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        新型救助藥盒的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

        2021-06-28 10:59:48段俊玲趙曉文劉旭東石春花
        山西電子技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:藥盒蜂鳴器通訊

        段俊玲,張 秀,趙曉文,劉旭東,王 朵,石春花

        (長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,山西 長治 046000)

        0 引言

        對于突發(fā)性患者來說,疾病的突發(fā)會導(dǎo)致他們在發(fā)病時(shí)常常會因?yàn)闊o法及時(shí)吃到藥物或得到緊急救助而加重病情甚至失去生命[1]。除此之外,一些普通人在處于異常環(huán)境時(shí)也會因突發(fā)急癥而導(dǎo)致休克,所以,此現(xiàn)象急需得到解決。我們設(shè)計(jì)的這款新型救助藥盒,在基于STC89C51單片機(jī)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)智能化,新增了傳送藥品、定位通訊、急救報(bào)警等功能,操作簡單、方便攜帶,擁有較高的實(shí)用性[2]。

        1 設(shè)計(jì)目的

        新型救助藥盒的設(shè)計(jì)主要是用來解決患有急癥的病人在發(fā)病時(shí)無法得到緊急救助以及普通人在處于異常環(huán)境而感到身體不適時(shí)無法得到緊急救助的問題,以減少突發(fā)性休克的發(fā)生率。

        2 設(shè)計(jì)方法

        2.1 系統(tǒng)基本方案

        ◆單片機(jī):采用C51單片機(jī)作為硬件主控電路的核心,其具有8位CPU、8KB程序存儲器(ROM)、256B的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) 、32條I/O口線和一個全雙工(UART)串行通信口,該I/O口可以用來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信[3]。

        ◆新型3D打印技術(shù):本設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置部分,采用新型3D打印技術(shù),這一技術(shù)的理念是“分層制造,逐層疊加”。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),通過電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片,并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上,運(yùn)用一些金屬、蠟、塑料等可粘合材料,通過逐層增加材料來生成3D實(shí)體[4]。

        ◆通訊模塊:本設(shè)計(jì)的定位模塊采用的是ATGM336H-5N 模塊,該模塊和本設(shè)計(jì)的核心裝置單片機(jī)相連接,可實(shí)現(xiàn)通訊的功能。因?yàn)榫哂徐`敏度高、功耗低、成本低等特點(diǎn),同時(shí)在短信監(jiān)測領(lǐng)域具有覆蓋面廣、設(shè)施完善等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航與授時(shí)[5],所以在車載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。

        2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

        本設(shè)計(jì)遵循簡單系統(tǒng)化原則,設(shè)計(jì)了三個部分,分別為按鍵部分、存藥和給藥部分、定位和發(fā)送報(bào)警信息部分。新型救助藥盒屬于一鍵式操作系統(tǒng),如圖2所示。使用者按下按鍵的同時(shí)觸發(fā)機(jī)械裝置,啟動傳送系統(tǒng),將先前存放在藥盒的藥品快速推送到使用者口中,同時(shí)負(fù)責(zé)定位和通訊信息的單片機(jī)系統(tǒng)接收到程序指令后會迅速進(jìn)行定位并實(shí)行信息發(fā)送指令[6]。此時(shí),蜂鳴器會根據(jù)MCU發(fā)出的命令立即產(chǎn)生相應(yīng)的聲音信號報(bào)警,以求得到身邊人的救助。這種設(shè)計(jì)不僅能夠使患者得到及時(shí)救治,而且與市場上現(xiàn)存單一功能藥盒相比,它具有集多功能于一體的智能化系統(tǒng)體系,操作簡單,實(shí)用性強(qiáng)。

        圖1 機(jī)械裝置實(shí)物圖

        系統(tǒng)總體框圖如圖 2所示。

        圖2 系統(tǒng)總體框圖

        2.3 硬件設(shè)計(jì)

        智能藥盒的電路設(shè)計(jì)制作采用Protel99SE軟件,其具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和3D模擬功能,可以完成電路原理圖、印制電路板、PCB版等豐富的設(shè)計(jì)功能[7],其中最主要的是單片機(jī)控制電路,Atmega328p芯片、輸出IO接口電路、程序下載電路和電源電路,它們共同構(gòu)成了單片機(jī)控制電路。

        1)Atmega328p芯片是一個高性能、低功耗的8位AVR微處理器,支持串行USART通信,通過選用八位并行的接口方式,可實(shí)時(shí)動態(tài)顯示系統(tǒng)控制模式[8]。利用ATMEGA328P芯片通過8位RISC CPU與單片機(jī)上的系統(tǒng)內(nèi)自編程閃存相結(jié)合的方式,構(gòu)成了一個功能強(qiáng)大的微控制器,為智能藥盒嵌入式控制應(yīng)用程序提供了一種高度靈活和經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

