鄭文棟，胡 非，王 博，景洪昌，陳和順，馮麟媛

（湖北師范大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，湖北 黃石 435002）

1 研究背景

中國老齡化情況日益加重，老年群體占人口的比例也逐漸增加。老年人患病種類中，慢性病占著較大的比例，老年人服藥過程中也出現(xiàn)了服藥種類多、數(shù)量多，藥品包裝復(fù)雜，服藥過程繁雜的情況，這也是老年人在服藥過程中遇到的困難[1]。隨著老年人的記憶力下降，就出現(xiàn)了健忘癥，他們經(jīng)常忘記按時吃藥，若是遇到較為苛刻的用藥要求，如在不同的時間服用不同的藥品的情況，這種要求使得老年人準(zhǔn)確服藥更是難上加難。而且很多老人身邊是沒有家人陪伴的，也不會有醫(yī)生在旁指導(dǎo)，這種情況下服藥，就會存在很多安全隱患。目前市場上的大多數(shù)藥盒都沒有具體的時間標(biāo)注，藥盒的主要目的基本上是為了儲存藥品，對于復(fù)雜的用藥過程是沒有詳細(xì)的指導(dǎo)功能的，最多只是做到簡單的用量和大體時間的標(biāo)注。老年人的忘服藥、誤服藥以及亂服藥等問題不能得到根本上的解決，大部分藥盒對老年人的正確用藥沒有起到幫助作用，針對老年人的心理、生理以及生活行為來設(shè)計(jì)的藥盒更是少之又少。因此，設(shè)計(jì)一種能夠方便老年人用藥，還能夠解決老年人服藥問題的智能家用藥盒十分必要。

2 智能藥盒整體設(shè)計(jì)背景和思路

單片機(jī)隨著現(xiàn)代社會的需要也在不斷發(fā)展壯大，各種電子產(chǎn)品中已普遍地使用到了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的集成電路。以單片機(jī)為核心的數(shù)字集成電路產(chǎn)品正是基于其具有體積較小、功能豐富和低功耗等優(yōu)勢，才有巨大的市場開發(fā)價值[2]。因此電子智能藥盒公司在選定型號時，就充分考慮了單片機(jī)的功能體積和產(chǎn)品耐用性等因素，并使其朝著智能化、微型化的方向發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展本就是為方便人們，鑒于老年人在服藥中遇到的各種問題，智能藥盒的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

STC90C516 單片機(jī)、LCD1602 液晶和單片機(jī)的定時/計(jì)數(shù)器等工作原理和結(jié)構(gòu)，在結(jié)合云平臺的基礎(chǔ)上，成為了家庭智能藥盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)所相關(guān)硬件的工作原理和結(jié)構(gòu)[3]。該系統(tǒng)的運(yùn)行方式是：采用單片機(jī)控制器使嵌入的STC90C516 微電腦定時器可以被中斷，從而讓系統(tǒng)能夠監(jiān)測時鐘的執(zhí)行情況，同時也可以在LCD1602 液晶體上顯示出當(dāng)系統(tǒng)偵測到有時間設(shè)定功能按鍵及藥物設(shè)定功能按鍵的信號后，進(jìn)入中斷時間及設(shè)定狀態(tài)時，就可以打開中斷并按下定時按鈕，以記錄當(dāng)前設(shè)定的時間以及用藥量。當(dāng)系統(tǒng)的定時調(diào)機(jī)完成之后，在系統(tǒng)定時工作的過程中，會連續(xù)不斷把系統(tǒng)的實(shí)際時間和記錄時間進(jìn)行比較，而當(dāng)二者時間相同時，系統(tǒng)就會產(chǎn)生警告，并提供完整的合理用藥數(shù)據(jù)，1 min 后，如果實(shí)際時間與系統(tǒng)的記錄時間不相同的話，系統(tǒng)就會主動退出提醒。這樣提示病人要準(zhǔn)時吃藥并且合理用藥的系統(tǒng)適合在家庭中應(yīng)用。

3 藥盒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 藥盒系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

藥盒控制器采用了STC90C516 單片機(jī)為主控器件，同時整合了由單片微型計(jì)算機(jī)提供最小系統(tǒng)輸出電壓所需的上電及復(fù)位回路，并內(nèi)置晶體振蕩器集成電路，電源模塊為藥盒系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的直流電源，讓系統(tǒng)正常運(yùn)行。

