基于单片机的智能配药助老机器人电路的设计与实现

郭 伟 梁慧敏 王莉莉

（柳州城市职业学院，柳州 545036）

以智能药盒为研究对象，研制一款具备人性化的智能配药机器人。在传统智能药盒基础上进行改进、完善和人性化设计，从老年人的生活习惯和健康需求出发，根据人机原理，将计算机、机械和智能技术应用于药盒装置，集药盒造型和配药功能于一体。这款智能配药助老机器人具备自动分拣、综合提醒和人机交互等功能，可为老人服药提供最大便利，帮助老人培养科学的服药习惯。

1 总体设计方案

针对老年人的用药行为特征，确立智能配药助老装置的设计研发策略，依据研发策略制定设计方案。设计以机械构造为基础，在机械结构方面通过配药机构将不同药品送到指定位置，由抓药机构按照设定值抓取足量药品，以达到每次对多种药品进行配药的目的。设计以STC8A8K64K为主控芯片，通过主控芯片读取配药机构内传感器信息判断出药量与吃药情况。控制器还具备控制声音系统发声提醒、LCD屏幕显示运行状态及药品条形码读取识别等功能。

智能配药机器人由药品配送系统、举升振动系统、抓药系统、取药系统及电控系统5大系统组成，如图1所示。通过药品配送系统1将不同品种药品输送到抓药位置，再通过举升振动系统2将待抓药药盒举起并进行振动，最后通过抓药系统3把药品抓取输送到取药系统4。以上整个动作过程通过电控系统5实现。

图1 总体结构图

2 电路设计

根据设计要求，电控系统包括单片机控制系统、药品条形码扫描模块、定时电路模块、无线遥控模块、LCD显示模块、电机驱动模块、语言提醒模块和直流稳压电源部分。电路结构框图如图2所示。

图2 电路结构框图

2.1 基于单片机的控制电路工作原理

在装入药物时，通过条形码模块扫描药品条形码，经过光电转换和译码，读取药品编码信息后送到单片机，单片机根据药品编码信息进行识别处理。如果系统内储存有该药品的信息，则单片机控制电机模块，启动转盘步进电机正转，带动药盒架转动，将固定在架子上的对应药盒送到指定位置，便于装入药物，否则在LCD屏幕上显示药物资料尚未录入的提示信息。再次扫描该药品条形码，单片机识别信息并判断为复位操作，控制电机反转，使得药盒架回转到初始位置。

定时电路模块记录当前日期、时间信息以及储存服药闹钟时间，持续向单片机传送相关的数据信息。单片机对时间与时钟数据进行识别和判断，待到服药前60 min启动配药程序，根据设定的服用量对药物进行抓取和配制。配药处理程序控制药盒架电机、举升支架电机、线性导轨丝杠滑台和真空泵电机协调工作，按照程序算法设定的轨迹和动作对药物进行识别、抓取、挪移和放置，同时在LCD显示屏显示当前的装置工作状态。

2.2 电路设计

2.2.1 单片机控制系统

宏晶科技STC8A系列单片机是抗干扰能力强、低功耗、高速及无需外接晶振的新一代8051增强型单片机，提供了丰富的数字外设接口，包括59个I/O口、5个定时器/计数器、15位增强型PWM、4组PCA/CCP和15路高速ADC，可满足机器控制的需求。本系统选用型号为STC8A8K64S4A12的单片机作为核心控制系统，完成对整个产品系统的控制和管理。

2.2.2 无线遥控模块

无线遥控模块采用红外遥控。红外遥控是以红外线作为载体来传输和接收数据信息的一种非接触无线控制技术，具有一定穿透能力、信息传输可靠及抗干扰能力强等优点[1]。本系统采用TL1838芯片进行遥控电路的设计，通过微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）对接收到的无线信号进行解码和辨析，并根据不同的信息码转换为相应的系统控制数据，实现对药物名称、服用药量及取药时间等的设置操作，同时在LCD屏幕上显示信息变化的全过程。

