基于單片機(jī)的醫(yī)療冷庫智能監(jiān)控裝置研究

劉桐　黃偉平

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；監(jiān)控；溫度；DS18820

中圖法分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著科技的發(fā)展，信息技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)也在不斷提升，智能冷庫已應(yīng)用到各行各業(yè)中，醫(yī)藥行業(yè)也不例外。裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)冷庫全自動(dòng)控制，既可以滿足藥品保存的不同需求，又能對(duì)進(jìn)出冷庫的藥品設(shè)備及人員進(jìn)行錄像監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)合一”的理念?，F(xiàn)在藥品越來越多，對(duì)于存儲(chǔ)醫(yī)療藥品的需求也各不相同，所以按照不同的需求進(jìn)行多組溫度的管理和控制。單一的藥品儲(chǔ)藏已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在藥品多樣化的需求.并且對(duì)于珍貴的藥品要實(shí)時(shí)監(jiān)控其儲(chǔ)藏，避免因?yàn)闇囟鹊淖兓鴮?dǎo)致藥品藥性的改變或喪失，從而提前規(guī)避其問題。隨著信息技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可以通過使用單片機(jī)及其他周邊芯片，實(shí)現(xiàn)即使沒有人也能自主報(bào)警，并形成一種發(fā)展的趨勢，進(jìn)而滿足人們的需求。通過將單片機(jī)和其他模塊或電路進(jìn)行整合以發(fā)揮更多的功能來實(shí)現(xiàn)冷庫的智能監(jiān)控。

2方案功能要求

（1）裝置設(shè)計(jì)有溫度控制管理，滿足不同藥品對(duì)溫度存儲(chǔ)的需求，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建不同藥品存儲(chǔ)所需的不同環(huán)境。

（2）裝置設(shè)計(jì)液晶顯示當(dāng)前各區(qū)域醫(yī)療藥品的存儲(chǔ)溫度，讓工作人員第一時(shí)間掌握和了解庫內(nèi)溫度。

（3）對(duì)醫(yī)療冷庫出入通行進(jìn)行CCD攝像監(jiān)控、采集存儲(chǔ)，需要時(shí)可進(jìn)行調(diào)取。

（4）對(duì)于某些區(qū)域即將達(dá)到預(yù)警溫度，進(jìn)行遠(yuǎn)程短信報(bào)警提醒和冷庫實(shí)時(shí)報(bào)警等，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保醫(yī)療器具和冷庫的安全。

3基本方案選擇和論證

3.1單片機(jī)芯片的選擇方案論證和選擇

方案一：采用STC15W4K48S4作為單片機(jī)芯片。

STC15W4K48S4可直接經(jīng)過計(jì)算機(jī)的USB接口進(jìn)行軟件編程下載。其擁有大容量的可編程可擦寫的功能，擦寫可達(dá)10余萬，工作電壓為2.5～5.5 V，溫度范圍為－40C～85℃，具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比之前的8051快7～12倍。

方案二：采用STM32F103C8T6作為單片機(jī)芯片。

STM32F103C8T6支持IAP，3.3 V穩(wěn)壓芯片，最大輸出300 mA，2個(gè)位數(shù)模轉(zhuǎn)化器，1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間（最多有16個(gè)輸入通道），最多80個(gè)快速I/O端口，

STC15W4K48S4有更廣的電壓范圍，下載更高速，低功耗，較廣的溫度范圍，能夠滿足本研究的需求，而且其調(diào)試更簡單，價(jià)格低廉，所以采用方案一。

3.2溫度傳感器的研究方案論證和選擇

溫度傳感器是溫度測量儀器的核心，其有很多品種。所以本研究采用溫度傳感器來檢測冷庫環(huán)境溫度，以保證冷庫藥品所需的環(huán)境安全。

在本研究中，溫度傳感器的選擇有以下2種方案。

方案一：采用熱敏電阻作為檢測溫度的核心元件。

由于本研究是測溫電路，使用熱敏電阻作為探測溫度的主要核心器件，采集隨被測環(huán)境溫度改變的電壓或者電流，并通過放大器放大信號(hào)，然后輸出變化的輸出電壓，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。

