家用助老智能配送药箱系统的设计.docx
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家用助老智能配送药箱系统的设计
学号：
14173501270
毕业论文
题目：
家用助老智能配送药箱系统的设计
作者陈潇届别2021届
院别机械工程学院专业机械电子工程
指导教师李锶职称正高级实验师
完成时间2021年5月20日
诚信声明
我声明，所呈交的毕业设计（论文）是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
我承诺，设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
毕业设计（论文）作者签名：
年月日
毕业设计（论文）指导教师签名：
年月日
摘要
近年来，我国的患有慢性疾病老年人数量增加，很多老年人需要服药，目前的智能医药箱仍然不能很好的解决服药时间、用量提醒以及存储药物等方面的问题。
此次设计出了一款智能医药箱作为辅助用药的医疗设备，主要是由外壳、内壳、存药区、配药区、取药区、固定套筒、电池等部分组成。
可以通过条形码扫描装置快速录入服用药品的信息、通过指纹识别模块防止误触、利用单片机控制电机通过齿轮和连杆机构以及自动吸泵装置实现自动配药以及使用密封存储装置长期存储药品，同时考虑到老人自身的原因，对智能医药箱操作方法进行简化还方便外出携带。
经过测试可以实现自动配药、分时序服药、方便快速服药、密封存储、防止误触和快速录入药品信息等功能。
关键词：
智能医药箱，单片机，自动配药，密封储存
Abstract
Inrecentyears,thenumberofelderlypeoplesufferingfromchronicdiseasesinChinahasincreased,andmanyelderlypeopleneedtotakemedicine.However,thecurrentintelligentmedicineboxstillcannotsolvetheproblemsoftakingmedicinetime,dosagereminderanddrugstoragewell.Thedesignofanintelligentmedicineboxasanauxiliarymedicalequipment,ismainlycomposedofshell,innershell,storagearea,dispensingarea,drugtakingarea,fixedsleeve,batteryandotherparts.Canquickentrybybarcodescanningdevicebyusingfingerprintidentificationmoduletakingdruginformation,topreventaccidentallytouch,usingthesinglechipmicrocomputercontrolmotorthroughthegearandthelinkageandautomaticvacuumpumpautomaticdispensingandsealedstoragedevicesforlong-termstorageanddruguse,atthesametime,consideringtheoldman'sownreasons,tosimplifytheoperationmethodofintelligentmedicinecabinetandconvenientcarrying.Aftertesting,itcanrealizethefunctionsofautomaticdispensing,time-basedtakingmedicine,convenientandrapidtakingmedicine,sealedstorage,miscontactpreventionandrapidentryofdruginformation.
