基于单片机控制的新型智能电子药箱的设计
2021-08-18于丽丽雷声媛
于丽丽,雷声媛
(榆林职业技术学院机电工程系,陕西榆林,719000)
0 引言
本文提出了一种基于单片机控制新型智能电子药箱,能很好的帮助需长期服用较多种类药物的老年人,解决他们容易出现的漏服或者错服药物的问题,并且简单易操作,具有一定的推广价值。
1 电子药箱的结构与功能
1.1 结构
电子药箱实物模型如图1 所示。药箱为长方体,整体尺寸为400mm×320mm×320mm。药箱共有21 格药盒,每个药盒内设隔板,用来存放不同种类的药,隔板可以移动,方便根据药物形状调整药盒大小,每个药盒都有一个单独的门,每个药盒后面安装了扭簧,当药盒门打开时弹出药盒。药箱共有21 个电磁锁,设置在药盒的旁边,用来吸住药盒门。药盒的右侧是储药盒,最下层是干燥剂夹层,顶面板是由按钮、键盘、LCD 显示屏组成的控制面板,药箱后侧是电路板隔层,用来放置电路板。
图1 电子药箱模型图
1.2 功能
整个电子药箱的主要功能有以下几个方面。
(1)分类收纳
电子药箱共有21 格药盒,采用3×7 的分布形式,监护人可以将药物按一周七天,一天三次所吃药物放入对应药盒,药盒可以调整内部大小,适用不同形状大小药品的放置;另外右侧储药盒用于储存剩余药物。
(2)参数配置
通过控制面板可以设置系统时间,每周吃药时间、每天吃药时间等参数。设置完参数保存,且带有备用电池保证掉电不丢失数据,正常运行。
(3)用药提醒
电子药箱可以通过家人或医护人员设置用药时间,用药时间到,蜂鸣器播放音乐,LED 灯闪烁,当用药人收到提醒,按下顶层面板一键打开按钮后,蜂鸣器停止播放,LED 灯熄灭,同时对应药盒的门自动弹开,扭簧推动药盒弹出,保证按时用药和用药的准确性。
(4)药盒便携
每个药盒是独立的,短期外出时可以根据需要拿出对应药盒,另外药箱的两侧装有把手,方便药箱的移动与携带。
(5)防潮防腐
药箱下方设有干燥剂夹层,干燥剂袋可以随时更换,保证药物储存的干燥条件,使药物药性药质不变。
2 电子药箱的硬件设计
电子药箱硬件电路主要由电源、STM32 单片机为核心的电磁锁驱动板、电磁锁、STC8 单片机为核心的控制板、LCD显示屏、键盘、蜂鸣器、按钮、报警灯LED 等模块组成。电路框图如图2 所示。
图2 电子药箱电路框图
2.1 主控模块
主控模块在电子药箱系统中起信息处理和控制的作用。主控模块处理器选用STC8A8K64S4A12 芯片,电路包括振荡电路、复位电路、电源电路、串口电路。电源使用5V 直流电源输入。通过串口RS232 连接电子锁驱动模块,并连接键盘与LCD、报警模块的LED 灯与蜂鸣器。
2.2 电磁锁驱动模块
电磁锁驱动板驱动21 个药盒对应的电磁锁,实现药盒门的自动弹开,以及不工作时的锁定状态。电磁锁驱动模块微控制器采用STM32F107 芯片,STM32F107 通过RS232 串口通信线接收主控板控制信号进行电磁锁控制。STM32F107 产生的信号不具有直接驱动电磁锁的能力,因此通过74HTC245和ULN2803 增强驱动能力,驱动电磁锁。74HTC245 用来驱动LED 或者其他的设备。ULN2803 是8 路NPN 达林顿晶体管,可用于驱动大电流负载,可直接驱动继电器。ULN2803 的输入信号为低电压电平时,输出负载端才能导通工作。当驱动板未接收到驱动信号时,I/O 口输出低电平,通过74HTC245 给ULN2803,ULN2803 接收到低电平信号时,电磁锁接通工作,吸住药箱门;当驱动板通过RXD 接收到用药时间到信号,并且检测到用药人已收到用药提醒(按下按钮)信号时,对应I/O 口输出高电平给74HTC245,再通过ULN2803 输出高电平,对应电磁锁断电不工作,无法吸住药箱门,所以药箱门自动打开。
2.3 键盘与液晶显示模块
药箱采用4×4 矩阵键盘, LCD 显示屏,通过接口连接于主控模块,用于配置系统参数,包括设置系统时间、每天吃药时间。
2.4 电源模块
电源模块包括电源供电和电池供电,均有5V 电源和12V电源组成。5V 电源为电磁锁驱动模块、STC 主控模块、液晶显示模块等供电,最大电流10A。12V 电源连接在主控模块,为声光报警模块中的蜂鸣器和LED 报警灯供电。
2.5 声光报警模块
报警模块的报警由LED 灯和蜂鸣器产生,采用高耐压、大电流复合晶体管ULN2003,通过串口电路与主控模块连接,当设置用药时间到时,主控板发出信号,通过ULN2003 驱动LED灯闪烁、蜂鸣器播放音乐,当检测到按钮信号时,关闭蜂鸣器与LED 灯。报警模块电源是12V。
2.6 信息存储模块
为了实现掉电后,已设置的用药信息不丢失,增加了掉电存储数据的功能。选用25LC1024 作为数据存储单元,其无论在工作还是待机状态下,电流均很低,从而大大降低了功耗。
2.7 时钟模块
本设计时钟电路使用低功耗实时时钟芯片DS1302,DS1302 时钟电路具有高性能、低功耗的特性、并带有RAM,可以用来进行定时报警,它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时,直至2100 年,还具有闰年补偿功能,采用32.768kHz 外部晶振做时钟源,采用3 线接口与STC8A8K64S4A12 相连,实现准确计时操作,保证用药提醒的准确性。
图3 药箱系统程序流程图
3 电子药箱的软件设计
软件系统包括服药信息设定、用药提醒、服药信息掉电存储功能设计。
当用药时间设定完毕后,系统进入服药监控状态,时刻比较设定的时间与当前系统时间是否一致,如果一致,表明服药时间到,此时蜂鸣器和LED 灯发出声光报警。当服药人接收到提醒信息,按下按钮时,蜂鸣器和LED 灯关闭,并进入驱动子程序,驱动子程序用来实现对应药盒门打开功能,并且计时2s,服药人拿走药物,关闭药盒门,表示已服药,子程序将完成信息传输给主程序,再次进入服药监控状态。药箱系统主程序和驱动子程序流程如图3 所示。
4 结语
本电子药箱(图4 为智能电子药箱实物图),运用单片机技术,可以实现智能管理用药时间、声光报警提醒吃药、自动弹开相应药盒等功能。并且根据老年人生理和心理特征,注重实践使用,简单易操作,使独自在家的老年人能方便安全服药,提高其生活质量。此电子药箱可以在家庭和养老院等场所进推广应用,具有广阔的应用前景,后期可以设计APP 帮助监护人随时监控老人吃药情况。