以STC90C516 單片機(jī)為主控芯，同時整合了單片微型電腦的最小芯片的上電復(fù)位回路和內(nèi)置晶振集成電路的藥盒芯片，而LED1602 顯示模塊則主要作用是系統(tǒng)時鐘及其他數(shù)據(jù)的指示共振，語音系統(tǒng)是通過接收從單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)中傳送過來的語音信息達(dá)到對聲音信息顯示的目的，而LED 發(fā)光二極管和具備語音功能的蜂鳴器起到了協(xié)助報警作用。在編程時，利用其內(nèi)核或者單片機(jī)的內(nèi)存資源、所有驅(qū)動程序資源資源的程序儲存區(qū)進(jìn)行調(diào)用，然后利用單片機(jī)的接口、單片機(jī)的引腳以及系統(tǒng)其他的模塊資源，子程序和LCD1602 數(shù)據(jù)的刷新程序需通過主程序的按鍵來掃描，把LCD1602 和按鍵模塊相結(jié)合，以達(dá)到通過按鍵輸入的所有信息能夠在LCD1602的液晶顯示屏實(shí)時播放的效果。系統(tǒng)中所有模塊間的配合功能是由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，2+2+4 的8 個按鍵的輸入，也是由單片機(jī)完成檢測，同時可以將原先錄入的所有信號都顯示在LCD1602 顯示器上[4]。由1 個功能鍵、1 個調(diào)整按鍵和4 個定時對應(yīng)的定時按鈕來進(jìn)行定時器設(shè)置，一按下功能鍵就可使用調(diào)整按鈕完成調(diào)整，時間和藥物劑量的6個數(shù)值的選擇根據(jù)按下功能鍵的不同次數(shù)設(shè)定，最后一步則是再次按下功能鍵以及4 個定時鍵之一，在這個時候LED 燈就會閃爍，這表示已經(jīng)完成了一次定時操作，此時，系統(tǒng)將會繼續(xù)運(yùn)行。

結(jié)束定時設(shè)計(jì)之后，來調(diào)整系統(tǒng)的時刻設(shè)置，可用功能按鈕和時間調(diào)節(jié)按鍵這2 個按鈕來實(shí)現(xiàn)，只要把功能鍵全部按下，就能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時刻，而分?jǐn)?shù)和小時數(shù)的調(diào)整則取決于按下功能鍵的次數(shù)，在進(jìn)行了系統(tǒng)時刻的調(diào)整后，當(dāng)最后一次按下功能鍵后，系統(tǒng)時鐘就會開始工作。而系統(tǒng)的實(shí)際時間調(diào)整是通過單片機(jī)的定時器來實(shí)現(xiàn)的，由單片機(jī)的時間測量功能來測量系統(tǒng)的實(shí)時時間和另外4 個定時時間之一是否相等，一旦實(shí)時時鐘運(yùn)行到預(yù)定的定時關(guān)機(jī)時間，LCD1602 顯示器上將會顯示藥物劑量，蜂鳴器會發(fā)出響亮的蜂鳴聲，LED 指示燈閃爍，提醒用藥時間到了。大概1 min 后，實(shí)際時鐘就會到達(dá)定時時間，但此時實(shí)際時間和定時時間將不再相同，系統(tǒng)將退出報警程序。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個軟件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括STC90C516 單片機(jī)、2+2+4 按鍵、開關(guān)電源、晶振電路、復(fù)位回路、液晶顯示、蜂鳴器電路、發(fā)光二極管等幾個部分。

3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由STC90C516 單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路等構(gòu)成。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)軟件的功能是利用單片檢測按鍵進(jìn)行信息的輸入，并且能夠?qū)⑤斎氲男畔㈦S時顯示在LCD1602的液晶顯示屏上，這時候系統(tǒng)就會自動將設(shè)置用藥的時間記錄下來，將系統(tǒng)時鐘設(shè)置好，所有的設(shè)置完畢后，系統(tǒng)就可以開始運(yùn)行了[5]。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，單片機(jī)就會對比系統(tǒng)的實(shí)時時間和定時時間之間的區(qū)別。當(dāng)兩種時間一樣的時候，系統(tǒng)就會發(fā)出警報，并且會在顯示屏上顯示該次服用藥物的劑量。子程序由主程序控制著，子程序之間又相互作用、相互協(xié)調(diào)?？偠灾?，所有對應(yīng)子程序的元件只要驅(qū)動子程序，各個子程序就會自動進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作，共助系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