Keyword:
Intelligentmedicinebox,Singlechipmicrocomputer,Automaticdispensing,Sealedstorage
1绪论
1.1引言
随着中国社会的发展，中国正在逐渐进入老龄化社会，老年人的比重正在快速增加，由于中国是人口大国，因此患有慢性疾病的老年人数量极为膨大并且正在增长。
这些老人需要长期服用药物，并且所需服用药物的数量和种类非常多，再加上一些人的记忆力很差，所以经常出现老人忘记吃药的问题。
目前很多老年人缺乏科学认识，不听从医生的医嘱吃药，当下有很多的老年人由于家庭的问题并没有和他们的子女生活在一起，而是单独居住，这导致很多老人在服用药时没有亲人的监督而乱服药，这些现象会导致很多安全问题的产生。
现在国内市场上的药盒主要有两类，分别是普通的药箱和智能提醒的药箱，都没能很好的解决老年人在用药过程中所出现的问题，一些智能药箱因为自身的操作极为复杂，老年人不会使用而不受欢迎。
对于这样的情况特别设计了一种家用助老智能配送医药箱，可以实现以下功能：
通过对条形码的识别来录入药品的信息，由指纹识别来实现避免误触以及系统的管理；利用单片机的控制通过电机、齿轮、连杆机构和自动吸泵装置的联动来实现吸取药品和自动配药的功能；通过自动取药装置和语音模块的结合并且利用设计的环形槽和齿轮机构来达到无需操作即可服药的目的，同时解决了一部分老年人分时序用药的问题和不按照医生的嘱托擅自服药的问题；密封存储的装置实现了对药物进行长期存储的功能。
考虑到了相关使用者反应迟钝记忆力不加不适合使用操作复杂的智能产品，以及当药物种类较多时容易混淆或忘记服药等问题，因此设计了家用助老智能医药箱来实现自动配药并且提醒老人吃药长期存储药品的功能。
因为在设计时考虑到智能药箱使用场合的问题，老人也方便外出时携带药箱。
1.2国内外研究动态
当下，国内存在的药箱绝大部分是以存储药物为主要的功能，药箱内部经常分成很多格，以方便对药物进行存放，但却没有解决对老人服药的剂量和时间进行提醒。
老年人服用药物的种类和剂量很多，服用时间复杂，再加上很多老年人记忆力变差，导致他们经常忘记吃药，或者因为缺少科学认知而没有听从医生的嘱托，很多老人经常胡乱吃药。
目前的医药箱对于老人服药过程中所存在的问题都没能很好的解决。
普通药箱的药箱大多是圆形药箱和方形药箱。
比如EKOA便携式药品柜是通过对环境没有伤害的塑料材料制成的。
这种药箱具有很好密封功能再加上它的体积很小，因此在外出时非常方便携带外出时服用非常方便，但因为体积小所以无法用它携带较多的药品现在的智能药箱基本上用于提醒用药。
Vilscijon药箱，通过使用报警铃声提醒老人吃药，由于它只是用于提醒吃药，因此没有解决老人随便吃药的问题。
再加上这种药箱通常能携带大概一个月的药品用量，这导致了它不方便用于外出携带。
1.3研究内容
根据国内外家用助老智能配送医药箱所存在的没有解决的问题，本文研究的是通过条形码识别模块来录入药品信息，利用指纹识别模块实现防止误触摸和一些系统的管理；通过单片机控制电机并结合齿轮和连杆机构以及自动吸泵装置来达成吸取药品和自动配药的功能；自动取药装置和语音模块利用环形槽和齿轮结构并结合旋转运动达到无需操作即可吃药的目的，解决部分老人分间用药的问题；密封存储装置实现长期储存的药物的功能。
在使用药箱前需要老人的家人根据系统提示放入药品并且设置用药种类、数量和时间。
设置完成后该医药箱会通过控制配药装置提前自动配药，到预定服药时间后药箱语音提醒老人，老人通过指纹识别系统识别后方可服药。
