CN104571059A - 一种医用划板机自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种医用划板机自动控制系统，包括主控制器，所述主控制器与存储装置通信，位置传感器将检测的信号通过光电隔离电路处理后再经过电平转换及缓冲部分传送至主控制器，主控制器根据位置传感器将检测的信号输出对应的控制信号，控制信号依次通过电平转换及缓冲部分及光电隔离电路传送至对应的减速电机驱动电路、电磁阀驱动电路及步进电机驱动电路。医用划板机自动控制系统取代了传统的人工操作，真正实现无菌操作，大大减少了医务人员感染病毒的几率，并在划线等重要环节上避免了由于各人操作习惯和规范的不同而带来的不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种医用划板机自动控制系统。
背景技术
医用划板机是将病人的尿液、痰液等物理样本取样并选择对应的培养基，并在培养基里面按照不同方式划线培养，然后将结果进行分析化验来确定哪种抗生素对于病人最有效的一种仪器。国内对于此种样本的分析大多还是采用人工取样划线并培养的方式。人工操作存在着步骤繁琐且精度不够的缺点。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种医用划板机自动控制系统，本发明具有自动化程度高，数据接口丰富，控制精度高等优点，从而避免了人工操作带来的误差以及操作人员感染细菌的几率。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种医用划板机自动控制系统，包括主控制器，所述主控制器与存储装置通信，位置传感器将检测的信号通过光电隔离电路处理后再经过电平转换及缓冲部分传送至主控制器，主控制器根据位置传感器将检测的信号输出对应的控制信号，控制信号依次通过电平转换及缓冲部分及光电隔离电路传送至对应的减速电机驱动电路、电磁阀驱动电路及步进电机驱动电路。
所述存储装置包括一片铁电存储器和一片Flash存储器，用来存储样本的各种信息和设定的参数。
所述串口驱动电路包括RS485电路及RS232电路，所述RS485电路及RS232电路采用高速光耦6N137来做隔离。
所述主控制器还通过光电隔离电路及串口驱动电路分别与触摸屏、扫码器、RFID读卡器及上位机通信。
所述扫码器用于对样本的条形码进行扫描，在扫描到两个不同的码以后自动关闭并将参数通过串口传输到主控制器内进行处理。
所述RFID读卡器用于对磁卡进行扣费和充值，每用完一个培养皿则扣款一次，RFID读卡器通过串口来与主控制器交换数据，并设置相应的管理员权限实现充值功能。
所述电平转换及缓冲部分采用74hc4245芯片，将3.3v电平转为5v电平。
所述触摸屏和上位机连接采用MODBUS RTU协议，触摸屏作为主机，定时向主控制器发送命令，主控制器根据发送的命令进行应答，根据相应的地址将数据发送到触摸屏中显示。
所述位置传感器采用调制解调的策略，利用LM567芯片发出一个KHz的调制波形，只有LM567芯片接收端接收到频率相同的信号时才认为检测到有效的位置，电阻R10为电位计，通过调节R10调节限位开关感应的范围，DS1，DS2为指示灯，在板子的正反面各排一个。
所述硬件功能如下：触摸屏用来设定划线方式、执行充值操作、设定限位开关修正值以及显示各执行机构当前位置和状态。扫码器用来获取当前样本的信息，连续扫描到两个不同的码后结束，一个是医院定义的病人信息码，一个是样本信息码。经分析后来判断样本的类型以及所需培养皿的种类以及划线方式。RFID组件是用来对本划板机使用次数进行授权，只有用户购买了一定次数的权限后才允许使用，每处理完一个样品权限减一，直到权限为零则禁止使用。此功能方便供应商对客户培养皿的进货渠道进行管理。上位机每隔一定的时段向控制器召唤数据，将控制器存储的样本信息传到医院的数据库进行归档。限位开关的功能是用来对各个执行机构进行定位，是执行机构能可靠动作的主要保障。控制器通过控制步进电机驱动需要精准定位、频繁正反转或者不方便装设限位开关的设备，例如用于划线电机、样品输送电机、培养皿取样电机等设备。减速电机用来驱动力矩要求较大或者不需要准确定位的设备，例如开盖器、扫码旋转器以及成品输送器等。电磁阀用来控制样本的夹持、升降以及培养皿挡片升降等装置。
