PIC單片機實現(xiàn)護理機智能控制的設計

引言

隨著我國老齡化進程的加劇，當今社會中存在著一種因失去生活自理能力而“長期臥床的弱勢群體”，特別是那些幾乎無意識的弱勢群體，他們需要被人長期照顧，特別是他們的大小便的清潔處理。然而由于該弱勢群體數(shù)量大、護理人員緊缺和護理費用高等問題，導致這些弱勢群體的家庭護理矛盾日益凸顯。目前市場上的長期臥床病人大小便清潔護理機在“智能護理”方面己比較完善，已經具有大小便自動識別與回收、溫水清洗與自動烘干等功能，達到了“人性化”護理的要求，但在使用過程中仍然需要專門的“陪護人員”，對于絕大多數(shù)現(xiàn)代家庭而言，無論從人力還是財力，這都將是一個沉重的負擔，同時也限制了大小便清潔護理機在家庭中的推廣使用，因此，社會迫切需要一種在現(xiàn)有護理功能的基礎上能夠實現(xiàn)“無人護理”功能的新型大小便清潔護理機。本文以PIC18F87K22單片機為護理機主控制器，利用西門子GSM模塊TC35i，將護理機報警信息以“手機短信”的形式實時發(fā)送到設定的臥床病人監(jiān)護人的手機中，同時，監(jiān)護人也可用“手機短信”的形式發(fā)送命令遠程控制家中護理機的運行，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了家庭長期臥床病人大小便清潔護理機的“無人護理”功能，將在很大程度上解決我國長期臥床病人家庭的陪護人員緊缺和護理費用高昂這些亟待解決社會難題。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)主要由PIC單片機主控板、鍵盤和顯示模塊、傳感／變送器模塊、執(zhí)行機構模塊、GSM通信模塊（TC35i）和用戶手機等幾部分組成（圖1）。系統(tǒng)工作時，PIC單片機每隔500ms將護理機的水溫、風溫、流量、清水桶液位下限報警、收集桶臟物上限報警、漏電檢測報警等參數(shù)巡檢一遍。當某項檢測參數(shù)發(fā)生報警時，護理機除了發(fā)出相應的聲光報警提示信息外，同時還將報警信息通過GSM模塊以“手機短信”的形式發(fā)送到程序設置的監(jiān)護人的手機中，提示監(jiān)護人及時回家處理。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件包括電源模塊設計、PIC單片機主控板電路設計、按鍵設計、LCD顯示設計、傳感器／變送器電路設計、語音電路設計、GSM通信模塊電路設計和外圍驅動執(zhí)行機構電路設計等。

2．1 單片機芯片選擇

由于單片機與GSM通信模塊（TC35i）之間通過串口通信，考慮到今后還需要與ZigBee模塊進行串口通信，所以需要具有至少兩個串口的MCU；系統(tǒng)需要采集風溫、水溫等總共10路檢測參數(shù)；在大小便結束后進行的溫水沖洗和暖風烘干過程中，還需要用到多個定時器；需要通過PWM方式控制電機轉速。綜合考慮上述要求，本系統(tǒng)選用Microehip（微星）公司的PIC18F877K22單片機，其內部集成4KB SRAM，128KB EPROM，69位I／O，2個增強型EUSART，24路12位A／D轉換器，5個16位定時器，7個CCP模塊和3個ECCP模塊，其資源完全滿足系統(tǒng)需要。

2．2傳感器／變送器接口設計

護理機用到的傳感器包括風溫、水溫、水流量、大小便檢測、收集桶位置、收集桶臟物上限位置、清水桶液位下限位置等參數(shù)的檢測。其中大便采用紅外光傳輸原理，結合大便成分對紅外光吸收及隔斷機理來判斷是否有大便排出；小便則通過分析小便對收集座部位電容量的改變判斷是否有小便排出，這些傳感器是旭日清潔器械有限公司專門開發(fā)的非接觸式大小便檢測傳感器。風溫、水溫傳感器采用新型熱敏電阻PT3M-K51F-BLT1傳感器，既適合于測量風溫，又適合測量水溫。收集桶內臟物位置檢測傳感器有兩個，一個是“高位置”檢測傳感器，另一個是“極限位置”檢測傳感器，當臟物位置達到“極限位置”報警時，系統(tǒng)自動停止對大小便的處理，防止臟物溢出。主要的傳感器接口電路如圖2所示。

