鐘建偉 滕世國 羅進超 張燕金

（乳源東陽光機械有限公司,廣東 韶關(guān) 512721）

《檢驗醫(yī)學(xué)》權(quán)威刊物指出,尿液作為人體新陳代謝的產(chǎn)物,能準(zhǔn)確反映人體健康狀況,尿液分析對于獲取尿液的生化成分及其與各種疾病狀態(tài)（如糖尿病、代謝正常、肝病、某些癌癥（如前列腺、腎臟和膀胱）、膽道和肝梗阻以及腎臟和泌尿道疾?。┑年P(guān)系非常重要,因此尿檢對預(yù)防疾病風(fēng)險很有必要。

智能坐便器是連續(xù)健康監(jiān)測與分析人類排泄物獲得的有價值臨床信息的交匯點,故此在智能座便器系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)尿檢功能,滿足人們隨時了解自己健康狀況,進行長期健康監(jiān)測,足不出戶做尿檢的需求,具有很強的實用性和重要的意義。本文采用尿液試紙法,通過由尿液成分自動獲取模塊、尿檢模塊和尿檢模組控制軟件組成的尿檢系統(tǒng),對尿液進行自動采集和成分檢測,從而實現(xiàn)對尿液的定性或定量的分析。

1 總體電路設(shè)計

總體電路設(shè)計如圖1 所示,系統(tǒng)MCU 控制為核心。市電先經(jīng)過漏電保護開關(guān),再供給智能坐便器。12V 開關(guān)電源采用明緯的EPS-35-12,給整個系統(tǒng)供電；MCU 控制與尿檢模組通過通訊連接,尿液成分自動獲取功能主要由尿檢模組完成并將數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送至手機APP。檢測模塊隱藏式一體化設(shè)計,安全、牢固、可靠、密封性高；一鍵全自動隔空取樣、及時檢測分析數(shù)據(jù),從取樣源頭避免了交叉污染和取樣適量；尿檢模塊集成化設(shè)計,維修簡單,可以直接更換檢測模塊不影響坐便器其他任何位置,維修成本大大降低。

圖1 總體電路設(shè)計框圖

同時,MCU 控制暖風(fēng)烘干、座圈加熱、清洗三大功能；該智能坐便器還有自動翻蓋功能,使用衛(wèi)生便捷。

2 智能坐便器常用功能

智能坐便器常用功能有清洗功能,暖風(fēng)烘干功能、座圈加熱功能和自動翻蓋功能,滿足人們?nèi)粘Ｊ褂谩?/p>

清洗功能由自主研發(fā)即熱式加熱裝置、水流調(diào)節(jié)裝置和無冷水弧形清洗器配套組成。即熱式加熱裝置有三重過溫保護,安全性高,使用即熱加熱裝置具有水溫穩(wěn)定,加熱持久的優(yōu)點；無冷水弧形清洗器通過控制步進電機傳動,將弧形主管伸出,此時擋水片擋住噴嘴并且排出管路中的冷水,待冷水排完時,弧形清洗器往前伸出并回到設(shè)定位置,此過程將擋水片打開,此時噴出的都是熱水,從而提高其舒適性。而水流調(diào)節(jié)裝置通過水流檢測組件獲取水流分配組件流出的水流流速信號,再由所述控制器調(diào)節(jié)所述水流分配組件的開度,以精準(zhǔn)控制水流流量,獲得更舒適更溫和的清洗效果,大大提升了用戶的體驗。

暖風(fēng)烘干功能采用高轉(zhuǎn)速風(fēng)機,配合云母加熱器,用戶無需長時間等待烘干就可以快速烘干殘留水漬；座圈加熱功能采用即熱座圈,人接近智能坐便器時開始座圈加熱,到人落座時溫度就可以達到設(shè)定溫度值,與普通加熱座圈相比,更加節(jié)能,減少待機消耗。

自動翻蓋功能通過紅外線傳感器和重力感應(yīng)件同時檢測是否有人靠近坐便器,提高了檢測的精確性,通過驅(qū)動機構(gòu)將便蓋自動打開,更加智能方便、衛(wèi)生安全。

3 尿檢模組

尿檢模組有單獨的MCU 控制系統(tǒng)如圖2 所示。它主要包括尿檢進紙電機、尿檢伸縮電機、試紙槽皮帶電機、尿檢清洗電磁閥、尿檢烘干、尿檢光源、顏色傳感器、藍牙模塊等。

