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基于单片机的B超手柄助力器设计
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基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片机的B超手柄助力器设计 基于单片
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摘 要
I
摘 要
随着科技进步,医工融合,医疗器械的发展也进入了自动化、智能化和数字化的全
新阶段。在诊疗过程中,如何使用机器辅助甚至替代医务人员进行操作已成为当今全球
性的研究热点。本文为了解决医务人员在 B 超检测过程中长时间施加压力带来的手腕劳
损问题,设计一种基于单片机的 B 超手柄助力器作为检测过程中的辅助设备,目的是通
过简单的按键操作,对整个施加压力的过程进行机器自动化的替代,可以有效、安全、
轻松、准确地完成整个检测过程。
首先,确定了助力器系统的主要控制结构和方案。设计以单片机为核心,与电机驱
动模块、压力采集模块、显示模块构成完整的复合控制系统。选用 STM32F103C8T6 芯
片作为主控制器,按键触发命令至驱动模块,控制步进电机前进与后退,从而带动 B 超
手柄进行压力的增减。整个过程中施加的压力大小通过薄膜压力传感器采集,经过 ADC
转换后通过 OLED 显示屏进行数字化显示,辅助医务人员做出判断。
其次,进一步完善系统功能。为了保证控制系统的安全性,内部设置有压力上限值,
当检测到当前的压力值超过上限值时,通过蜂鸣器鸣叫和 OLED 显示警告信息两种方式
同时提醒操作人员;为了保证操作过程中的灵活性,采用按键选择的方式控制压力大小,
可以根据不同病人、不同检测方法进行更有针对性的调整。为了避免检测数据的浪费,
设计了基于计算机平台的上位机软件,可以将检测过程中产生的压力数据进行显示、采
集和保存,有助于后续的研究和使用。
最后,通过软件与硬件相结合的方式进行系统测试。软件的电路仿真结果表明在理
想条件下控制系统可以稳定运行;硬件的实物搭接结果表明所设计的 B 超手柄助力器在
实际应用中能够完成控制功能,系统安全稳定,具有可移植性;操作简便灵活,能够有
效减轻医务人员的工作负担。
关键词:B 超手柄助力器;医工结合;STM32;Proteus;LabVIEW
目 录
V
目 录
摘要 ............................................................................................................................................. I
ABSTRACT ............................................................................................................................. III
第 1 章 绪论 ............................................................................................................................ 1
1.1 引言 ............................................................................................................................ 1
1.2 医疗器械的国内外现状 ............................................................................................ 2
1.3 B 超手柄助力器的研究目的及意义 ........................................................................ 3
1.4 本文研究内容 ............................................................................................................ 5
第 2 章 总体方案设计 ............................................................................................................ 7
2.1 系统控制结构设计 .................................................................................................... 7
2.2 系统控制方案设计 .................................................................................................... 8
2.3 本章小结 .................................................................................................................. 10
第 3 章 系统硬件设计 .......................................................................................................... 11
3.1 系统硬件组成及工作原理 ...................................................................................... 11
3.1.1 系统硬件组成 ................................................................................................ 11
3.1.2 系统工作原理 ................................................................................................ 11
3.2 系统主控模块设计 .................................................................................................. 12
3.2.1 基于 C51 单片机的主控模块设计 ............................................................... 12
3.2.2 基于 STM32 单片机的主控模块设计 .......................................................... 14
3.3 电机驱动模块设计 .................................................................................................. 15
3.3.1 电机驱动选型 ................................................................................................ 15
3.3.2 电机驱动原理 ................................................................................................ 16
3.4 压力采集模块设计 .................................................................................................. 18
3.5 显示模块设计 .......................................................................................................... 20
3.6 本章小结 .................................................................................................................. 22
第 4 章 系统软件设计 .......................................................................................................... 23
4.1 控制程序总体结构 .................................................................................................. 23