        2)輸出IO接口電路:將單片機(jī)主控電路引腳作為輸出接口,分派給GPS定位電路,實(shí)現(xiàn)了Atmega328p主控芯片對GPS定位電路的控制以及信息的獲??;將單片機(jī)主控電路引腳分派給GSM通訊發(fā)送模塊,實(shí)現(xiàn)了Atmega328p主控芯片對GSM通訊發(fā)送模塊的通訊,從而觸發(fā)通訊模塊向手機(jī)端發(fā)出報(bào)警提醒短信[9]。

        3)電源電路:0.1μF的去耦電容連接到該電路上,加強(qiáng)電路的穩(wěn)定性和抗干擾性。

        4)蜂鳴器:蜂鳴器的正極連接三極管上的集電極,蜂鳴器的負(fù)極接連接方式GND,通過單片機(jī)對三極管的驅(qū)動控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對蜂鳴器報(bào)警功能的驅(qū)動。

        本新型救助藥盒的創(chuàng)新點(diǎn)在于在傳統(tǒng)藥盒的基礎(chǔ)上新增報(bào)警、定位和通訊功能,能夠幫助解決患者需求,具有較好的應(yīng)用前景。

        2.4 軟件設(shè)計(jì)

        2.4.1 程序設(shè)計(jì)思路

        在機(jī)械按鍵按下時(shí),一方面能夠觸發(fā)定位模塊,使模塊能快速通過GPS數(shù)據(jù)獲取函數(shù)、GPS數(shù)據(jù)解析函數(shù)、拋出異常函數(shù)等來實(shí)現(xiàn)定位信息的準(zhǔn)確獲取并且對異常進(jìn)行處理;在完成信息的獲取后,通訊傳輸部分運(yùn)用初始化函數(shù)發(fā)送AT指令函數(shù)設(shè)置GSM模塊的工作狀態(tài)和發(fā)送信息函數(shù)將目標(biāo)手機(jī)號和發(fā)送內(nèi)容作為參數(shù)輸入,將發(fā)送內(nèi)容發(fā)送到使用者綁定的緊急聯(lián)系人的手機(jī)上[10]。另一方面能夠觸發(fā)蜂鳴器根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令,迅速執(zhí)行聲音信號的反饋,實(shí)現(xiàn)緊急求救效果。

        2.4.2 主要流程如圖3所示

        圖3 程序流程圖

        3 實(shí)物評測

        3.1 功能測試

        將模塊各引腳與USB轉(zhuǎn)TTL連接,通過PC機(jī)上的串口助手,測試存儲在藥盒的藥品在按下機(jī)械按鈕時(shí)完成送藥所需時(shí)間以及通訊設(shè)備能否成功接收到定位信息,判斷各模塊功能的完整性和穩(wěn)定性。測試結(jié)果如表1所示。

        表1 功能測試結(jié)果 s

        3.2 性能測試

        本設(shè)計(jì)的實(shí)物測試過程運(yùn)用了從部分到整體、由簡要構(gòu)成到復(fù)雜構(gòu)成的測試方案。在電路完全焊接好之后,利用萬用表檢查了焊接情況,又進(jìn)行了分塊測試。測試結(jié)果如下:

        1)ATGM336H-5N定位模塊測試:將輸出接口電路與GPS定位電路連接,獲取定位信息,根據(jù)距離誤差檢測定位準(zhǔn)確性。結(jié)果如表2所示。

        表2 定位模塊距離誤差 m

        2) 通訊模塊測試:將輸出接口電路與GSM通訊電路連接,在按鍵按下時(shí)觸發(fā)通訊模塊,會使手機(jī)端發(fā)出報(bào)警提醒短信結(jié)果,記錄手機(jī)端接收到信息所用時(shí)長。結(jié)果如表 3所示。

        表3 通訊模塊延時(shí) s

        3)報(bào)警功能測試:對完成按鍵操作時(shí),蜂鳴器是否會發(fā)出聲響進(jìn)行檢測,結(jié)果如表4所示。

        表4 報(bào)警功能測試

        4 結(jié)果

        1)經(jīng)測試在不同環(huán)境下,該藥盒可以完成給藥、定位、通訊、報(bào)警功能,為患者得到緊急救助提供更大可能;

        2)通訊功能的實(shí)時(shí)性、定位功能的精確程度都已基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),可保證使用者放心使用。

        3)經(jīng)軟硬件聯(lián)合測試,各模塊之間交互的正確性和接口的兼容性都良好,產(chǎn)品整體性能和功能都正常。

        5 結(jié)論

        產(chǎn)品兼有存藥、送藥、GPS定位、發(fā)送定位、自動報(bào)警等功能,相比較傳統(tǒng)的僅有儲物功能的藥盒,實(shí)現(xiàn)了智能化;相較傳統(tǒng)的定位器、報(bào)警器,我們實(shí)現(xiàn)了功能多樣化??傮w性能優(yōu)良,體積小,方便攜帶、實(shí)用強(qiáng)、能滿足用戶需求。

        一個簡單的藥盒,增加的傳送藥品、定位、通訊和報(bào)警功能,不僅能夠滿足患者需求,解決患者擔(dān)心的問題,而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,它必將更新?lián)Q代,越來越多的技術(shù)會運(yùn)用在它身上,使它更加智能化、多元化、服務(wù)化。

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