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智能药箱说明书

第九届全国大学生机械创新设计大赛

智能配药药盒项目

2019年11月22日

《设计书明书》

作品名称：

智能配药药盒

设计者：

指导老师：

设计专业：

电气工程及其自动化与机械设计制造及其自动化

摘要

随着社会的发展人们的生活水平在不断提高，人们对健康也越来越重视。

可是随着年龄的增长各种慢性疾病随之而来。

老年人年纪大、记忆力差、视力不好，可能造成吃错药、忘记吃药、吃混药等问题。

基于对老年人的健康关怀，我们研制出来了能准时提醒吃药、定量分配药物以及具备相应防错功能的智能药盒，它可以更好地解决高龄人群吃药麻烦的问题，不仅做到了让老年人安心，同时也让子女放心，是实实在在的父母好我就好，一家老小齐欢笑啊！

智能药盒是基于STC89C52单片机为控制芯片，采用模块化的设计，结合了扫描识药模块、机械自动分药模块，定时提醒模块。

主要实现功能：

1、通过扫描药品条形码识别药品，自动打开对应储药罐；2、根据设定的吃药时间，发出提醒信号；3、按设定的药品用量自动配置药片。

关键词：

智能识药储存；机械自动分药；定时提醒；STC89C52单片机

8.附录

1.绪论

1.1引言

随着科学技术的日益发展，人们的生活水平不断提高。

机器人已经发展并应用到各个领域，人工智能也逐渐贴近生活。

随着时代的变迁，各国逐渐步入老年化，老年人的人均占比逐渐增大。

而与此同时年龄增长也带来了许多的健康问题，大部分的老年人都需要药物维持身体的稳定。

可是很多的老年人随着年龄的增长，不仅视力变弱也很容易健忘，因此对于大多数的老年人群体来说按时吃药已成为了一个迫在眉睫的难题。

若是药物一多再加上各个药物还不在同一个时间段吃，这要老年人记住，这就更不可能了。

再者很多时候老年人连药都吃完了才发现要去拿药，在这一段时间里因为很多的不确定的因素导致会耽误患者的治疗时间，从而加重病情。

这次参赛作品智能药盒就是针对这一普遍存在的现象所设计的。

不仅是一种药物储存的容器，更是提醒老人按时吃药、提前拿药同时子女还能同步得知家中老人是否服药的贴心小帮手。

有了它的存在再也不用担心因忘记吃药或药物耽误而导致的病情恶化，与此同时孝顺的子女们也不会因为不在父母的身边时刻提醒、监督吃药而感到愧疚。

真真的做到了父母安心、孩子省心、家人放心。

1.2目前智能药盒的现状

通过市场调查的发现提醒老年人吃药的药盒种类繁多，但智能化药盒很少，许多的盒子都只是单一的解决了提醒吃药的问题，对于老年人吃错药、吃不到药等问题没能得到很好的解决。

目前市面上出现的药盒普遍具有以下几点不足：

（1）大多是造型简单、储存量小、无法满足人们的需求储存药盒；

（2）功能单一的提醒患者吃药的智能药盒；

（3）性价比低；

1.3作品功能及特点

（1）防止患者吃错药：

通过扫描仪识别药品后将不同的药品放入指定的药盒中；

（2）提醒患者吃药:

通过时钟芯片的设定，患者可以通过自身的用药需求设定相应的取药时间；

（3）定量配药：

定量配制所要吃的药丸；

（4）方便、安全；

（5）价格便宜；

2.系统总体设计方案

该系统是以STC89C52单片机作为核心控制，以控制微型直流电机运转为基础，通过时钟芯片发出的定时信号，单片机处理信号控制直流电机的正反转来推动机械结构动作以实现自动分药功能。

