图1 控制系统原理框图Fig.1 Block diagram of control systems

1）人机界面 各种控制信号命令通过触摸屏输入，触摸屏模块与控制系统主机单元相连接，通过主机控制单元输出各种控制指令，控制单元输出的命令由输出模块输出控制信号。

2）控制系统单元 包括硬件部分和软件部分，是整个洗浴控制单元的核心。接收输入/输出信息，通过软件控制各控制单元执行相应的动作。

3）输出模块 驱动各个输出电磁阀的动作，以及电动机、水泵的运转。

4）传感器模块 用来检测水箱、洗发池、洗浴池的水位，以及水温的温度等，并将检测的信息反馈给其他控制系统单元处理。

整个控制系统包括两大部分：硬件部分和软件部分。硬件是整个系统的基础，以单片机为核心，配以一定的接口电路和软件控制。软件部分充分支持和配合系统的硬件，从而完成系统的各项控制任务。

根据洗浴控制过程要求，设计能够实现其功能，控制系统单元的原理图如图2所示。

图2 控制系统的原理图Fig.2 Schematic diagram of control system

洗浴功能：洗浴单元控制系统开始工作时，安装在水箱中的浸没式加热器开始加热，在加热过程中，通过DS18B20采集水温值，通过触摸屏模块来调节设置温度，通过LCD1602显示出当前的水温和设定的水温值[3]。当达到设定水温时则加热器停止加热。然后由触摸屏按键选择洗发、淋浴和洗浴等工作模式。

1）洗发功能控制 先用调整好温度的水湿润头发，再用混合有洗发液的温水冲洗头发，在温水注入到设定值后，系统自动关闭注入温水和洗发液的阀门，启动循环水装置，在设定的时间内用混合液体反复冲洗头发，洗发过程结束后，自动打开排水阀，排掉污水；同时打开温水进行冲洗，待头发洗干净后，停止冲洗，打开热风吹干头发，结束洗发过程，清理消毒。

2）淋浴功能控制 先调整好水的温度，设置洗浴功能后，系统自动打开浴池上方的电磁阀，同时打开其下面的排水阀，由上下方的喷淋阀对人体进行全面的清洗，清洗干净后，打开具有一定压力的热空气阀门，对洗浴人体进行烘干，烘干结束后，清理消毒。

3）整个洗浴功能控制 当洗浴人进入浴舱后，由监护人员或洗浴者本人盖好浴缸上盖板，启动洗浴按钮，系统自动调整水温，将混合有固定比例沐浴液的合适的温水注入浴缸内，在温水注入到合适水位后，停止进水。系统进入定时泡浴阶段，在浴缸内设置有水的污浊度检测传感器，系统实时检测水的污浊度，通过污浊度检测，自动设定洗浴时间，以适应不同程度的人体洗浴需要。在洗浴效果达到设定值后，放掉洗浴污水，注入干净温水冲洗，冲洗完成后，对洗浴人进行烘干，待人出浴后，对接触人体部分清理消毒。

洗浴和洗发时要根据人体需要，对洗浴液或洗发液与水的混合进行科学配比，并合理控制水温、时间、压力等参数。在整个控制系统中，设置有水温、水位等多项传感器，对于洗浴或洗发全过程要进行实时检测，以防止人身和设备发生意外。

由于输出系统较复杂，输出接口较多，只用51单片机自身的I/O口不够，而且如果单片机接的外设较多，则会使单片机的CPU利用率大大的降低，因此，设计选用了8255A作为输出接口扩展芯片。

2 软件部分

系统采用单片机89C51作为核心控制器，通过硬件电路设计及软件程序编制，设计洗浴单元的控制系统。采用C语言进行程序编制，具有可靠性高、实时性强、简练易于维护，调试方便等优点[4]。

主要实现洗浴功能、洗发功能和淋浴功能3个模块的功能。把3个主模块功能分别用软件编程作为子程序，然后在主程序中根据需要调用各模块。主程序模块主要有初始化模块、温度显示模块、触摸屏子程序模块和报警模块等模块组成。控制主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图Fig.3 Flow chart of the main program

3 系统的抗干扰性和可靠性设计

1）防止射频干扰 由于射频干扰是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体引线或零件引线的感生引起的干扰，所以通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局，来衰减该类干扰电源线或电源内部产生的干扰。通过电源滤波，隔离等硬件措施来抑制该类干扰[5]。

2）提高振荡源的稳定性 主要由起振时间频率稳定度和占空比稳定度决定，起振时间可由电路参数整定等确定。

3）提高软件的抗干扰性和可靠性 在设计中，采用软件消抖动方法。编程时用延时10 ms的延时程序来消抖[6]。由于输出要驱动电磁阀线圈和电机等电感性负载，还有输入传感器的连接，为防止外部射频对它们的干扰，在连接输入/输出驱动时，通过光电耦合器连接，及采取硬件保护及抗干措施，提高可靠性[7-8]。

4 结 论

该系统基于个人卫生护理机器人洗浴过程控制系统的设计，以89C51微型单片机应用系统为控制核心，辅助有温度控制模块，液位检测模块，触摸屏控制模块，电磁阀和电机等输出驱动模块，系统报警模块及水路循环控制等模块组成。控制系统成本低，功能强，降低了洗浴服务机器人产品的整体成本，编程容易方便，其编程程序依据Proteus仿真编写，proteus有编译C语言的能力，软硬件联合仿真系统，利用软件环境和硬件环境的控制界面，利用proteus与keil联合仿真进行调试，调试结果满足该项目的技术指标设计要求，采用微型单片机控制，为其进一步实现洗浴功能的智能化，洗浴控制功能的扩展，提供了技术基础。

[1]桥友一，宗光华.小型机器人的基础技术与制作：挑战RoboCup小型机器人[M].北京：科学出版社，2004.

[2]杭和平.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]陈裕泉，葛文勋.现代传感器原理及应用[M].北京：科学出版社，2007.

[4]孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社.1996.

[5]李东生.Protel 99sE电路设计技术入门与应用[M].1版.北京：电子工业出版社，2002.

[6]裘雪红，李伯成，刘凯.微型计算机原理及接口技术[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[7]宋彩利，孙友仓，吴宏岐，等.单片机原理与C51编程[M].西安：西安交通大学出版社，2008.

[8]Carreira J， Madeira H， Silva J G.Xception：A technique for the experimental evaluation of dependability in modern computers[J].IEEE Transactions on Software Engineering，1998， 24（2）： 125-136.