0 引言

    牙医综合治疗椅是用于治疗口腔疾病的主要设备^[1]，在口腔疾病的诊疗过程中起着至关重要的作用。随着人们生活水平的提高，对牙齿健康的要求也越来越高，从而导致口腔就诊的患者日益增多，这极大地促进了牙医综合治疗椅的市场需求^[2]。但目前国产的牙医综合治疗椅由于控制系统性能不稳定、人机交互能力差、整合度低等原因^[3]导致市场占有率很低，国内市场仍以国外产品为主，可以说控制系统设计的不足严重制约了国产牙医综合治疗椅的发展。因此，一款性能稳定、自动化程度高、人机交互能力好的牙医综合治疗椅控制系统无疑具有很大的市场空间。

    本文设计了基于STM32的主从式通信模式的控制系统，借助高性能的STM32F105VCT6芯片实现对各执行机构和检测芯片的控制，通过RS-485总线多机通信协议协调主从机间的工作，在简化系统硬件结构的同时，也提高了系统的整合度，并且控制系统采用液晶屏实时显示系统运行状态，具有良好的人机交互能力。

1 系统总体设计与工作原理

    该控制系统主要由主控系统、主控按键面板、副控按键面板、电源模块组成，控制系统的总体结构如图1所示。其中主控系统由STM32F105VCT6芯片、继电器控制电路、检测电路、控制电路、485电路、报警电路、液晶屏组成；主控按键面板、副控按键面板均由STC89C52芯片、矩阵键盘、指示灯、RS485电路组成；电源模块经过整流、滤波和多级稳压芯片后为控制系统提供24V、5V、3.3V的直流电。主控系统中执行机构为功能实现机构，包括：强吸、弱吸、供水、冲痰电磁阀，靠背、椅架电机，观片灯、口腔灯。检测电路用于检测执行机构的运行数据，并反馈给STM32芯片，便于分析系统运行状态，包括：热水器温控传感器、供水感应传感器、安全位置传感器、限位传感器、倾角传感器。控制电路为部分执行机构和功能的控制开关，包括：机椅互锁微动开关、强吸微动开关、弱吸微动开关、四向脚控。

    系统运行时，通过主、副控按键面板上的按键即可实现各功能的控制及相应参数的设置，系统运行状态由传感器检测并反馈给主控系统，通过液晶屏实时显示。而具体的控制和设置命令由主、副控按键面板的控制芯片根据用户在按键面板上的操作自动生成，并将命令通过总线发送至主控制器，主控制器对命令进行处理，生成相应的操作信息。若为控制命令，则通过控制继电器控制电路中继电器的开闭控制执行机构运行，实现所需的功能要求；若为参数设置命令，则设置对应执行机构达到功能要求时的参数。

2 硬件设计

2.1 控制芯片选择

    整个控制系统的控制芯片包括主控系统的主控芯片和主、副控按键面板的按键控制芯片，其中按键控制芯片只需驱动由其端口组成的矩阵键盘以及支持485通信即可，所需功能要求比较简单，且主、副控按键面板除了使用者不同外，并无其他区别，因此都选用常用的STC89C52单片机。而主控系统的主控芯片所要控制的机构较多，要实现的功能较复杂，且为了简化系统硬件结构最好自带A/D转换，显然普通的51单片机无法满足要求，因此选用意法半导体公司生产的基于Cortex-M3内核的STM32F105VCT6芯片，该芯片具有100个通用I/O口、2个12 bit的ADC以及支持SPI、CAN等多个通信接口，完全满足功能要求。

2.2 电源模块设计

    电源模块用于给整个控制系统供电，输入电源为24 V的交流电，经过整流桥KBU1510整流、滤波、LM7824稳压芯片稳压之后产生24 V直流电为执行机构供电，通过LM2576s-5.0稳压芯片产生5 V直流电为主、副控按键面板及传感器、继电器等供电，通过AMS1117-3.3稳压芯片产生3.3 V直流电为STM32芯片供电。控制系统电源模块电路原理图如图2所示。

    为了提高电源模块的抗干扰能力，在每个稳压芯片的输入输出端均接有滤波电容组，每组由一大一小数量级相差至少两级以上的电容并联而成，且输入端电源为24 V的交流电，为了滤除输入电源的共模干扰信号，在输入端设计了一个Y电容，即图2中的C1、C2。

2.3 继电器控制电路

    继电器控制电路用于控制各执行机构的运行，以实现相应的功能要求，其中继电器控制电路中的继电器的开闭由STM32的GPIO口通过ULN2003D驱动。而继电器控制电路原理基本相同，GPIO口低电平时，继电器闭合，同时继电器工作指示灯亮。因此这里以椅架电机的继电器控制电路为例，由于要控制椅架电机的正反转，通过两个继电器实现这一功能要求。具体电路原理图如图3所示。

2.4 执行机构和传感器的选型

    执行机构为功能实现机构，为了简化电源模块的设计，在选型时尽量选用供电电压相同的，其中靠背电机和椅架电机用于控制靠背和椅架的运动，要求运行稳定、力矩大，选用额定转速为30 rpm、额定力矩为30 kg·cm的24 V直流电机，电磁阀选用24 V常闭型电磁阀，观片灯选用牙医专用的24 V供电的低压观片灯，热水器选用24 VAC供电的牙医椅专用的热水器。