在提醒过程中，单片机控制蜂鸣器响铃，发光二极管闪亮，发出声光信号完成提醒功能。

在装药过程中，扫码枪扫描药品的条形码后，单片机处理信号控制电机运转打开对应药盒。

系统总体设计方案如图2.1所示。

单片机STC89C52单片机

图2.1　系统总体设计方案

首先，在药盒初始装药时，按下扫码按键。

扫码枪扫描药品的条形码后，单片机储存该药品信息，并指定一个药盒用于储存该药品。

在后续装药时，扫码枪扫描药品条形码信息与单片机内存储的药品信息进行比对。

单片机处理信息后，打开对应的药盒等待药品放入。

完成装药功能。

然后，在药品完成放置之后，通过手动调节螺旋杆来控制取药口的口径大小，让药品进入预定的输药管内完成药品的预排列。

单片机控制电机带动圆盘旋转取药，每旋转一次就从预排列出药口取药一次。

单片机根据内部设定控制取药次数，以此完成取药功能。

单片机收到内部时钟芯片的定时信号后，单片机处理该信号，控制蜂鸣器响铃，发光二极管闪亮。

发出声光信号提醒使用者取药服用。

3.系统硬件设计

3.1定量配药模块

设定要选取的药品的数量，由单片机处理后，产生相应的输出信号驱动分药电机工作。

分药采用在药罐底部预留药品大小的一个孔洞，在药罐底部外面设置一个与药罐的大小相同的圆盘，圆盘与药罐底部的小孔相同的一个孔洞，圆盘每转一圈，就漏下一颗该药品。

这里选用普通直流电机，直流电机运转平稳，采用电机驱动芯片L298N。

L298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。

通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，调试时在依照芯片手册，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。

3.1.1机械分药模块

机械分药模块分三个部分组成。

（1）控制分药药品的直径装置

药品通过药罐下沿的流出口（该孔直径，为市场上老年常见病治疗药品的最大药品的直径）与网管的上沿连接在一起。

药品从药罐的流出口流出，进入网管中。

网管的下沿与放缩管的上沿连接在一起，使之形成一个控制孔。

旋动药盒的控制直径大小的旋钮，顺时针转动，放缩管收缩，使放缩管内与网管连接的控制孔缩小，从而缩小预存管的直径。

逆时针转动，放缩管放大，使放缩管内与网管连接的控制孔放大，从而扩大预存管的直径。

分药药品从网管流入，通过控制孔再流入预存管中，完成分药药品的预排列过程。

（2）控制分药药品的厚度装置

通过扫码识别后，开盖放入药品，药品进入药罐中。

药箱上方有旋钮，旋钮通过皮带和药罐连接在一起。

皮带与药罐上沿的螺纹卡槽连在一起（顺时针：

药罐顺时针转动，通过螺纹卡槽，向上运动；逆时针：

反之，则向下运动）。

通过控制旋钮的转动，来控制药罐上下平移，来控制预存管与分药底板的距离，来控制被分药药片的厚度。

（2）分药装置

药品进入预存管，完成预排列。

预存管下沿设有转盘，转盘在分药底板上，预存管下沿至分药底板的距离为分药药品的厚度，通过控制分药药品的厚度装置来控制。

转盘上设有一小孔，该小孔与药罐下沿的流出口直径相同。

转盘连接在电机的转轴上，给电机供电，电机转动，带动圆盘旋转。

圆盘能通过小孔卡住药片，带动药片一起旋转，当最下面一片药品被转盘带动后，预存管的下一片药品被卡在预存管里，无法流出。

当转盘旋转到一定角度后，分药底板上设有出药口（此出药口较大为药品的十倍左右），当转盘上的小孔与出药口内切时，分药药品便进入出药口，完成一片药品的分配。

此时，电机转动并不会停止，电机会一直旋转，会回到原来的位置。

当电机带动转盘快到回到原来位置时，转盘转动预存管与转盘小孔会开始外切，直至预测管口与转盘小孔内切时，药品从预存管流出，进入到分药转盘的小孔中，完成下一片药品分配的初始状态。