方案二：采用DS18820作為溫度檢測的核心元件。

采用DS18820溫度傳感器作為溫度檢測的主要核心器件的好處是可以直接將檢測的溫度以數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理。這樣能夠很簡單地讀取到被測溫度值，然后將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足研究要求。

在方案一中，選擇熱敏電阻作為溫度傳感器，其具有元件容易購買和元件價(jià)格實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)。但是，熱敏電阻對(duì)溫度變化的微小改變不是很敏感，在信號(hào)收集然后經(jīng)過放大器放大以及后面的轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)出現(xiàn)失真和有較大的數(shù)據(jù)誤差。本研究設(shè)置的環(huán)境溫度變化較小，而熱敏電阻難以檢測到溫度的變化，所以這個(gè)方案不適合。

對(duì)于方案二，DS18820檢測溫度的原理與熱敏電阻不同，它對(duì)溫度檢測更敏感，分辨能力更強(qiáng)。而且DS18820可以直接輸出數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)進(jìn)行處理，簡化了軟件程序的編寫和硬件電路的設(shè)計(jì)，而DS18820單總線技術(shù)的特點(diǎn)，使得單片機(jī)的接口使用非常便捷，抗干擾能力也很強(qiáng)，所以方案二適用于本研究。

3.3 GSM模塊的研究方案論證和選擇

GSM模塊有最便捷的數(shù)據(jù)通信方式，其數(shù)據(jù)量小，其中的短信息服務(wù)非常適合用于實(shí)時(shí)的信息采集傳輸，而且不用加上其他復(fù)雜大型和價(jià)格高的數(shù)據(jù)端設(shè)備。只要使用GSM模塊就可以實(shí)現(xiàn)相互通信的功能。

方案一：采用SIM800A作為GSM模塊。

方案二：采用Goouuu-A6作為GSM模塊。

本研究選擇方案二.GA6小尺寸，具有低功耗和廣工作溫度范圍，能滿足本研究所需功能，編程調(diào)試簡單，而且價(jià)格實(shí)惠，與SIM800A模塊相比只有它的一半價(jià)格。啟動(dòng)GPRS功能后，始終保持在線狀態(tài)，按發(fā)送的數(shù)量并在產(chǎn)生通信流量時(shí)計(jì)費(fèi)。

3.4液晶顯示模塊的研究方案論證和選擇

液晶顯示屏有著體積小、低功耗、使用簡單方便等很多優(yōu)點(diǎn)。在本研究中，液晶顯示模塊的選擇有以下3種方案：

方案一：采用LCD1602作為液晶顯示屏。

液晶屏選用LCD1602，可以用來顯示字母、數(shù)字或符號(hào)等需要輸出顯示的字符，而每個(gè)字符位都能夠顯示1個(gè)字符，所以顯示32個(gè)字符也就是16列2行。因?yàn)槊總€(gè)字符位之間都有間隔和行距，所以不能夠顯示圖形。而LCD1602顯示屏加上背光，總共需要連接16個(gè)引腳。

方案二：采用12864作為液晶顯示屏。

12864屏幕比較大，能夠輸出字符和圖形，能滿足本研究的需要。

方案三：采用Nokia5110作為液晶顯示屏。

Nokia5110液晶顯示屏是諾基亞公司生產(chǎn)的一款很經(jīng)典的液晶顯示屏。Nokia5110和其他2個(gè)方案相比有著非常突出優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格實(shí)惠，既可顯示字符又可顯示圖形，完全可以滿足本研究需求。但是LCD1602的售價(jià)大約為20元，而12864價(jià)格更貴（50～70元）遠(yuǎn)遠(yuǎn)貴于Nokia5110。Kokia5110所需要連接的引腳只有8個(gè)，相比LCD1602和12864少許多，降低了研究的難度，大幅降低了出錯(cuò)的可能性。

綜上所述，可以看出，Nokia5110在價(jià)格和功能以及使用性能上更有優(yōu)勢。所以本研究采用Nokia5110。

4方案選擇

在基本方案中，單片機(jī)芯片選擇STC15W4K48S4，溫度傳感器選擇DS18820傳感器，GSM模塊采用Goouuu -A6模塊以及選擇Nokia5110作為液晶顯示模塊。

