基于STM32与机智云的智能蜡疗机

时间：2022-08-21 08:30:01 二极管sp3100的参数电容交互一体机 sp温度继电器 2mb02耦合继电器

摘要: 随着物理疗法在慢性病治疗中的作用得到认可，医院理疗科广泛使用传统的石蜡疗法。虽然蜡疗机的制蜡方法已经成熟，但仍存在制蜡效率低、功耗大、智能不足等问题，因此，有必要研究蜡疗机的制蜡效率和智能化程度。STM以32 微控制器为核心，结合G510通信模块, 优化蜡疗机硬件系统设计；通过智能云物联网开发技术，控制和通信蜡疗机。

试验结果表明，与现有产品相比，该系统减少了制蜡时间和蜡疗机的功耗，蜡疗机蜡疗机的物联网控制。本研究为进一步提高蜡疗机的功效提供了设备基础，积极促进蜡疗机的广泛应用，对今后用石蜡疗法挖掘和应用理疗大数据具有重要意义。

0 引言

经过优化, 融蜡与保温相结合，设计了自动化一体机，具有融蜡和蜡饼保温功能[3- 5]。它不仅大大降低了主观因素对制蜡过程的影响，而且在蜡饼成型的过程中使用了带温度传感器的可调温恒温箱, 使用时可准确设置蜡饼的温度，提高热疗效果。但蜡饼成型过程耗时过长，严重降低蜡疗机的工作效率和性价比，不支持远程无线控制，也不能支持融入物联网，为大规模应用和医疗大数据提供支持.

因此, 本设计基于当前流行的智能蜡疗机，恒温箱侧门通过智能控制开闭，减少液体蜡饼成型时间，降低功耗；增加物联网模块，并利用智能云开发平台开发移动客户端控制程序，支持远程控制、显示和云数据存储和共享。

1总体设计方案

本设计主要由熔蜡箱、注蜡系统、恒温箱、控制系统组成。熔蜡箱是将固体蜡融化为液体蜡的地方，采用水融蜡原理，下部的加热棒通过加热熔蜡箱下部的水，慢慢融化与水接触的蜡。水融蜡方式不仅可以增加医用石蜡的使用寿命, 而且可以防止石蜡燃烧等事故发生[7]，因为加热棒直接加热固体蜡导致局部高温。该系统主要由杂物过滤器、推杆电机、注蜡管和开关阀组成。

注蜡阶段，液体蜡通过杂物过滤器进入注蜡管，并通过打开的注蜡阀门流入相应的蜡盘内。恒温箱是医用石蜡从液体凝固到体温略高于人体温且具有塑料固体石蜡的地方。熔蜡过程结束后，注蜡前，该系统将恒温箱提升到59 ℃左右, 防止盘中凝蜡和蜡在注蜡管中溢出[8]。控制系统由传感器、控制板、工业屏幕和控制输出组成。通过接收温度传感器、水位报警传感器、开/关门检测传感器的信号，微控制器判断当前设备的运行状态，并做出相应的决策。

如图1所示。

图1 整个系统框图

2硬件电路设计

智能蜡疗机的硬件电路主要由智能蜡疗机组成STM32最小系统、电压变换电路、数据存储电路、温度传感器、水位/开门/关门检测器、输出控制器电路和TTL-由485信号转换电路组成。

2.1 控制电路设计

主控电路由以STM32F103C8T核心微控制器和**电路构成。该控制器是基于的ARM Cortex- M 内核STM32系列32位微控制器，程序存储容量为64KB, 工作电压为2~3.6 V, 可在-40～85 ℃在温度下工作[9- 10]。其具有33个I/O接口和3个USART通信接口, 连传感器、控制器和G需要510通信模块。

2.2供电电路设计

考虑到侧门开关和注蜡阀的推杆电机是24 V供电, 所以系统采用24 V供电, 并通过降压得到12 V、5 V和3.3 V, 以满足触摸屏和不同芯片的电压需求。其中, 24 V转12 V3.采用降压芯片 A电流输出降压开关集成稳压电路LM2576- 12 V。由芯片、电容和电感组成的降压电路产生的12 V电压能满足工业触摸屏供电的要求。12 V转5 V降压芯片采用输出1 A集成稳压芯片LM4805。5 V转3.3 V采用AMS1117- 3.3 V正向低压降压器。如图2所示。

