基于單片機的X射線胃腸診斷床旋轉控制方法研究

張敏燕 王雅楠 李尚

摘 ?要： 本文對X線腸胃診斷床旋轉控制方法進行研究，采用可變差動支點結構實現X線腸胃機診視床在旋轉的同時床體斜向上升，利用單片機控制電機速度，實現床身旋轉過程中床尾不會觸及地面。

關鍵詞： X線胃腸機;可變差動支點;單片機控制

中圖分類號： TP211+.4 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.021

本文著錄格式：張敏燕，王雅楠，李尚，等. 基于單片機的X射線胃腸診斷床旋轉控制方法研究[J]. 軟件，2019，40（4）：100-102

【Abstract】： This paper focuses on studying the control methods of the rotation of X-ray gastrointestinal diagnostic table. In order to avoid the bottom of diagnostic table touching the floor while it is rotating，variable and differential pivot mechanical structure is used to realize the diagnostic table rotatses and rises at the same time， and the rotation rate of electromotor is controlled by single-chip microcomputer.

【Key words】： X-ray gastrointestinal machine; Variable and differential pivot; Single-chip microcomputer

0 ?引言

當前國際各行各業的競爭日趨激烈，而科學技術的迅猛發展起到了強有力的推動作用，一個國家綜合競爭力的提高需要一大批具備創新思維及科研能力的高素質人才。因此，全國各高校都在努力培養既掌握專業知識，又具備較強創新能力的大學生。為此，教育部在“十二五”期間實施國家級大學生創新創業訓練計劃，旨在促進高等院校轉變觀念，改革人才培養模式，培養創新性人才，從而提高國家在國際上的綜合競爭力[1]。

創新訓練項目是本科生個人或團隊，在指導老師的協助下，自主完成創新性研究項目的設計、實施、研究報告撰寫、成果（學術）交流等方面的科學訓練工作[2]。本項目來源于校級大學生創新創業訓練計劃項目，由學生自主組隊、自行選題，在教師的指導下，完成課題申報、設計、樣機加工并撰寫結題報告。

1 ?項目背景

醫用胃腸X射線機用于呼吸系統、消化道系統、泌尿系統、膽道、下肢靜脈、子宮輸卵管等各種造影以及部分介入放射治療，也用于透視下進行骨折復位、取異物等[3-4]。因此，在檢查過程中要求無須病人轉動，即可完成多體位、多角度的觀察、點片，方便醫生的操作。

按照行業標準的規定，診斷床面移動功能包括：床面的升降、縱向移動、橫向移動和轉動，床身轉動范圍為水平方向90°～0°～-25°[5]，要求旋轉過程中床身能自動鎖定[6]，并且床身末端不能“觸地”，才能實現如此大范圍的轉動。

因此，本設計采用可變差動支點的結構，使床面在轉動過程中同時斜向上升，床面旋轉和斜向上升速度按照一定比例差動，保證旋轉過程中床身末端不觸地的實現床身轉動到垂直位置，即90°。

2 ?項目內容

2.1 ?可變差動支點結構設計

圖1為可變差動支點的結構設計圖，圖2為加工模型機，傳動分為如下三個部分：

（1）床面旋轉：小齒輪1與扇形齒輪2嚙合，實現床面轉動。

（2）床面斜向上升：同步帶從動輪8與齒輪3同軸，齒輪3帶動齒條7移動，實現床身斜向上升。

（3）差動的實現：同一個動力源（步進電機）通過蝸桿11帶動渦輪10，渦輪10與小齒輪1同軸，小齒輪1帶動扇形齒輪2，實現床面轉動。同時，同步帶主動輪9與從動輪8直徑大小的不同形成一定的傳動比，達到差動效果。通過合理的速度配比，同步帶從動輪8帶動齒輪3、齒條7，使床面在轉動的同時斜向上升，保證轉動過程中床尾始終不會碰到地面。