圖2 尿檢模組功能框圖

尿檢功能運行時,控制尿檢進紙電機11 傳動,通過尿檢自動進紙裝置將檢測多聯(lián)試劑帶送入試紙槽8,同時擋紙門9 將多聯(lián)試劑帶擋住,防止多聯(lián)試劑帶掉出來；然后再控制尿檢伸縮電機1 通過傳動機構(gòu)將將底殼部分（底殼6、尿檢外罩4）伸出,控制皮帶電機3,通過皮帶主動輪5、皮帶從動輪7,將試紙槽伸到前端,準(zhǔn)備收集尿液檢測（圖3）。

圖3 尿檢模組爆炸圖

檢測到尿液收集完成,控制皮帶電機、尿檢伸縮電機將試紙槽和底殼部分收回準(zhǔn)備測試。收回過程中,通過尿檢光源燈、導(dǎo)光盒、導(dǎo)光件等,經(jīng)尿液檢測顏色傳感器,收集多聯(lián)試劑帶測試數(shù)據(jù),通過藍牙將測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP 上。

測試完成后,控制進紙電機,將擋紙門23 關(guān)閉,打開紫外線殺菌燈管,開啟尿檢清洗功能,清洗尿檢試紙槽的水先經(jīng)紫外線燈管后再注入試紙槽,數(shù)秒后,打開擋紙門,同時啟動尿檢進紙電機,將檢測多聯(lián)試劑帶沖出,通過感應(yīng)器檢測多聯(lián)試劑帶是否排出。排出后繼續(xù)用經(jīng)紫外線殺菌燈管的水清洗試紙槽30 秒,將試紙槽清洗干凈,然后運行尿檢烘干將試紙槽的水烘干,確保檢測環(huán)境良好。

4 尿液成分自動獲取功能

尿液成分自動獲取的工作原理是利用多聯(lián)試劑帶上各種含有特殊試劑的模塊與尿液中相應(yīng)的化學(xué)成分發(fā)生反應(yīng),使多聯(lián)試劑帶的顏色發(fā)生變化（呈色的深淺與尿液中相應(yīng)物質(zhì)的濃度成正比）,然后用白色光源照射在已發(fā)生顏色變化的各試劑帶上,利用高精度顏色傳感器收取顏色數(shù)值,通過I2C 方式將讀值送至MCU,再使用專業(yè)算法進行處理,實現(xiàn)尿液的定性/定量分析結(jié)果,并將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸至手機APP,讓用戶一目了然。整個測試過程大約3 分鐘,操作簡單,使用方便。

本文采用BH1745NUC 顏色傳感器,它是日本ROHM 公司推出的一款高精度顏色傳感器,它的內(nèi)部集成了16 位高分辨率ADC 模塊,可以檢測RGB 并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存儲在內(nèi)部對應(yīng)的地址寄存器中,采用I2C 接口和微星的單片機PIC16F15245 進行數(shù)據(jù)通信,INT 引腳連接到PIC16F15245 的RB7 口進行中斷喚醒。該顏色傳感器采用ROHM 公司獨創(chuàng)的紅外線過濾技術(shù)和運算方法,能精準(zhǔn)讀取試劑帶上的顏色RGBC 數(shù)值,該傳感器增加讀取可視光波長強度的值,能夠校正顏色,使測試更準(zhǔn)確（圖4-5）。

圖4 BH1745NUC 典型應(yīng)用電路

圖5 尿液成分自動獲取電路

5 尿檢模組控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

流程圖如圖6 所示,包括：詢問尿檢模組是否空閑,檢測是否有紙,進紙是否超時,采集尿液,尿液采集是否超時,結(jié)果獲取,尿檢模組清洗及烘干。遇到卡紙故障時可以選擇伸出尿檢桿件,手動取紙。另外,尿檢模組進水前端增加了一個紫外線殺菌裝置,每次測試完尿檢功能時,水先經(jīng)紫外線殺菌,再供給尿檢模組清洗,可以確保減少自來水細菌污染,確保檢測環(huán)境良好。

圖6

結(jié)束語

本文利用日本ROHM 高精度顏色傳感器來準(zhǔn)確自動獲取尿液成分,再使用專業(yè)算法進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)尿液的定性或定量分析。將該技術(shù)通過由尿液成分自動獲取模塊、尿檢模組和尿檢模組控制軟件組成的尿檢系統(tǒng)來實現(xiàn),并應(yīng)用于智能坐便器上,從而滿足人們隨時了解自己健康狀況,進行長期健康監(jiān)測,足不出戶做尿檢的需求。同時,尿檢模塊集成化設(shè)計,維修簡單,維修成本低；一鍵全自動隔空取樣、及時檢測分析數(shù)據(jù),從取樣源頭避免了交叉污染和取樣適量。