主控制器采用ARM系列单片机，实现程序的自动运行以及提供与其它外围器件联接的各种接口。存储器包括一片铁电存储器和一片Flash存储器，用来存储样本的各种信息和设定的参数，可以存储约三年的测试数据，以便上位机进行采集归档。串口驱动是将单片机的TTL电平转为抗干扰能力更强，更适合远距离传输的RS232及RS485电平，以方便与外部设备对接。触摸屏采用串口与控制器联接，实现过程参数的显示及设置，并画出简单的流程图以便操作人员更加直观的了解整个设备。扫码器实现了对样本的两个条形码进行扫描，在扫描到两个不同的码以后自动关闭并将参数通过串口传输到主控制器内进行处理。RFID读卡器可以对磁卡进行扣费和充值，每用完一个培养皿则扣款一次，以便于商家掌握培养皿的进货渠道。RFID通过串口来与主控制器交换数据，并设置相应的管理员权限实现充值功能。上位机即医院用的电脑，通过串口与控制器联接，实现数据的采集和归档。由于主控制器有一定的存储空间，因此上位机不必一直在线，可以间隔数月读取数据一次。电平转换及缓冲部分用来将单片机I/O口的3.3V电平转为5V电平，并增大了电流驱动能力，以保证在外部器件引入故障的时候不烧毁单片机，保证了系统稳定的运行。光电隔离部分是将内外2个5V的电源通过光藕分割开，使两个电源互相独立，使外部电感设备运行带来的电压冲击和外部故障引来的高电压不会影响到内部控制器的正常运行。减速电机及电磁阀的驱动部分是将控制器控制信号进行放大，从而有足够的驱动能力来控制相关减速电机的启停以及电磁阀的开关。步进电机启动部分是将控制器发出的步进电机脉冲信号和方向及使能信号放大，用于控制步进电机的正反转，有无伴流以及准确的步数定位。位置传感器是用来确定各个步进电机的初始位置以及执行位置。由于步进电机可能存在丢步的现象，因此在方便安装之处都用位置传感器来定位，尽量不用步进电机定步数来确定位置，这样可以最大限度的保证系统的稳定性和可靠性。
本发明具有如下有益效果：
本医用划板机自动控制系统取代了传统的人工操作，真正实现无菌操作，大大减少了医务人员感染病毒的几率，并在划线等重要环节上避免了由于各人操作习惯和规范的不同而带来的不利影响。
附图说明
图1是本发明的硬件系统构成图；
图2(a)-图2(c)是本发明的串口驱动部分硬件原理图；
图3为带调制的限位开关硬件原理图；
图4为对射式限位开关硬件原理图；
图中：1、主控制器；2、存储装置；3、串口驱动电路；4、触摸屏；5、扫码器；6、RFID读卡器；7、上位机；8、电平转换及缓冲部分；9、光电隔离部分；10、减速电机驱动；11、电磁阀驱动；12、步进电机驱动；13、位置传感器。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明以ARM系列高性能单片机为核心将所有外围器件联接起来，使系统的处理速度快，精度提高，并拥有丰富的串口资源方便与外部设备通讯。同时采用工业级的驱动及隔离技术，是抗干扰能力的到了大幅提高。采用大容量存储设备，延长了数据保持的时间，在医院网络长期繁忙的极端情况下仍然保证数据不丢失。
本发明主要介绍了通过单片机以及外围配套器件来实现划板机的控制，并对系统的硬件部分进行详细说明。一种医用划板机自动控制系统，包括主控制器1、存储装置2、串口驱动电路3、触摸屏4、扫码器5、RFID读卡器6、上位机7、电平转换及缓冲部分8、光电隔离部分9、减速电机驱动10及电磁阀驱动11部分、步进电机驱动12和位置传感器13。
图1所示主控制器1采用STM32F407内核为ARM 32位的Cortex(TM)-M4CPU，最高168MHz工作频率,3个12位A/D模数转换器，1μs转换时间(多达24个输入通道)，2通道12位D/A转换器、12通道DMA控制器，多达140个I/O端口具有中断功能，136个快速I/O高达84MHz，138个5V容限I/O，17个定时器，2个看门狗，15个通信接口，3个I2C接口，3个SPI接口,5个USART接口支持ISO 7816，如此强大的片内资源能充分满足对于外部接口及控制实时性要求较高的划板机的要求。
存储装置2采用W25X16，是华邦的一款容量为16M-bit的FLASH存储器，通过SPI口与单片机相连，可以快速的实现大容量的数据存储。由于划板机需要存储1年的用户数据，按照每天做200个样本，每个样本需要20byte的存储空间，这样一天的数据量为200*20byte。而W25X16每页的存储量为4096byte，刚好一天占一页，查询的时候只需要按照日期对应的某一页查询即可。需要注意的是，W25X16是一款FLASH芯片，所以写入数据前必须先擦除，也就是说此芯片只能置零不能置一，所以每天写入之前都要对当天对应的存储页擦除，然后再进行写操作。
串口驱动电路3详细硬件图见图2(a)-(c)，因为需要和4个外围设备通讯，担心外部设备若有故障会影响内部芯片的正常工作，因此采用了高速光耦6N137来做隔离。与触摸屏4和上位机7联接采用MODBUS RTU协议，触摸屏4作为主机，定时向控制器发送命令，控制器根据发送的命令进行应答，根据相应的地址将数据发送到触摸屏中显示。在后期处理过程中，有可能会将前处理后处理一起通过触摸屏4控制，这样软件利用MODBUS可以方便的进行子网的扩展，硬件上采用232转484转换器开扩展。与扫码器5和IFRD6通讯都采用器件各自的自定义协议。电平转换及缓冲部分8采用74hc4245芯片，将3.3v电平转为5v电平，增加驱动能力，保护内部电路。光电隔离部分9采用PC817作为普通隔离，采用6N137作为串口通讯高速隔离，将内外两个电源分开，增加抗干扰能力，降低故障率。减速电机驱动10和电磁阀驱动11采用继电器驱动方式，继电器虽然有寿命限制，但是其耐冲击性和故障率是电子开关管无法比拟的，鉴于本发明并无频繁动作的部件，因此继电器完全符合要求。继电器触点采用续流二极管和RC吸收电路双重保护。步进电机驱动12将控制器发出的脉冲信号以及方向信号经过放大后与步进电机控制器连接，实现对本发明所用的步进电机进行驱动。
