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摘 要： 本文对X线肠胃诊断床旋转控制方法进行研究，采用可变差动支点结构实现X线肠胃机诊视床在旋转的同时床体斜向上升，利用单片机控制电机速度，实现床身旋转过程中床尾不会触及地面。
关键词： X线胃肠机;可变差动支点;单片机控制
中图分类号： TP211+.4 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.021
本文著录格式：张敏燕，王雅楠，李尚，等. 基于单片机的X射线胃肠诊断床旋转控制方法研究[J]. 软件，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
當前国际各行各业的竞争日趋激烈，而科学技术的迅猛发展起到了强有力的推动作用，一个国家综合竞争力的提高需要一大批具备创新思维及科研能力的高素质人才。因此，全国各高校都在努力培养既掌握专业知识，又具备较强创新能力的大学生。为此，教育部在“十二五”期间实施国家级大学生创新创业训练计划，旨在促进高等院校转变观念，改革人才培养模式，培养创新性人才，从而提高国家在国际上的综合竞争力[1]。
创新训练项目是本科生个人或团队，在指导老师的协助下，自主完成创新性研究项目的设计、实施、研究报告撰写、成果（学术）交流等方面的科学训练工作[2]。本项目来源于校级大学生创新创业训练计划项目，由学生自主组队、自行选题，在教师的指导下，完成课题申报、设计、样机加工并撰写结题报告。
1 项目背景
医用胃肠X射线机用于呼吸系统、消化道系统、泌尿系统、胆道、下肢静脉、子宫输卵管等各种造影以及部分介入放射治疗，也用于透视下进行骨折复位、取异物等[3-4]。因此，在检查过程中要求无须病人转动，即可完成多体位、多角度的观察、点片，方便医生的操作。
按照行业标准的规定，诊断床面移动功能包括：床面的升降、纵向移动、横向移动和转动，床身转动范围为水平方向90°～0°～-25°[5]，要求旋转过程中床身能自动锁定[6]，并且床身末端不能“触地”，才能实现如此大范围的转动。
因此，本设计采用可变差动支点的结构，使床面在转动过程中同时斜向上升，床面旋转和斜向上升速度按照一定比例差动，保证旋转过程中床身末端不触地的实现床身转动到垂直位置，即90°。
2 项目内容
2.1 可变差动支点结构设计
图1为可变差动支点的结构设计图，图2为加工模型机，传动分为如下三个部分：
（1）床面旋转：小齿轮1与扇形齿轮2啮合，实现床面转动。
（2）床面斜向上升：同步带从动轮8与齿轮3同轴，齿轮3带动齿条7移动，实现床身斜向上升。
（3）差动的实现：同一个动力源（步进电机）通过蜗杆11带动涡轮10，涡轮10与小齿轮1同轴，小齿轮1带动扇形齿轮2，实现床面转动。同时，同步带主动轮9与从动轮8直径大小的不同形成一定的传动比，达到差动效果。通过合理的速度配比，同步带从动轮8带动齿轮3、齿条7，使床面在转动的同时斜向上升，保证转动过程中床尾始终不会碰到地面。
2.2 差动比计算
扇形齿轮的旋转角速度与床面移动速度配比合适才能实现床身旋转过程中床身末端不触地，因此必须严格计算差动比。
其中ν为床面移动速度，ω为扇形齿轮2角速度，r为齿轮3的半径，r1为同步带主动轮9直径， n1为扇形齿轮2齿数，r2为同步带从动轮8直径，n2为小齿轮1齿数。
2.3 电机选型
步进电机是医疗设备中广泛使用的一种电机，又被称为脉冲电动机或者阶跃电动机，其工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移[8]。在控制中，可以利用输入电脉冲的频率、数量和各相绕组的通电顺序来精确控制电机的启停、转速、转向和定位，几乎不受电压和环境温度等影响，并且误差小[9]。
经过计算选型[10-11]，本设计选择J-5718HB5401型步进电机和DM542电机驱动器，步进电机的扭矩为3.1 N·m，足以平稳驱动模型。
2.4 单片机控制
基于单片机的步进电机控制系统在各个领域得到了广泛应用，并且特别适合要求性能稳定、误差率低、响应迅速、运行时噪音小、具有较长的使用寿命以及能输出较大扭矩的场合[12]。
本文设计了基于STC89C51单片机的步进电机控制系统，软件系统采用Keil编写[13]，系统由初始化模块、按键模块、步进电机控制模块等几个部分组成。经过调试，电机驱动器正常工作，电机转速平稳可控，达到预期效果。 由于医疗器械大多采用常开按键，因此系统设计为：按下右键电机正转实现床体顺时针旋转;按下左键电机反转实现床体逆时针旋转。按键松开则停止旋转，床身可以停止在任意位置，实现多体位检查。
程序控制时，首先扫描按键输出端，检测是否有按键动作发生，如果没有按键动作发生，则电机不工作。在程序中，还加入消抖功能，当检测到输入时，运行延时函数，接着再次对按键输端进行扫描，如果仍能检测到输入，则说明真的有按键动作发生，否则按键输出是由抖动产生，最后将所确认的按键输出反馈给主程序。
主程序检测到有按键发生，则判断是左键还是右键，无论是哪个键按下，都会通过控制输出端的高电平和低电平，输出一定频率的脉冲波，从而实现电机转速和正反转控制[14-15]。单片机控制流程如图3所示。
单片机控制部分程序代码如下：
sbit left_button = P3 ^ 0;
sbit right_button = P3 ^ 1; /*定义按键端口*/