2.2.3 条形码识别模块

通过扫描药品条形码对药品信息进行读取和识别，可以提高装药的速度，降低装药的错误率。本系统选择E1007条形码扫描头，扫描角度广，扫描速度快，分辨率达到1 200 dpi，且对图像信号畸变和场曲具有特殊的优化处理，能够保证在识读条形码信息时的速度流畅和数据正确。

2.2.4 LCD显示模块

LCD显示设备常用于仪器仪表设备的显示屏幕，能够清晰显示数字、汉字，通过灵活的接口技术和简单的程序编程，构成全中文人机交互图形界面[2]。本系统显示模块设计采用了LCD12864显示屏，显示字体大，显示图像清晰，性价比较高，能满足产品的显示使用需求。

2.2.5 电机驱动模块

步进电机是一种将电脉冲信号转变为相应角位移或线位移的开环控制电机，广泛应用于各种自动化控制系统[3]，在机械、医疗和机器人等设备中具有重要作用。本系统设计了基于DRV8825集成电机驱动芯片的步进电机控制电路，控制转盘、举升和导轨丝杠滑台步进电机的正转、反转和停止，通过程序算法自动调整步进电机的转动方向、转动圈数和角度位移，并在LCD12864显示屏上显示当前的电机运动状态（包括装入药物、配药数量和配药位置），同时通过光电传感器配合串口传输模式完成与MCU的通信功能。

2.2.6 语言提醒模块

ISD1820是一款高性能录音芯片，内含振荡器、话筒前置放大及自动增益控制等电路[4]，可直接推动8 Ω/0.5 W喇叭输出，播放音质清晰。由单片机发出控制信号，送至芯片的REC录音端口，能够随意录音保存。录音完成后，待闹钟时间到来，单片机发出控制信号，送到芯片PLAY端口即可播放录音[5]。

2.2.7 定时电路模块

DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗及具有涓细电流充电能力等多种功能的可持续计时时钟芯片。它通过三线接口与MCU进行同步I/O通信，接口简单，连接方便，程序代码简洁。本设计中采用DS1302时钟芯片记录日期和时间，数据时间精度准确，能够保证产品系统的时钟正常记忆和稳定工作。

2.2.8 直流稳压电源

选用工业封装设计的明纬D-120B开关稳压电源为单片机及其外围设备供电。该电源具备两组两路直流稳压电压（5 V 6 A/24 V 4 A）输出，有完善的短路保护、过载保护及过压保护电路，纹波和噪声系数小，负载稳定度高，能提供高效、稳压、可靠的电能，保证电控系统的正常用电。

3 创新点

以老年人为中心，按照相应的设计原则，在传统智能药盒基础上进行改进、完善和人性化设计，实现全自动配药，提高智能控制程度，是本研究项目的主要创新点。

3.1 精准取药

由于药品种类繁多，形状各异，轻重不一，使得配药装置如何实现精准取药成为研究难题。本装置利用真空泵，辅以大小合适的吸嘴，借助适宜的机械联动构件，准确吸附有固定形状且直径各异的常见药片、药丸和胶囊，并利用传感器技术保证每次取出一颗药，有效控制取药量。

3.2 进一步提高取药精度的措施

在取药过程中引入了振动系统，利用振动电机与传动机构带动药盒振动，使得药片在盒内均匀分布，更容易接触到吸药嘴，辅以传感器，使得吸药更加精准可靠。

3.3 基于人机交互方式的智能化功能

配药机器人具有扫码配药、自动配药、触控界面交互及远程控制等多种功能，自动化程度高，操控简单易用。

4 结语

与同类型的智能药盒相比较，这款智能配药助老机器人在设计与功能上颇具前瞻性，能够实现自动配药、提醒服药及精准抓取预设的药品等功能，并能够对多种药物进行全自动分配，满足人性化设计理念，解决了老年人忘记服药、服错药及服药量不对等难题。设计上提出的设计原则和想法，能够为老年智能产品设计的发展提供新的参考和借鉴，从而更好地促进老年医疗产业的完善和发展，让老年患者更好地能体验和享受智能科技的成果。