2设计的提出与功能性定位
2.1设计思路
智能医药箱需要实现自动配药、分时序服药、方便快速服药、密封存储、防止误触和快速录入药品信息等功能。
通过条形码识别模块录入药品信息，利用指纹识别模块实现防误触和一些系统的管理；通过单片机控制电机并结合齿轮和连杆机构以及自动吸泵装置实现药品的吸取和自动配药；自动取药装置和语音模块利用环形槽和齿轮并结合旋转运动达到无需操作即可服药的目的，解决部分老人分时序用药问题；密封存储装置利用实现长期储存药物的功能。
2.2智能医药箱方案设计比较
2.2.1智能医药箱的动力方案设计
目前机械设备经常使用的驱动系统有标准的气动驱动系统、电动机驱动系统、液压驱动系统等。
标准的气动驱动系统主要由存气箱、气缸、空气阀门和空气压缩机等部分组成组成。
这种驱动方式动作非常快速，气动阀门方便，结构合理，便宜且易于维护。
但是，由于空气自身的特性导致它的稳定性很差，没有办法对速度进行控制。
电机驱动是现代化家用电器使用最广泛的驱动方法。
它的特点是开关电源方便能够快速的响应，并且减速器的应用可以得到更多驱动力，信号检测，传输系统解决方案更加便捷，可以根据多种灵活的操作方案完成设计计划的作用。
液压驱动系统通常由液压马达，液压油泵，液压阀门，液压油箱等组成，并且通常液压驱动系统的工作能力都相对较大，其特点是动作稳定，耐振动且防爆性好，但液压系统软件噪声很大，需要生产和加工其组件。
要高精度和密封特性。
如果密封性不好，则会发生液压油泄漏，从而导致环境污染。
根据数据分析，智能医药箱的动力系统采用电动机驱动系统。
2.2.2智能医药箱的控制方案设计
控制中心包括屏幕控制中心、语言提醒系统、指纹识别系统和条形码识别系统。
屏幕控制中心用于设置用药的种类、数量、时间，显示药名、等数据；指纹识别系统，可以识别访客是否是授权用户和管理者；声控系统使用语音提醒模块，通过功放播放，提醒老人吃药；条形码识别系统用于扫描药盒上的条形码，识别不同种类的药品，并记录信息供分拣和配药。
对于智能医药箱的控制方法以下提供了多种方案选择。
1.通过PLC对智能医药箱进行控制。
PLC具有很高的稳定性，并且可以在很多极端的情况下进行工作。
它拥有可以应用于不同工作环境具有用于的相应模板，可以与工业生产保持一致。
但是，PLC体积大，运算速度慢于单片微处理器。
2.可以利用基于嵌入式操作的系统对智能药品箱进行控制。
通过使用基于ARM芯片内核的嵌入式CPU。
它具有更坚固的控制插口，并集成了大量的控制模块，因此更易于控制。
ARM具有许多应用程序内存，并且命令执行速度更快。
利用ARM还可以添加小型系统软件，添加工业触摸屏等。
3.基于单片机系统软件的智能药箱控制方案。
这个方法通过使用STM32系列产品单片机作为控制和管理中心。
单片机稳定性高，速度快；它还具有低电压实际操作，功耗和对自然环境的强适应性的优点。
根据比较，单片机的设计在技术上是完美的，并且具有与外部电路的优异的兼容模式。
该系统软件简单，可靠，控制力强，成本低，易操作。
综上所述，本设计方案采用基于单片机的系统软件。
2.2.3智能医药箱的配药方案设计
配药的方式有抓取、倒取、吸取。
抓取是用机械抓手将药品抓取放入取药区内，但是机械抓手不好控制力度，而且不同药品形状大小不同，不好判断力是否合适，力大了容易破坏药物讲药片捏碎、胶囊捏瘪，力小了可能会在传送过程中就掉落；
倒取的方式就是将存药盒倒置拿取药品，这样无法准确计算药品的数量，达不到预期的效果；
吸取是用吸头将药品从存药盒内取出，这样既不会损坏药品，也方便计算药品的数量；通过比较可知，配药用吸取的方式最好。
所以为了保证配药工程的精确度和药品的完整度，我们选择自吸泵系统。
2.3智能医药箱的总体设计方案
2.3.1智能医药箱的功能
1.通过条形码识别模块录入药品信息