sbit left_flag = P2 ^ 0;
sbit right_flag = P2 ^ 1; /*定義指示灯输出端口。在此，Flag变量均为指示灯*/
sbit out = P1 ^ 2;
sbit dir = P1 ^ 3; /*定义转动脉冲方向，脉冲输出端口*/
unsigned int temp1 = 0;
unsigned int i = 0;
void main（）
{
dir = 1;
for （;;）
{
/*检查按键是否按下*/
temp1 = left_button;
delay（1）; /*防止轻触按键抖动误动作*/
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 结束语
本项目设计了X线胃肠诊视床机差动可变支点的机械传动结构，设计了步进电机控制硬件电路，软件编程对步进电机转速、转向和停止进行精确控制，实现了对X线机诊视床实时、精确的控制，该系统运行平稳、噪声小、传动精度高，在检查过程中，床身可以做到接近垂直，病人可以直接随着床板运动，方便医护人员操作。
通过对本项目的研究，参加项目学生的创新意识、自主学习能力、团队合作精神、解决实际问题的能力和科研能力都有较大程度的提高。
参考文献
尚伟， 温玉清， 杨建文， 姜吉琼， 李延伟. 浅谈指导大学生创新项目的体会及感想[J]. 教育教学论坛. 2016（8）： 208-209.
谢晋.谈大学生科技创新项目指导工作体会及意义[J]. 电子世界， 2014（9）： 194.
庄天戈. 医学放射成像与医学影像信息学[J]. 中国生物医学工程学报， 2008， 27（2）： 169-173.
唐东生. 中国现代医用X线设备产业发展回顾[J]. 中国医疗器械信息， 2010， 16（1）： 12-25.
YY/T0106-2008医用诊断X射线机通用技术条件[S]：2-4.
YY/T 0743-2009 X射线胃肠诊断床专用技术条件[S]： 1-3.
涂德浴等主编. 机械设计基础[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2018： 107-111.
张保成. 机电一体化系统设计[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012： 143-144.
刘宝延， 程树康. 步进电机及驱动控制系统[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 1997， 45-48.
成大先. 机械设计手册（第六版）[M]. 北京： 电子工业出版社： 2016： 1712-1721.
王自强译. 步进电机应用技术[M]. 北京： 科学技术出版社： 2010： 117-128.
陈慧琴. 基于STC89C51单片机步进电机控制系统的设计[J].山东工业技术， 2016（18）： 187-188.
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黄勇， 廖宇， 高林. 基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J]. 电子测量技术， 2008， 31（5）： 150-153.
关键词： X线胃肠机;可变差动支点;单片机控制
中图分类号： TP211+.4 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.021
本文著录格式：张敏燕，王雅楠，李尚，等. 基于单片机的X射线胃肠诊断床旋转控制方法研究[J]. 软件，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
當前国际各行各业的竞争日趋激烈，而科学技术的迅猛发展起到了强有力的推动作用，一个国家综合竞争力的提高需要一大批具备创新思维及科研能力的高素质人才。因此，全国各高校都在努力培养既掌握专业知识，又具备较强创新能力的大学生。为此，教育部在“十二五”期间实施国家级大学生创新创业训练计划，旨在促进高等院校转变观念，改革人才培养模式，培养创新性人才，从而提高国家在国际上的综合竞争力[1]。
创新训练项目是本科生个人或团队，在指导老师的协助下，自主完成创新性研究项目的设计、实施、研究报告撰写、成果（学术）交流等方面的科学训练工作[2]。本项目来源于校级大学生创新创业训练计划项目，由学生自主组队、自行选题，在教师的指导下，完成课题申报、设计、样机加工并撰写结题报告。
1 项目背景
医用胃肠X射线机用于呼吸系统、消化道系统、泌尿系统、胆道、下肢静脉、子宫输卵管等各种造影以及部分介入放射治疗，也用于透视下进行骨折复位、取异物等[3-4]。因此，在检查过程中要求无须病人转动，即可完成多体位、多角度的观察、点片，方便医生的操作。
按照行业标准的规定，诊断床面移动功能包括：床面的升降、纵向移动、横向移动和转动，床身转动范围为水平方向90°～0°～-25°[5]，要求旋转过程中床身能自动锁定[6]，并且床身末端不能“触地”，才能实现如此大范围的转动。
因此，本设计采用可变差动支点的结构，使床面在转动过程中同时斜向上升，床面旋转和斜向上升速度按照一定比例差动，保证旋转过程中床身末端不触地的实现床身转动到垂直位置，即90°。
2 项目内容
2.1 可变差动支点结构设计
图1为可变差动支点的结构设计图，图2为加工模型机，传动分为如下三个部分：