5硬件電路構(gòu)成

裝置研究的硬件電路主要由以下幾個(gè)部分組成：STC15w4k48s4單片機(jī)、電源電路、多組溫度采集電路、GSM通信模塊、CCD攝像電路、液晶顯示電路、報(bào)警電路和制冷設(shè)備電路。

裝置的許多模塊都需要適宜的主控芯片電路。本裝置是外接“+5V”電源供電運(yùn)行。單片機(jī)是整個(gè)裝置的中心器件，對(duì)整個(gè)裝置的操作和穩(wěn)定起到舉足輕重的作用。本裝置選用STC15w4k48s4單片機(jī)，其具有優(yōu)良的功用且適用于低電壓的特點(diǎn)，契合本裝置的功能要求。

主控模塊采用STCI5W4K48S4單片機(jī)為控制核心，其工作原理為采集分區(qū)溫度數(shù)據(jù)，并控制溫度，通過輸出液晶顯示反映實(shí)時(shí)溫度，對(duì)出入口進(jìn)行錄像監(jiān)控采集，對(duì)于不符合溫度條件的通過GSM模塊的短信息傳輸出去并及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，對(duì)溫度過高的區(qū)域進(jìn)行制冷。通過多組溫度傳感器分區(qū)探測溫度，并把信號(hào)傳入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。溫度傳感器能很好地檢測冷庫的實(shí)時(shí)溫度，從而達(dá)到監(jiān)控的目的。溫度傳感器采用DS18820溫度傳感器，其具有接口簡單、直接輸出數(shù)字量等優(yōu)點(diǎn)。GSM模塊有最便捷的數(shù)據(jù)通信方式，其數(shù)據(jù)量小，其中的短信息服務(wù)非常適用于實(shí)時(shí)的信息采集傳輸，而且不用加上其他復(fù)雜大型和價(jià)格高的數(shù)據(jù)端設(shè)備，只要使用GSM模塊就可以實(shí)現(xiàn)相互通信的功能。利用GSM網(wǎng)絡(luò)短消息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了冷庫監(jiān)控與手機(jī)之間的通信，及時(shí)地將冷庫的情況進(jìn)行匯報(bào)，冷庫超出設(shè)定的溫度通過發(fā)短信報(bào)警，從而對(duì)冷庫進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.1液晶顯示模塊

Nokia5110液晶屏是一款性價(jià)比較高的液晶產(chǎn)品。Nokia5110共有8個(gè)連接信號(hào)端口。其中，5個(gè)功能端與芯片Pl端口相連，運(yùn)行速度快。其應(yīng)用低電壓的供電模式，一般工作顯示的電流低于200μA，并且具有掉電模式，其價(jià)格比一般市面上常用的液晶顯示屏要便宜很多，性價(jià)比高。

5.2 CCD攝像模塊

CCD攝像有光點(diǎn)轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和傳輸?shù)刃阅埽€有集成度高、工作電壓低、功耗小等優(yōu)勢，是其他攝像器件無法相比的。因?yàn)镃CD模塊有很好的性能優(yōu)點(diǎn)，所以本研究采用TSL1401CL模塊作為CCD攝像模塊，對(duì)冷庫出入口進(jìn)行攝像監(jiān)控。

本研究是對(duì)冷庫中的溫度智能監(jiān)控裝置展開分析與研究。在單片機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過溫度傳感器檢測溫度后，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，其變成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)后續(xù)的功能。通過按鍵電路設(shè)置不同區(qū)域的預(yù)設(shè)溫度值，在即將達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，并且比設(shè)定溫度低3℃時(shí)，制冷設(shè)備啟動(dòng)，單片機(jī)控制繼電器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行降溫處理。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，冷庫的報(bào)警電路啟動(dòng)，通過蜂鳴器實(shí)時(shí)報(bào)警，同時(shí)GSM模塊發(fā)送短信進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警提醒，并對(duì)冷庫的出入口進(jìn)行CCD攝像監(jiān)控處理。

作者簡介：

劉桐（1996—），本科，助理講師，研究方向：中職教育。

黃偉平（1984—），碩士，講師，研究方向：工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)。