2．3 語音接口電路設計

當出現(xiàn)報警時需要有相應的語音提示，語音部分采用了專門的語音處理芯片WT588D-20SS，該芯片功能強大、方便易用。此外，還設置了專門的存儲器TS25L-16AP，它具有16M NOR Flash，通過與語音芯片配合，可以很好地完成語音提示功能。

2．4 液晶和鍵盤接口電路設計

為滿足護理機手動控制需要，設計了專用的鍵盤，此鍵盤與CPU接口采用8位I／O線并口輸入輸出方式。LCD顯示采用RT12864圖形點陣型液晶顯示模塊，可方便實現(xiàn)檢測參數(shù)和控制參數(shù)的實時顯示。

2．5 GSM通信模塊電路接口設計

2．5．1 TC35i模塊介紹

TC35i模塊是一個支持短消息服務（SMS）、數(shù)據(jù)通信和語音通信功能的工業(yè)級GSM模塊，由供電部分、GSM基帶處理器、FLASH閃存、射頻部分、天線和ZIF（零插拔力）連接器等組成（圖4）。基帶處理器是TC35i的核心，主要處理GSM終端內的語音和數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有模擬和數(shù)字功能。TC35i模塊有40個引腳，通過一個ZIF連接器引出。這40個引腳按功能劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制。

2．5．2 TC35i模塊接口電路設計

TC35i與PIC單片機和SIM卡的接口都是通過ZIF連接器完成，如圖5所示。本系統(tǒng)中ZIF連接器用到的主要引腳如下：第1～5引腳是TC35i的工作電壓輸入端VBATT+，推薦電壓為4．2VDC，第6～10引腳是電源地（GND）。第15引腳是啟動腳IGT（Ignition），低電平有效，本系統(tǒng)外接三極管Q1與PIC18F87K22的I／O RC5腳連接，當RC5產生大于100ms的高電平時，啟動腳IGT與GND導通而變成低電平，啟動GSM模塊。第16～23為數(shù)據(jù)輸入／輸出，分別為DSR0、RING0、RXDO、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。TC35i的數(shù)據(jù)輸入／輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標準。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗位，比特率在300bps～115kbps之間可選，默認9600，支持標準的AT命令集。本系統(tǒng)中僅用RXD0、TXD0分別與PIC單片機的RXD、TXD引腳連接即可，即單片機與TC35i的通信就是通過這兩條串口線完成的。TC35i使用外接式SIM卡，第24～29為SIM卡引CCDET2引腳與ZIF的CCIN引腳相連，用來檢測SIM卡夾持器中的SIM卡是否插好，如果已經插好，則CCIN引腳上為高電平，否則為低電平，因此通過單片機編程讀取ZIF的CCIN引腳電平即可判斷SIM卡是否就緒。CCIO是串行數(shù)據(jù)線，完成TC35i和SIM卡的數(shù)據(jù)輸入和輸出。第32腳為控制腳SYNC，本系統(tǒng)中的功能是指示TC35i的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3．1 系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示，軟件編程采用MPLAB V8．63實現(xiàn)，編譯器采用HI-TECHCCompiler。

上電后，首先對單片機和GSM模塊分別進行初始化，然后進行按鍵掃描與處理，進入護理機默認的全自動運行模式，自動進行數(shù)據(jù)采集與處理。當有報警發(fā)生時，除了作相應的處理外，還通過GSM模塊將報警信息以“手機短信”的形式自動發(fā)送到病人監(jiān)護人的手機中，監(jiān)護人也可用“手機短信”的形式發(fā)送命令遠程控制家中護理機的運行，從而實現(xiàn)護理機的“無人護理”功能。

3．2 GSM短信息處理程序設計

GSM短信息傳遞本質上就是單片機通過AT指令向監(jiān)護人手機發(fā)短信的過程。TC35i短消息模塊有兩種工作模式，用“AT+CMGF=n”命令來設置，n=0為PDU模式；n=1為文本模式。由于本系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都是基于英文的報警狀況和命令字，所以n=1。AT+CMGS為選擇消息服務。下面以“臟物收集桶滿（Dirty Full Alarm）”報警為例，通過程序說明其實現(xiàn)過程。

4 結束語

本設計創(chuàng)新性地實現(xiàn)了家庭長期臥床病人大小便清潔護理機的“無人護理”功能，將在很大程度上解決我國長期臥床病人家庭陪護人員緊缺和護理費用高昂這些亟待解決的難題，是造福弱勢群體和改善社會民生的好產品，具有廣闊的市場應用前景。
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