主程序模塊的作用包括對系統(tǒng)各個部件初始化的控制，調(diào)用各個功能的子程序，當(dāng)然，調(diào)用這程序的方法也可以通過兩重及以上的嵌套，主程序控制著多個子程序模塊系統(tǒng)，只要將主程序進(jìn)行運(yùn)行，就可以實(shí)現(xiàn)各個子程序模塊之間的協(xié)調(diào)功能。隨著主程序的運(yùn)作，整個系統(tǒng)將持續(xù)進(jìn)行運(yùn)算操作，這樣每個階段的不同功能就可以被實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)的主程序之中，當(dāng)主程序在不同的階段運(yùn)行時，通過時鐘的作用，主程序首要的任務(wù)就是將各個模塊進(jìn)行初始化，其次才是進(jìn)入循環(huán)；在系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)后，通過對鍵盤進(jìn)行掃描，從而調(diào)用子程序，并且通過掃描進(jìn)行信息的輸入，經(jīng)過系統(tǒng)運(yùn)算，就會更新子程序，把原先輸入的所有信息都在LCD1602 上顯示出來，從而完成這4 次時間以及用藥劑量的設(shè)置，然后調(diào)整實(shí)時時間，只要實(shí)時時間一直向前運(yùn)行，一旦設(shè)定時間與系統(tǒng)的實(shí)時時間相等，系統(tǒng)就會進(jìn)入報警程序。

4 智能藥盒語音和定時功能

老年患者在選取藥物的時候，直接觸碰頂蓋上的觸摸屏以及按鍵進(jìn)行操作，就可以輕松完成取藥服藥。這個功能可以有效幫助行動不便的老人，或者是視力不好的老人，他們可以通過語音功能輸入命令，用語音來操控智能藥盒，這樣就可以輕松拿到他們自己想要拿的藥。并且可以在老年人忘記拿藥的情況下，會通過原先設(shè)計(jì)好的時間發(fā)出報警聲，以這種方式來提醒老年人吃藥，同時，還會自動將老年人需要的藥品提取出來，對于健忘的老年人來說，如果他們忘記或者拿錯了藥品，這個功能可以解決這類問題。還可以通過網(wǎng)絡(luò)通信功能，將智能藥盒旋轉(zhuǎn)功能的運(yùn)行信息上傳到云服務(wù)器上，這種功能可以可以通過APP 來控制，當(dāng)老年人身邊沒有人幫助的情況下，這種功能就可以用到，比如老年人的子女可以直接用過手機(jī)來操作，遠(yuǎn)程提醒老年人服藥。

最后經(jīng)過研制，形成產(chǎn)品——多功能智能藥盒，如圖1 所示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以STC90C516 單片機(jī)為核心，具備LCD1602 時間指示、4 次計(jì)時、蜂鳴器提示服藥時間、提示4 種用藥劑量等功能。所采用的STC90C516 系列單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)、低功耗以及安全性高的特點(diǎn)。本文的出發(fā)點(diǎn)是為了防止老年人漏服或錯誤藥物、忘記服用藥物、亂服用藥物等現(xiàn)象的發(fā)生，滿足老年人方便、正確和安全用藥的需求，而設(shè)計(jì)了一種能夠做到智能分類藥品、遠(yuǎn)程操作、定時提醒服務(wù)以及語音識別等效果的智能藥盒。本文主要對智能藥盒這款產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，使智能藥盒的功能更加豐富，既可以適應(yīng)老人在各種情況下的使用需要，也可以從根本上提高老人的生存品質(zhì)，從而改善老人的生活水平[6]。

在中國老齡化越來越嚴(yán)重，人們越來越注重健康的環(huán)境下，智能藥盒非常具有實(shí)用價值。在系統(tǒng)功能上，如集成DS1302 添加了萬年歷的功能；在集成測溫模塊上，增加了對室內(nèi)溫度的檢測功能。這樣可以充分利用單片機(jī)的功能，將系統(tǒng)的可用性進(jìn)一步增加。