2.通过单片机控制实现药品的吸取和自动配药
3.利用指纹识别模块实现防误触
4.自动取药装置和语音模块结合达到无需操作即可服药的目的
5.解决部分老人分时序用药问题
2.3.2智能医药箱的设计框架
家用助老智能配送医药箱主要是由机械部分和控制部分等构成，具体如下图所示。
图2-1智能医药箱的构成
2.3.3智能医药箱的主要构成
智能医药箱主要由箱体部分及控制中心、存药装置、储药装置、分拣配药装置、取药装置五个模块单元组成。
使用在屏幕控制中心设置药品信息，再进行指纹识别进入存药装置，在信息设置之后可以让定时药箱进行分拣配药，则可进行指纹识别让药箱完成自动送药，完成后药箱将自动进行信息记录。
其系统工作原理流程图如下：
病人服药
病人指纹扫描
设置药品信息
管理者指纹扫描
图2-2系统工作原理流程图
屏幕控制中心可设置每日服药的药物种类、药物的数量、次数、时间；定时自动配药是在使用前管理员提前通过屏幕控制中心设置时间，到指定时间药箱会通过分拣配药装置自动配好药品，完成配药后会通过语音提醒系统提醒病人取药。
信息记录系统是对药品取用的数量和次数进行记录和储存，方便下一次的取药和存药。
图2-3系统控制方案设计图
3医药箱的机械结构设计
3.1智能医药箱的机械结构组成
智能医药箱的机械结构主要是由存药门部分、存药盒部分、密封部分、分拣配药部分、取药盒、以及取药门等部分组成。
如下图所示：
图3-1智能医药箱结构图
3.2智能医药箱的机械结构设计
3.2.1智能医药箱的结构设计方案
存药门部分：
如图3-2，存药门上的凸出圆弧形的轴能够与医药箱内壳上的弧形滑槽进行配合，存药门与连杆进行连接，并且连杆与医药箱内壳上的扭力弹簧进行配合，使存药门可以通过医药箱内壳上的卡扣来实现自身的开关。
图3-2存药门部分
存药盒部分：
如图3-3，存药盒部分由九个存药盒以及一个二层底盘构成，存药盒内部设计成倒锥形，可以方便配药装置进行药片的吸取。
在二层底盘设有九个凹槽，九个存药盒以及一个药品掉落口。
在存药门打开后可以取出存药盒；当取药装置将药片吸取后，药片可以通过药品掉落口将药片送到取药区。
图3-3二层存药部分
密封部分：
如图3-4，密封部分由三个部分构成，分别是密封盖、四个转动球杆以及内齿转盘。
转动球杆连接密封盖和内齿转盘，将内齿转盘的转动转变成密封盖的上下移动。
图3-4密封部分
分拣配药部分：
如图3-5，配药部分由电动推杆、连杆、吸头连接器和吸头组成。
吸头与吸头连接器连接，吸头连接器是中空的，通过软管连接到泵上以吸入空气。
吸头连接器与内壳上的垂直滑槽配合，并通过连杆连接到电动推杆上，电动推杆与固定套内的转向器连接。
当电动推杆前后推动时，吸头连接器固定吸头沿内壳上的垂直滑槽上下移动。
图3-5分拣配药部分
取药门部分：
如图3-6和图3-7，取药门部分包括与传动轴铰接的双开取药门，取药门传动轴边缘有齿条，齿条由电动推杆驱动，电动推杆与推杆连接轴固定；齿条在推杆连接轴的边缘，与内壳底部的齿轮组啮合，齿轮组与设置在传动轴的齿条啮合。
该装置包括放置在取药盒托盘上的药盒，在取药盒托盘的底部设有与一层底盘相配合的凸轴，在一层底盘上设有与取药盒托盘的凸轴相配合的凹槽。
有四个便携药盒和对应的凹槽。
图3-6取药门部分零件图
图3-7齿轮组图
取药盒部分：
如图3-8，该取药装置包括放置在取药盒托盘上的便携式药盒，在取药盒托盘的底部设有与一层底盘相配合的凸轴，在一层底盘上设有与取药盒托盘的凸轴相配合的凹槽。
有四个便携药盒和对应的凹槽。
图3-8一层底盘结构图
3.2.2智能医药箱的动力设计方案
旋转电机：
根据电源类型、工作条件、工作时间、负载性质、电机尺寸等选择电机。
两相42步进电机用于储药部分和取药部分。
适用于单片机控制、相应驱动器驱动的机器。