4.2 电机驱动程序设计 .................................................................................................. 25
4.3 ADC 转换程序设计 ................................................................................................. 26
4.4 显示程序设计 .......................................................................................................... 29
4.5 上位机软件设计 ...................................................................................................... 33
太原理工大学硕士学位论文
VI
4.6 本章小结 .................................................................................................................. 36
第 5 章 软件仿真与硬件测试 .............................................................................................. 37
5.1 电路的仿真与结果 .................................................................................................. 37
5.2 硬件的搭接与测试 .................................................................................................. 40
5.2.1 基于 C51 单片机的搭接与测试 ................................................................... 40
5.2.2 基于 STM32 单片机的搭接与测试 ............................................................. 42
5.3 系统误差分析 .......................................................................................................... 44
5.4 本章小结 .................................................................................................................. 44
第 6 章 结论与展望 .............................................................................................................. 45
参考文献 .................................................................................................................................. 47
攻读学位期间取得的研究成果 .............................................................................................. 51
致谢 .......................................................................................................................................... 53
第 1 章 绪论
1
第 1 章 绪论
1.1 引言
随着时代发展,人们的健康意识不断增强,对医疗器械的需求也不断增长。医疗器
械的发展得到了越来越多的重视,医学与工学的融合更是为医疗器械的发展带来了全新
的研究方向。医疗器械已经成为推进医学诊疗技术的主要动力,医疗器械的发展与医工
结合的推进不仅能够推动诊疗技术的进步,还能带动传统的医学模式朝着机器化、自动
化、智能化的模式进行转变。
医工结合是一门于 20 世纪 70 年代刚开始发展的新兴交叉学科。通过几十年的创新
与研究,在全球范围内已经取得了一系列突破性的成果,如基于 3D 打印的医疗器械研
发、基于人工智能与大数据的手术机器人等。医疗器械的改进、创新与研发成为医工结
合的迫切需求,与生物医学工程等高新技术结合的医疗器械行业已经成为一个国家制造
业和高科技水平的体现
[1-2]
。
医疗器械产业是涉及到国计民生的产业,有着巨大的开发潜力,在全球都颇受重视,
尤其是发达国家。美国仍在该领域处于龙头位置,西欧和日本也紧随其后在市场中占据
绝对的优势。其中医疗设备的自动化、智能化与数字化是国际大公司的发展重点
[3]
。我
国在医疗器械方面的发展时间不长,但是发展速度很快,已超全球平均水平。目前,制
约我国医疗器械产业发展的原因还有很多。首先是技术创新不足,其次我国并未将医疗
技术的研发和产业很好的结合起来,并未形成完善的市场机制和行业规范来保护医疗器
械行业的健康发展,产业中相关标准与技术发展并不同步,与国际标准有着巨大的差距,
并且缺乏国际认可的第三方检验机构,难以进行全球化的推广和应用。
面对目前发展中存在的创新不足、产业脱节、市场机制不完善等问题,国家已经高
度重视。《中国制造 2025》指出
[4]
,在医疗器械方面,不仅要提高创新能力,还要提高产
业化水平,实现重点突破,并对高性能诊疗设备规划了长远的目标。在技术、市场、政
策的共同努力之下,我国将从医疗器械制造完成医疗器械创造的巨大转变,不再简单的
重视数量和产量,而是要以创新作为驱动力,优先提升医疗器械产品的质量,从材料、
制造工业、创新研发能力等全面提升,推动我国医工结合、协同创新的医疗产业高速发
展
[5]
。
太原理工大学硕士学位论文
2
1.2 医疗器械的国内外现状
(1)医疗器械技术水平。欧美、日本等地区有着发达的工业基础,在医疗器械领域
的探索和发展较早,有着多年的技术积累和完善成熟的研究环境。掌握着高端医疗设备
的重要核心技术和关键材料且并不对外开放,尤其在新兴的智能医疗机器人领域,其研
发、制造和应用始终处于全球领先的地位
[6-7]
。在美国,由于医疗器械技术水平发展迅猛,
多种医疗器械产品上市,已初步建立起人工智能领域的医疗器械注册审批与监管制度
[8]
。
医疗器械产业属于高端技术产业,与国际环境相比,我国的医疗器械水平相对较低,
还处于起步阶段,创新意识和实践的不足是制约医疗器械发展的主要原因。缺乏原创为
主的核心技术、自主检测方法与医疗器械产品标准。在医疗设备的研发中,中、低端产
品较多,且产品中涉及到的核心技术零件还是无法摆脱对进口的依赖;而医疗器械中的
高端产品多为仿制与改进,自主研发的产品还有诸多不足。
(2)医疗器械市场规模。由于全球化和人口老龄化的影响,医疗设备的市场也在稳
定增长不断扩大。美国在医疗器械市场中约占 45%,是医疗器械市场中最主要的制造大
国。第二是欧盟,约占全球市场的 30%。日本也凭借发达的工业基础和科技水平在全球
处于领先位置。据统计
[9]
,2017 年全球医疗器械的销售规模已经达到了 3540 亿美元,
并且以 5.5%的年均增长率迅速发展,预计在 2021 年将达到 4320 亿美元。全球的大型
医疗企业十分重视同类产品的更新换代,会结合本土特色对产品进行研发。同时会及时
整理同类产品的资源,在占领高端产品市场的同时也拓展中低端产品的市场,全面占领
全球市场的份额。
我国医疗器械市场发展不久,但是速度较快。从 20 世纪 80 年代开始发展至今,我
国已经初步建立起了完整的医疗产业链条以及较为完善的医疗器械产业体系,多种基础
医疗器械产品的产量均居世界榜首
[10]
。市场规模由 2006 年的 434 亿元增长到了 2015 年
的 3080 亿元。从进出口形势来看,一些企业正在通过引进新的技术来提高企业的竞争
力,将以往的价格竞争转为科技含量的竞争。
国产医疗器械企业鲜有出现在中高端市场,缺乏核心的技术及材料、中低端医疗器
械产品过剩以及产学研用互动不足等原因都制约着我国医疗器械产业的发展。近年来,
国家推出了一系列政策来推动国家医工结合、协同创新的发展。人工智能与医疗器械进
行了更深层次的融合,医疗器械产业前景广阔,具有巨大的提升空间和挖掘潜能。
(3)医工结合发展模式。由于各个国家的国情不同,医工结合的发展模式也不同。
美国最早提出医工结合的发展理念,其发展模式主要依赖于科研院所、医疗诊所以及政
府、企业等部门之间的交流合作,由国家进行统一规划管理,构成全国范围内的医学研
究网络。欧盟国家以制定战略计划,成立专项基金项目为主,通过国家级别的研究所与
政府机构共同合作推动临床项目的研发及转换。新加坡是通过国立研究基金,制定研究
规划及资金投入,推动医工结合建设
[11]
。
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