    传感器用于检测系统运行时执行机构的运行数据并反馈给STM32芯片，便于监测系统运行状态，其中安全位置传感器和限位传感器均选用漫反射型的红外光电接近开关，用于限定牙医综合治疗椅运动的极限位置，其工作时会发出不可见的红外光，当靠背和椅架运动到开关位置时，光线被物体表面反射回接收器，传感器便有信号输出，STM32根据传感器的输出信号判断是否到达极限位置。热水器温控传感器选用常用的太阳能热水器中2芯的水温水位传感器，在检测水温的同时也可检测热水器中的水位，同时为保安全使用常闭型温控开关，当热水器温度过高时自动断开，停止加热。供水感应传感器采用液体流量传感器，用于检测供水功能开始时供水流量。倾角传感器用于检测靠背和椅架的位置，由于STM32芯片的ADC模拟量输入通道幅值和工作电压范围均为0 V～3.3 V，因此选用信号输出为0 V～3.3 V的三轴倾角传感器MMA7361。而其他传感器通过电阻分压方式将0 V～5 V的输出信号转为STM32芯片支持的0 V～2.5 V信号。

3 系统软件设计

3.1 主从机通信协议设计

    主从机之间的通信采用9位异步通信方式，第9位为通信数据和地址数据的标志位。若第9位为1，表示后面8位数据代表地址数据，即从机地址；若第9位为0，表示后面8位数据代表的是通信数据。且为避免总线冲突，主从机之间的数据传输由主机控制，从机不主动向主机发送数据，只有主机轮询到从机时才将数据发送至主机，且从机之间不进行数据传输。

    工作时主从机之间采用握手和应答方式确保通信可靠。主机首先向从机发送握手信号（即地址数据），从机接收到握手信号后，判定是否要进行通信，如果是则发送回应，此时通信连接建立，主从机之间开始交换数据，完成后，断开连接，通信结束。若主机发送握手信号后，从机在指定的时间内没有应答，则认为此次通信失败，自动结束与该从机的通信。

3.2 参数设置程序设计

    参数设置主要用于设置对应执行机构达到功能要求时的参数，主要包括：供水量、冲痰时间、热水器加热温度以及靠背和椅架运动极限位置。参数设置时先按下设置键，再按下对应执行机构的功能按键，即可进入该执行机构运行参数的设置模式，通过参数调整按键来调整参数值。当参数设置完成后，再次按下设置键即可保存设置。若参数设置期间按下任意功能控制按键，则参数设置无效，参数值为设置前的参数；若按下复位键，则参数变为系统初始参数，并退出参数设置程序。参数设计程序流程如图4所示。

    在参数设置时，所有执行机构均停止工作，并且设置参数的从机与主机一直保持通信，直到按下设置键或复位键以及功能按键时才断开通信。

3.3 功能控制程序设计

    功能控制主要根据与执行机构对应的传感器检测到的数据和设置的执行机构运行参数，通过继电器电路控制对应执行机构的运行状态，包括：靠背和椅架的上升和下降、热水器加热、供水和冲痰等，并将执行机构运行数据和结果通过液晶屏实时显示。当系统运行出错时，会通过报警电路提示，并通过液晶屏显示具体错误信息，方便实时掌控系统状态。功能控制程序流程如图5所示。

4 系统测试

4.1 开机自检测试

    开机自检主要用于检测系统开机运行时各个功能模块和执行机构是否处于正常工作状态，包括：主控按键面板、副控按键面板、主控系统中控制电路模块中各个开关及执行机构模块中各个执行机构。如果某一个未处于正常开机状态，通过液晶屏显示其对应的故障代码，图6所示为主、副控按键面板在开机时均未与主控系统连接时出现的错误代码。

4.2 通信测试

    系统运行时主控系统会与按键面板之间建立通信，之后按键面板将检测到的键值发送给主控系统。若按键面板无按键按下，则会向主控系统发送数据48，主控系统会根据接收到的键值控制指示灯的状态实现相应的功能；如果接收到数据48，则表示按键面板无按键按下，指示灯会亮；若接收到的数据非48，则表明按键面板有按键按下，指示灯会熄灭，主控系统执行相应的功能。经实验测试，控制系统采用的主从机通信协议性能稳定，可以很好地满足实际功能需求。

5 结束语

    本文设计了一种基于STM32的牙医综合治疗椅控制系统，通过高性能的STM32芯片和基于RS485总线的主从式系统结构，在简化系统硬件结构的同时，也提高了系统整合度和可扩展性。实际应用表明，该牙医综合治疗椅控制系统运行稳定可靠，自动化程度高，人机交互能力强，有着广阔的应用前景。

参考文献

[1] 徐志虎.基于多单片机的牙科综合治疗台控制系统开发[D].上海：东华大学，2011.

[2] 贾乔洁.牙医综合治疗机设计[J].美术大观，2013(2).

[3] 沈燕飞.RYY_E型医疗设备控制系统开发[D].杭州：浙江大学，2003.

作者信息：

许新建，文国军，王玉丹，胡自飞

（中国地质大学（武汉） 机械与电子信息学院，湖北 武汉430074）