步进电机可以精确控制二层底盘和一层底盘的旋转角度，从而实现药盒和便携式药盒的精确定位。
转向器：
根据密封盖的重量、内齿轮转盘的转动、负载和空载情况下的稳定性来选择转向器。
电动推杆：
根据工况、工作要求等条件选择电机，配药部分和取药部分选择电动推杆。
4智能医药箱系统电路设计
4.1基于stm32的控制系统电路
STM32微处理器的最小系统分为时钟电路、延迟电路、电源电路三部分。
如图所示，单芯片设计的STM32自动控制系统的晶体振荡器电路被分成时钟部分和驱动部分两部分。
时钟电路可以精确地设置本地时间，并且可以以两个分频的15倍获得1秒的开启时间，并且可以使用程序流驱动RTC来获得精确的时间。
假如8M的晶振不振动，则芯片将无法正常运行。
因此，正确对晶振部分进行的设计是保证整个系统正常运行的前提。
在此次设计中，STM32通过3V的电压进行供电，此处的3V电压通过稳压芯片L1117-3.3由5V电压得到。
图4-1最小系统电路
表4-1STM32启动模式
BOOT1
BOOT0
启动模式
0或1
0
闪存启动
1
1
系统存储器启动
0
1
SRAM启动
4.2GM65条形码扫描模块
GM65码扫描控制模块是加载各种类型的条形码并在最短时间内扫描线性条形码的扫描模块。
可以简单扫描显示器上的纸的条形码和条形码。
条形码扫描控制模块实在智能图像识别技术优化算法的基础上开发设计的。
GM65可以满足更严格的扫描规定。
在完全黑暗的自然环境和温度范围非常大的前提下可以扫描和识别条形码。
通用条形码扫描控制模块可以根据串行通信端口扫描和识别条形码。
服务器机器和设备连接在一起。
如果GM65识别出控制模块连接到服务器中使用的串行套接字，则系统软件通常认为选择的方法是串行通信的方法。
在使用串行通信套接字的情况下，条形码扫描模块与服务器装置之间的主要通信参数的配置必须符合实际情况。
条形码扫描模块根据ST322ECTR服务器执行通信连接。
可以通过发出的命令来操作由条形码扫描模块识别的数据信息，并且可以改变条形码扫描模块的功能的主要参数。
通用条形码扫描模块的连接器为圆形插销，其中只有4个插销。
这四个销是数字时钟销CLOCK，是数据信息销DATA和开关电源销VCC开关。
电源接地GND通过中间控制板的STM3端口编号向模块供给9V开关电源。
另外，时钟销CLOCK和数据信息销DATA通过集电极连接，因此需要电阻值较大的升降机电阻。
图4-3条形码扫描模块事物图及电路图
4.3指纹识别电路
AS608指纹识别模块是ALIENTEK发布的具有卓越特性的光电设备指纹识别模块，该模块具有用于串行通信和USB通信的电源插座。
不需要在科学研究中使用复杂的图像处理和指纹识别优化算法，而是基于简单的串行通信操作模块，并根据通信协议使用USB。
表4-2AS608指纹引脚
序号
名称
说明
1
Vi
模块电源正输入端。
2
Tx
串行数据输出。
TTL逻辑电平
3
Rx
串行数据输入。
TTL逻辑电平
4
GND
信号地。
内部与电源地连接
5
WAK
感应信号输出，默认高电平有效
6
Vt
触摸感应电源输入端，3V供电
7
U+
USBD+
8
U-
USBD-
图4-4指纹识别模块事物图及电路图
4.4单片机控制电机电路
L298N是ST生产的高压、大电流电动机驱动器集成IC。
集成IC选择15针包。
主要特征是工作标准电压高。
OUT1、OUT2和OUT3、OUT4分别可连接到电动机的一相。
销5、7、10、12连接到控制电动机的正向和反向旋转的输入控制脉冲信号。
ENA和ENB控制也可以用于控制电动机的旋转和停止。
为了更好地控制步进电机的速度，电机只需要自动控制系统软件中脉冲计数器的频率或方位角的变化周期即可。
即，在加速的整个过程中，单个脉冲的输出频率逐渐增加。
在所有减速过程中，单个脉冲的输出频率会逐渐降低。