每运行一次，会分配分药药品一片。

通过控制电机转动的圈数，来控制出药药品的数量。

分配药品的分配数量，通过提前设定。

3.1.2电机驱动模块

L298N驱动直流电机，它靠两个引脚控制一个电机的运动。

小车采用四轮驱动，小车两侧的电机短接起来各接到L298N的一个输出端。

通过正反转来达到控制的目的。

芯片引脚和功能如图

图3.1L298N驱动实物图

图3.2驱动电路图

3.2扫码装药模块

在药盒装药时，需要扫码枪对药品外包装上的条形码进行扫描读取信息。

将扫码模块与单片机相连，扫码枪扫描得到的信息将被送到单片机进行处理。

如下图所示，单片机的XTAL1和XTAL2引脚分别接晶振电路；EA和RST引脚接复位电路；P1口接三个LED指示灯，指示扫描器的工作状态；GDS光电检测开关的输出信号输入到74LS04的4引脚，再通过6,7引脚输送到单片机的P3.2，P3.3引脚进行数据的采集；单片机的P3.0，P3.1引脚输出信号MAX232进行一个TTL电平的转化，最后通过DB9接口将数据传送到单片机进行读取。

图3.3扫描模块实物图

3.3定时提醒和压力检测模块

选STC89C52单片机作为系统核心，通过串行时钟芯片DS302读取时间，再加上四个独立按键作为输入信号，使用LCD1602显示屏显示时间，最后用蜂鸣器实现提醒功能。

独立按键用软件编程实现对时间和闹钟时、分的设置，再通过比较所设置的闹钟与时间是否相等，达到定时发出声响的效果。

图3.3定时提醒模块实物图

为了测定药罐的药品是否满足要求，故设置压力检测模块。

为了保证测量的精度，采用电阻桥式压力传感器。

由于药品的重量一般较轻只有几克到十几克之间，选用毫克级的压力传感器。

图3.4压力检测模块实物图

3.4控制芯片

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统的51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

原理图如图3.5所示，实物图如图3.6所示。

图3.5　STC89C52RC原理图

图3.6　STC89C52RC实物图

4.系统软件设计

4.1系统主程序设计

该系统的主程序框架主要由扫码存药程序、自动分药程序、定时提醒程序等子程序构成。

其中扫码存药程序又分为两个子程序：

药品初始定位存储程序、药品对比定位存储程序。

在扫码时单独使用一个单片机用于处理扫码信号，另外再使用一个主单片机来处理其他程序，当主单片机收到定时信号时，主单片机立即发出信号，通过直流电机芯片控制开盖电机运转，推动内部机械结构完成自动分药，将存药药盒内的药片推入临时药盒。

之后，单片机发出信号，控制蜂鸣器响铃，发光二极管闪亮。

当存药药盒内药品快用完时，药盒底部安装的压力传感器发出信号给主单片机。

单片机收到信号后，控制蜂鸣器响铃，并使与药盒对应的发光二极管闪亮。

主程序框图如图4.1所示。

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图4.1　主程序框图

4.2扫码存药程序

在初始装药时用户使用按键1。

开启扫码。

单片机处理扫码信号，将扫码信息储存在寄存器中并控制开盖电机打开一个空的药盒用于存储该种药品，在后续装药过程中，用户使用按键2，开启扫码，单片机处理该信号，将扫码信息与寄存器中的信息进行比对。