如图2(a)所示，本电路是串口电平转换电路，分为两组，将串口RS232信号(1IN、1OUT、2IN、2OUT)与TTL(1TX、1RX、2TX、2RX)信号双向转换。
如图2(b)所示，本电路利用高速光耦6N137实现内外5v的TTL信号相互转换，将外部5v经串口电平转换电路输入的TTL信号1RX转换为内部5v供CPU使用的TTL信号1RXN。
如图2(c)所示，本电路利用高速光耦6N137实现内外5v的TTL信号相互转换，将CPU提供的内部5v信号1TXN外部5v经串口电平转换电路输入的TTL信号1RX转换为内部5v供CPU使用的TTL信号1RXN。
如图3所示，带调制的限位开关硬件原理图，本电路通过LM567发出调制脉冲，经三极管Q1放大后驱动光电传感器的发光管，当有物体遮挡以后接收端会接收到一个与调制频率一致的脉冲信号，经运放LM741放大以后进入LM567解调，当两者频率一致则使LM567的8脚输出低电平提供信号。
如图4所示，本电路由于是对射式，不存在外界的干扰，因此采用5v不经调制直接驱动发光管。正常状态下传感器导通，VO+输出0v信号。当遇到遮挡物，VO+被拉高输出+5v信号。VO+与经电阻分压的VO-通过LM393进行比较，输出的信号即实际位置信号。
位置传感器13分为反射式(图3)和对射式如(图4)两种；由于反射式限位开关容易受到外界如灯光太阳光的干扰误动作，因此在硬件设计上本申请采用调制解调的策略，利用LM567发出一个KHz的调制波形，只有LM567接收端接收到频率相同的信号时才认为检测到有效的位置，对于外界干扰有很好的屏蔽作用。电阻R10为电位计，通过调节R10可以调节限位开关感应的范围。DS1，DS2为指示灯，在板子的正反面各排一个，由于限位开关的安装方式不统一，这样可以保证从各个位置都能方便的观察到限位开关动作情况。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种医用划板机自动控制系统，其特征是，包括主控制器，所述主控制器与存储装置通信，位置传感器将检测的信号通过光电隔离电路处理后再经过电平转换及缓冲部分传送至主控制器，主控制器根据位置传感器将检测的信号输出对应的控制信号，控制信号依次通过电平转换及缓冲部分及光电隔离电路传送至对应的减速电机驱动电路、电磁阀驱动电路及步进电机驱动电路。
2.如权利要求1所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述存储装置包括一片铁电存储器和一片Flash存储器，用来存储样本的各种信息和设定的参数。
3.如权利要求1所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述串口驱动电路包括RS485电路及RS232电路，所述RS485电路及RS232电路采用高速光耦6N137来做隔离。
4.如权利要求1所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述主控制器还通过光电隔离电路及串口驱动电路分别与触摸屏、扫码器、RFID读卡器及上位机通信。
5.如权利要求4所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述扫码器用于对样本的条形码进行扫描，在扫描到两个不同的码以后自动关闭并将参数通过串口传输到主控制器内进行处理。
6.如权利要求4所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述RFID读卡器用于对磁卡进行扣费和充值，每用完一个培养皿则扣款一次，RFID读卡器通过串口来与主控制器交换数据，并设置相应的管理员权限实现充值功能。
7.如权利要求1所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述电平转换及缓冲部分采用74hc4245芯片，将3.3v电平转为5v电平。
8.如权利要求4所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述触摸屏和上位机连接采用MODBUS RTU协议，触摸屏作为主机，定时向主控制器发送命令，主控制器根据发送的命令进行应答，根据相应的地址将数据发送到触摸屏中显示。
9.如权利要求1所述的一种医用划板机自动控制系统，其特征是，所述位置传感器采用调制解调的策略，利用LM567芯片发出一个KHz的调制波形，只有LM567芯片接收端接收到频率相同的信号时才认为检测到有效的位置，电阻R10为电位计，通过调节R10调节限位开关感应的范围，DS1，DS2为指示灯，在板子的正反面各排一个。
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