图4-5单片机控制电机电路
4.5显示屏电路
该模块采用了集成驱动程序。
集成IC支持具有不同系统总线宽度的微处理器的并行接口，并接收来自微处理器的光学数据信息和指令。
这与支持传统液晶驱动程序的内存和没有颜色深度的24位像素的液晶显示器接口。
ssd963防干扰能力一般，不能满足工业生产水平规范，但完全满足商业服务水平规范，对开关电源有更高要求。
该模块长期继承背光光耦合电路，led引脚通过上拉电阻导通。
功率低时背光灯关闭，色度可以通过PWM数据信号控制。
图4-6显示屏模块
4.6SIM800C电路
SIM800由5个模块构成。
CPU、NVRAM、程序存储器ROM、数据信息存储EEPROM和串行通信模块。
从不足的一个角落开始。
分别是I/O、Vpp、GND。
另一端是CLK，RESET、Vcc根据LEDD1表可以区别模块的运行状态。
D11打开一秒后关闭，此模块开始搜索互联网。
D11打开3秒后，这个模块正在搜索互联网。
SIM800C的输出是GSM/GPRS，使得能够对视频、声音、数据信息和信息内容进行功率消耗。
根据AT指令控制实际操作，建立与远程网络服务器的TCP连接，根据MCU完成对SIM800C的控制，完成机器和设备的实时监控。
缺点是接收灵敏度相对弱，并且复位连接时间较长，并且数据信息通常具有延迟时间ARM嵌入式操作系统小型，提高了集成性，具有强大的多功能和强大的数据处理方法的工作能力。
但是，价格越高，系统软件中资源的消耗就越大，这些软件具有适用于小规模纳税人的一般实用性规定。
在第三种情况下，单芯片的设计在技术上是完整的，并且具有与外部电路的优异兼容性模式。
这个系统软件简单，可靠性高，控制力强，成本低，操作方便。
图4-7SIM800C电路
5智能医药箱系统软件设计
5.1程序主流程设计
第四章主要阐述了智能医药箱控制系统的各硬件电路模块，并说明了智能医药箱控制系统的电路模块的工作原理。
同时智能医药箱也需要相应的软件控制硬件，使各电路模块按照设计进行工作。
本章说明系统软件的工作流程。
这次设计的智能医药箱系统软件包括显示器系统、指纹读取系统、条形码扫描系统、宏处理器控制电机系统。
本章将对上述系统进行介绍，智能医药箱的程序主流程图如下所示。
是
否
图5-1智能医药箱控制系统主流程图
5.2显示屏初始化子程序
TFTLCD液晶显示器的基本原理是基于LCD画面的透射率根据施加电压的大小而变化的特性。
数据信号操纵回路将信号，实际操作数据信号和时钟信号提供给数据信息IC，并将实际操作数据信号和时钟信号提供给栅极电压驱动器IC。
电源电路将朝开关电源电路的必要工作电压提供给数据信息IC和栅极电压驱动器IC。
电源电路将由数据信息光耦合器电路转换的10个灰度工作电压提供给数据信息驱动器。
栅极驱动电路从移位寄存器改变姿势，将输出电源电路转换为ON/OFF电压，然后依次将其添加到显示屏上。
5.3条形码扫描子程序
GM65条形码识别控制模块是具有高质量功能的扫描模块，不仅可以容易地加载各种一维条形码，还可以高速加载二维条形码。
对于线性条形码，扫描速度高。
也可以轻松扫描条形码版本的条形码和显示器的条形码。
条形码读取控制模块基于智能图像识别优化算法，开发并设计了一种优秀的条形码编码解码优化算法。
简单、准确地读取条形码标记，大大简化了条形码读取产品的难易度系数。
开发设计的GM65的制作符合最严格的扫描。
可以提供完全黑暗的自然环境和过大的温度范围内一致的扫描特性。
通常保持升降机电阻，并且在输出时被提升到低频，然后自动地被调整到升降机电阻。
当条形码扫描仪扫描合理的条形码时，它会自动生成时钟信号。
5.4指纹信号读取匹配子程序
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