2.2 ?差動比計算

扇形齒輪的旋轉角速度與床面移動速度配比合適才能實現床身旋轉過程中床身末端不觸地，因此必須嚴格計算差動比。

其中ν為床面移動速度，ω為扇形齒輪2角速度，r為齒輪3的半徑，r1為同步帶主動輪9直徑， n1為扇形齒輪2齒數，r2為同步帶從動輪8直徑，n2為小齒輪1齒數。

2.3 ?電機選型

步進電機是醫療設備中廣泛使用的一種電機，又被稱為脈沖電動機或者階躍電動機，其工作原理是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移[8]。在控制中，可以利用輸入電脈沖的頻率、數量和各相繞組的通電順序來精確控制電機的啟停、轉速、轉向和定位，幾乎不受電壓和環境溫度等影響，并且誤差小[9]。

經過計算選型[10-11]，本設計選擇J-5718HB5401型步進電機和DM542電機驅動器，步進電機的扭矩為3.1 N·m，足以平穩驅動模型。

2.4 ?單片機控制

基于單片機的步進電機控制系統在各個領域得到了廣泛應用，并且特別適合要求性能穩定、誤差率低、響應迅速、運行時噪音小、具有較長的使用壽命以及能輸出較大扭矩的場合[12]。

本文設計了基于STC89C51單片機的步進電機控制系統，軟件系統采用Keil編寫[13]，系統由初始化模塊、按鍵模塊、步進電機控制模塊等幾個部分組成。經過調試，電機驅動器正常工作，電機轉速平穩可控，達到預期效果。

由于醫療器械大多采用常開按鍵，因此系統設計為：按下右鍵電機正轉實現床體順時針旋轉;按下左鍵電機反轉實現床體逆時針旋轉。按鍵松開則停止旋轉，床身可以停止在任意位置，實現多體位檢查。

程序控制時，首先掃描按鍵輸出端，檢測是否有按鍵動作發生，如果沒有按鍵動作發生，則電機不工作。在程序中，還加入消抖功能，當檢測到輸入時，運行延時函數，接著再次對按鍵輸端進行掃描，如果仍能檢測到輸入，則說明真的有按鍵動作發生，否則按鍵輸出是由抖動產生，最后將所確認的按鍵輸出反饋給主程序。

主程序檢測到有按鍵發生，則判斷是左鍵還是右鍵，無論是哪個鍵按下，都會通過控制輸出端的高電平和低電平，輸出一定頻率的脈沖波，從而實現電機轉速和正反轉控制[14-15]。單片機控制流程如圖3所示。

單片機控制部分程序代碼如下：

sbit left_button = P3 ^ 0;

sbit right_button = P3 ^ 1; /*定義按鍵端口*/

sbit left_flag = P2 ^ 0;

sbit right_flag = P2 ^ 1; /*定義指示燈輸出端口。在此，Flag變量均為指示燈*/

sbit out = P1 ^ 2;

sbit dir = P1 ^ 3; /*定義轉動脈沖方向，脈沖輸出端口*/

unsigned int temp1 = 0;

unsigned int i = 0;

void main（）

{

dir = 1;

for （;;）

{

/*檢查按鍵是否按下*/

temp1 = left_button;

delay（1）; /*防止輕觸按鍵抖動誤動作*/

if （temp1 == left_button）

{

dir = 1;

left_flag = 0;

while （left_button ！= 1）

{

out = 1;

delay（1）;

out = 0;

delay（1）;

}

left_flag = 1;

}

temp1 = 0;

temp1 = right_button;

delay（1）;

if （temp1 == right_button）

{

dir = 0;

right_flag = 0;

while （right_button ！= 1）

{

out = 1;

delay（1）;

out = 0;

delay（1）;

}

right_flag = 1;

}

temp1 = 0;

}

}

3 ?結束語

本項目設計了X線胃腸診視床機差動可變支點的機械傳動結構，設計了步進電機控制硬件電路，軟件編程對步進電機轉速、轉向和停止進行精確控制，實現了對X線機診視床實時、精確的控制，該系統運行平穩、噪聲小、傳動精度高，在檢查過程中，床身可以做到接近垂直，病人可以直接隨著床板運動，方便醫護人員操作。

通過對本項目的研究，參加項目學生的創新意識、自主學習能力、團隊合作精神、解決實際問題的能力和科研能力都有較大程度的提高。

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