图2 供电电路设计图

2.3传感器检测水位/开/关

水溶蜡原理用于智能蜡疗机的融蜡过程，当融蜡箱含水量较少时，局部温度达到蜡燃点可能会导致火灾的严重后果，因此，有必要对蜡箱设置最低水位报警。开门/关门检测传感器可以检测运行中侧门的开关状态，判断部分运行故障。水位检测传感器信号接收电路如图3所示。

当水位低于最低报警刻度时，传感器输入信号线和输出信号线，光电耦合器发射管工作使接收二极管导通，微控制器的PB5端口电位降低，触发相应的外部中断，提醒熔蜡箱缺水并报警。开/关门检测传感器采用限位开关检测侧门的开关状态。侧门打开/关闭时，触摸相应的限位开关并导通，其信号接收原理与水位信号接收原理一致。

图3 水位检测传感器信号接收电路

2.4 数据存储电路

本设计添加数据存储电路, 对融蜡温度、注蜡盘数、注蜡时间等设置值进行保存, 从而避免每次关机后设置内容丢失。数据存储芯片采用串行Flash存储器W25Q128BV。该芯片具有引脚少、功耗低、存储字节多、传输速度快和存储灵活的优点, 可以实现蜡疗机在使用过程中对各种数据的存储记忆功能。

2.5 输出控制电路设计

输出控制电路由控制电路和被控制电路组成。工作时, 微控制器相应I/O口输出低、高电平控制光电耦合器开、关, 继而控制继电器接入电压24 V、0 V, 使输出端衔铁与铁芯吸合、断开, 从而加热棒、风扇电机或推杆电机两端存在、失去电压, 进而开始、停止工作。

2.6 TTL-RS-485信号转换电路设计

RS-485串行总线标准采用平衡发送和差分接收的传输方式与工业触摸屏进行数据交换。该通信协议可以显著提高传输信号抑制共模干扰的能力。SP3485是一款低功耗半双工收发器, 具有数据传输速度高 (10 Mbit/s) 、驱动能力强、输入灵敏度低 (±200 mV) 的优点, 可以完全满足RS-485串行协议的要求。

2.7 G510无线传输接口电路设计

G510通信模块组成的电路能够被任何需要通过蜂窝网络进行语音通话或数据传输的系统或者产品集成。其GSM支持四频 850/900/1 800/1 900 MHz, GPRS 支持Class 10[11]。本设计采用G510模块进行无线通信, 能够对智能蜡疗机进行提升, 使之从一个独立的产品, 成为接入智能物联网进行云互联的智能终端。

3 软件开发设计

软件开发分为设备端、手机客户端开发两部分。设备端程序又分为工业触摸屏驱动控制与内存保护单元控制两部分。其中, 工业触摸屏和手机客户端部分主要实现人机交互, STM32微控制器程序部分执行命令并将各种运行参数传输到工业触摸屏和手机客户端。

3.1 手机客户端程序开发

本文使用机智云APP作为客户端调试工具。该工具是机智云物联网开发平台提供的全球首款物联网 (Internet of things, IoT) 设备通用调试工具[12]。本文通过例化初始化模块、用户模块、配置模块、设备列表模块和控制模块这五个模块不仅实现了需要的功能, 并且实现了智能蜡疗机控制、运行数据云端保存的功能。

3.2 工业触摸屏驱动程序与STM32微控制器程序

工业触摸屏是进行人机交互的方式之一, 主要用于显示蜡疗机工作运行状态、更改各项运行参数和启动相应的工作模式。本文采用北京迪文科技有限公司研发的基于K600+内核所设计的智能型、图形界面、人机系统软件DGUS的工业触摸屏。该工业触摸屏有56 KB变量空间、8通道曲线趋势图寄存器、156 B配置寄存器控件、256 MB的Flash存储器、任意多的触控控件, 不仅可以实现变量显示、运算和传输的响应速度, 而且集成了DWIN OS平台, 方便使用丰富的指令进行二次开发。

微控制器流程图如图4所示。

STM32微控制器是智能蜡疗机系统运行的核心, 其控制程序主要实现以下功能。

① 将融蜡箱和恒温箱温度数据传输到触摸屏和手机客户端。

② 通过检测传感器判断系统运行状态, 并判断系统运行是否出现故障。

③ 根据触摸屏或者手机客户端命令执行相应的运行模式。

3.3 设备端整体软件设计方案