若对比信息相同则控制开盖电机打开与之对应的药盒用于储存该种药品，若对比信息不同则不打开任何药盒，以保证在装药过程中不会出现将药品装错药盒的情况。

4.3自动分药程序

用户通过按键输入每种药品的取用量（片数）。

主单片机将该信息储存寄存器中，当主单片机收到定时信号时，立即根据寄存器中的信息，来控制分药电机的运转次数。

电机每运转一次与之相连的机械结构动作一次放出一粒药品。

通过机械结构打开对应的存药药盒放出正确的药片数量。

4.4定时提醒程序

时钟芯片给单片机提供时钟信号。

用户通过按键设定定时时间。

当主单片机收到定时信号后，立即发出信号控制蜂鸣器响铃，发光二极管闪亮，产生声光信号，提醒用户及时取药。

5.系统调试与实现

5.1系统调试

系统调试过程中遇到的问题与解决方法：

5.1.1扫描装药模块问题

1.条形码破损无法识别问题

条形码损坏，造成扫描器无法正常识别，无法产生电信号，使处理器无法进行处理，无输出信号产生，造成盖子无法打开。

选择正常的条形码进行重新扫描识别，对条形码进行预设

2.扫描器出现故障问题

无法对条形码进行识别，使输入的电信号无法产生，处理器无法产生输出信号，使药盒盖子无法打开。

对条形码识别出错，产生的电信号发生偏差，使芯片处理的输出信号发生偏差，使相应的药与药盒不匹配。

对扫描器进行检查，进行正常的测试，如正常，则进行相应的条形码编码编程，如故障，则对扫描器进行维修。

5.1.2定时提醒模块故障问题

到了设定时间，蜂鸣器无法工作。

可能连接蜂鸣器的线路出现故障，先检查蜂鸣器的静态工作状态，若正常，及时检修相应电路结构；若故障，更换蜂鸣器再进行调试。

查看设定时间的编程程序编码是否有误，进行相应的测试，及时修正相应的漏洞。

5.1.3定量分药模块故障问题

当出现的药品与所设定的数量不符或无法出药时，检查相应的编程程序是否存在漏洞，进行测试。

检查电机的工作状态，确定电机工作是否正常，若电机损坏，及时更换电机，再进行重新测试。

5.1.4出药药品的厚度和直径调节

当出药药品的厚度不满足要求时，检查皮带是否完好，螺纹卡槽是否有滑丝。

当出药药品的直径不满足要求时，检查旋钮是否滑丝，里面的固定点是否固定完好，是否出现破损和断裂。

5.2系统实现

首先，用户在按下扫码按键，使用扫码枪扫描待存药品的条形码后，药盒自动打开，用户将药品倒入药盒中。

再通过定时按键设置闹钟时间，然后通过定量按键设置每种药品的取用量，当闹钟启动后，存药药盒中的药品按设定的取用量依次落入待取药药盒中，同时蜂鸣器响铃，发光二极管闪亮。

用户将当次药品取走，当某一药盒里的药品不足时，蜂鸣器响铃，该药盒上的发光二极管亮起。

通过测试，药盒在测试中能够到设计要求的功能。

6.总结展望

6.1总结

智能药盒具备批量存药、定时吃药、按量配药、缺药提醒的功能。

它不仅能代替人工将不同的药片按照设定的数量准确分配出来，并且在存药和配药过程中，配备了防错装置，有效避免了人工可能出现的误操作。

本设计通过扫描模块、时钟模块、电机模块的相互配合，在降低成本的同时，保证了整体系统的稳定性，准确性和快速性，让人们吃上“放心药”。

尽管智能药盒在功能实现上和经济成本上表现突出，但就整体结构而言，还存在以下几点需要改进：

（1）装置体积需要缩小，由于电路设计集成度不高，加之机械结构并无批量生产，导致药盒整体体积较大，

（2）由于研发时间有限，在动力部分无太多时间进行试验，本次采用电机作为动力部分，虽然能够保证功能的实现，但从功耗和持续性上，并不是最好的选择。

（3）由于市面上各种药丸大小不一，使得某些奇形怪状的药丸并不一定能适用，因此在配药结构方面还需要继续改进。

6.2产品展望

随着出生人口的逐年减少，老龄化进程加剧。

当人开始进入老年时，各种病症随着身体的衰老而来。

这时候需要药物来减少病症的特征和保健身体。

这个产品就是为了老年人而设计的一种生活用品，市场前景广阔。

之所以面向老年群体，是因为该群体具有特殊性，他们是最需要产品在生活上弥补其弱点和在情感上的特殊关爱的一个群体，需要将产品做到人性化，简便化，关爱老年人这个特殊的群体。

7.参考文献

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