（1）床面旋转：小齿轮1与扇形齿轮2啮合，实现床面转动。
（2）床面斜向上升：同步带从动轮8与齿轮3同轴，齿轮3带动齿条7移动，实现床身斜向上升。
（3）差动的实现：同一个动力源（步进电机）通过蜗杆11带动涡轮10，涡轮10与小齿轮1同轴，小齿轮1带动扇形齿轮2，实现床面转动。同时，同步带主动轮9与从动轮8直径大小的不同形成一定的传动比，达到差动效果。通过合理的速度配比，同步带从动轮8带动齿轮3、齿条7，使床面在转动的同时斜向上升，保证转动过程中床尾始终不会碰到地面。
2.2 差动比计算
扇形齿轮的旋转角速度与床面移动速度配比合适才能实现床身旋转过程中床身末端不触地，因此必须严格计算差动比。
其中ν为床面移动速度，ω为扇形齿轮2角速度，r为齿轮3的半径，r1为同步带主动轮9直径， n1为扇形齿轮2齿数，r2为同步带从动轮8直径，n2为小齿轮1齿数。
2.3 电机选型
步进电机是医疗设备中广泛使用的一种电机，又被称为脉冲电动机或者阶跃电动机，其工作原理是将电脉冲信号转变为角位移或线位移[8]。在控制中，可以利用输入电脉冲的频率、数量和各相绕组的通电顺序来精确控制电机的启停、转速、转向和定位，几乎不受电压和环境温度等影响，并且误差小[9]。
经过计算选型[10-11]，本设计选择J-5718HB5401型步进电机和DM542电机驱动器，步进电机的扭矩为3.1 N·m，足以平稳驱动模型。
2.4 单片机控制
基于单片机的步进电机控制系统在各个领域得到了广泛应用，并且特别适合要求性能稳定、误差率低、响应迅速、运行时噪音小、具有较长的使用寿命以及能输出较大扭矩的场合[12]。
本文设计了基于STC89C51单片机的步进电机控制系统，软件系统采用Keil编写[13]，系统由初始化模块、按键模块、步进电机控制模块等几个部分组成。经过调试，电机驱动器正常工作，电机转速平稳可控，达到预期效果。 由于医疗器械大多采用常开按键，因此系统设计为：按下右键电机正转实现床体顺时针旋转;按下左键电机反转实现床体逆时针旋转。按键松开则停止旋转，床身可以停止在任意位置，实现多体位检查。
程序控制时，首先扫描按键输出端，检测是否有按键动作发生，如果没有按键动作发生，则电机不工作。在程序中，还加入消抖功能，当检测到输入时，运行延时函数，接着再次对按键输端进行扫描，如果仍能检测到输入，则说明真的有按键动作发生，否则按键输出是由抖动产生，最后将所确认的按键输出反馈给主程序。
主程序检测到有按键发生，则判断是左键还是右键，无论是哪个键按下，都会通过控制输出端的高电平和低电平，输出一定频率的脉冲波，从而实现电机转速和正反转控制[14-15]。单片机控制流程如图3所示。
单片机控制部分程序代码如下：
sbit left_button = P3 ^ 0;
sbit right_button = P3 ^ 1; /*定义按键端口*/
sbit left_flag = P2 ^ 0;
sbit right_flag = P2 ^ 1; /*定義指示灯输出端口。在此，Flag变量均为指示灯*/
sbit out = P1 ^ 2;
sbit dir = P1 ^ 3; /*定义转动脉冲方向，脉冲输出端口*/
unsigned int temp1 = 0;
unsigned int i = 0;
void main（）
{
dir = 1;
for （;;）
{
/*检查按键是否按下*/
temp1 = left_button;
delay（1）; /*防止轻触按键抖动误动作*/
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 结束语
本项目设计了X线胃肠诊视床机差动可变支点的机械传动结构，设计了步进电机控制硬件电路，软件编程对步进电机转速、转向和停止进行精确控制，实现了对X线机诊视床实时、精确的控制，该系统运行平稳、噪声小、传动精度高，在检查过程中，床身可以做到接近垂直，病人可以直接随着床板运动，方便医护人员操作。
通过对本项目的研究，参加项目学生的创新意识、自主学习能力、团队合作精神、解决实际问题的能力和科研能力都有较大程度的提高。
参考文献
尚伟， 温玉清， 杨建文， 姜吉琼， 李延伟. 浅谈指导大学生创新项目的体会及感想[J]. 教育教学论坛. 2016（8）： 208-209.
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YY/T0106-2008医用诊断X射线机通用技术条件[S]：2-4.
YY/T 0743-2009 X射线胃肠诊断床专用技术条件[S]： 1-3.
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张保成. 机电一体化系统设计[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012： 143-144.
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王自强译. 步进电机应用技术[M]. 北京： 科学技术出版社： 2010： 117-128.
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黄勇， 廖宇， 高林. 基于单片机的步进电机运动控制系统设计[J]. 电子测量技术， 2008， 31（5）： 150-153.