基于STM32的医疗智能柜的设计和实现

基于 STM32的医疗智能柜的设计和实现

王添翼

天津渤海新能有限公司 300192

摘要：随着医院使用的耗材数量不断增多，耗材的管理也日趋成为一项新的技术课题，伴随着现代电子技术的不断发展，耗材的管理技术也日新月异，新一代单片机STM32的广泛使用，让医疗耗材柜更加智能化。本文基于STM32单片机，实现了一种医疗智能柜，使用HX710A作为称重芯片，测量放到称重传感器上的耗材重量，同时耗材的单重已知，由此可以算出耗材的数量，可以管理多种不同类型的耗材，在耗材数量较多时可以减少医护人员的工作量，提高医院的服务效率。

关键词：STM32；医疗；智能柜；设计；实现

在现代社会中，基于单片机为核心的众多种类的控制系统层出不穷，已经深入到人们生活中的各个场景中，比如工业控制、电机控制、质量检测和健康监测等，为我们的日常生活带来了很多的便利。医疗电子一直是电子行业应用的重点领域，随着电子产品向集成化、智能化方向发展，医疗电子也不断更新换代，新产品层出不穷，而医疗行业因为要对人的生命安全负责，对电子产品的准确度、耐用性等指标，均提出了比常规电子产品更高的要求。

医疗柜是对耗材进行保管、出入库统计、计量的一种设备，这种设备具有如下特点：

1. 可以对耗材进行称重，多次结果求平均值，使测量结果准确性更高；

2. 预先输入耗材单重，可以实时显示称重筐里的耗材个数及数量变化；

3. 可以远程控制，通过上位机发指令可获得当前指定筐或所有筐中的耗材数量，方便管理人员控制。

本文基于STM32，设计了一种医疗智能柜电路。该智能柜电路分主电路和称重电路，主电路以STM32F105RBT6为主芯片，外接刷卡器、指纹仪和温湿度传感器等外设；称重电路以STM32F103RBT6为主芯片，外接传感器、LCD屏和拨码开关等。主电路和称重电路、称重电路和上位机之间都采用CAN总线进行通信。

1 STM32单片机简介

STM32系列单片机是由ARM公司开发、基于ARM Cortex-M内核、功能十分强大的32位的微控制器。STM32F103系列单片机采用32位的Cortex-M3内核，CPU最高速度达72MHz。该产品系列具有I2C、SPI总线等多种控制外设、USB全速接口，有的还有CAN接口。它的集成度高，可靠性好，拥有丰富的指令系统，低功耗，串口编程，而且价格十分便宜。据有关实验数据显示，STM32单片机不但功耗较低，在处理运算速度、浮点运算以及需要复杂运算的环境中性能明显优于MSP430和C51系列单片机。鉴于STM32系列单片机的诸多优点，采用STM32F103RBT6单片机作为核心处理器。

2基于STM32单片机的医疗智能柜的设计与实现实例

本智能柜系统由主柜和辅柜构成，主柜负责接电和跟上位机进行通讯，辅柜则从主柜接入24V电和接收协议数据。

主柜和辅柜的电路均由主控电路和称重电路组成，主控电路每个机柜只有一块，称重电路每个格子下面配一块，可读取至多两个筐中的物品重量，实际机柜中用于读取一个大筐或两个小筐中的物品重量。

2.1主控电路板设计

主控电路板采用的是STM32F105RBT6单片机，该单片机外接两个CAN电平转化模块，通过其中一个模块与上位机进行通讯。上位机位于机柜的中间位置，通过USB线发过来的数据先进USB-CAN模块解析成CAN协议的数据，再经主控板上的CAN电平转换模块解析出报文数据，使用CAN协议是因为CAN协议有较远的传输距离，方便在机柜之间传输。除此之外，单片机还与扩展外设相连并通信，如温湿度计、指纹仪、刷卡器等。设计框图如图1所示。

图1 主控电路板框图

称重电路板采用STM32F103RBT6单片机，该单片机只外接一个CAN模块，和主控板进行通信。称重板的主要职能是不断通过称重传感器采集筐中的物品重量，通过去抖处理后，根据已经设置好的耗材单重，计算出筐中的物品数量，通过外接的4.3寸液晶屏显示出来，除此还显示物品的名称、单重等信息。该系统中单个单片机至多同时采集两路称重传感器的数据。设计框图如图2所示。

图2 称重电路板框图

2.2系统硬件设计

2.2.1主控电路板模块设计

（1）CAN接口设计

本设计需要在机柜和机柜之间进行数据通信，机柜和机柜之间距离可能能达到4-5米，并且辅柜的24V电压需要由主柜提供，芯片需要耐压，经考虑采用CAN总线来进行数据通讯，使用CTM8251A芯片来实现CAN数据的接收和发送。CTM8251A是一款通用CAN收发芯片，内部集成了必需的CAN隔离以及收发器件，可以将STM32的CAN数据转化为差分电平的CAN数据，具有DC 2500V的隔离功能，并且体积较小，适用于嵌入式系统。电路图如图3：

图3 CAN收发器电路

（2）温湿度计模块

本设计采用AM2301电容数字温湿度模块进行温度及湿度测量。AM2301模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，内部有一个高性能8位单片机对数据进行处理。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。产品为3引线，中间一位是数据接口，连接方便。电路图如下：

图4 温湿度计模块电路图

（3）刷卡器与指纹仪

刷卡器和指纹仪都是从市场上采购，前者用于读取身份卡，后者用于验证原指纹或注册新用户指纹，当指纹和已存指纹比对一致时即可打开柜门。两个模块均通过串口和STM32进行通讯。

2.2.2 称重电路板模块设计

（1）称重传感器

本设计采用海芯科技的HX710A芯片作为称重传感器芯片。HX710A是一款专为高精度电子秤设计的24位ADC转换器芯片，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等特点，能够提高系统整体的精度和可靠性。片内的数字温度传感器可直接读出芯片内的温度值，只需要2个I/O口即可实现对芯片的所有控制，包括断电控制、上电自动复位功能，极大简化了操作流程。电路如图5：

图5 称重传感器电路设计

（2）电路板板号电路

上位机每次在CAN总线上发数据，所有的板子都能同时收到，但很多命令是对特定板子发送的，板子如何判断某条命令是发给自己是通过板子上的板号电路实现的，实现机制是在板子上设立五个拨码开关，每位开关可以拨到0或1，单片机上电时会读取五位二进制值，每次发过来的CAN标准协议总线数据，单片机会先判断，除面向所有称重板的数据外，只有前五位和五位拨码开关一致的命令数据才会被接收。实际使用中，对于主控板是柜号不同，不同柜子的主控板板号不能相同，对于称重板是不同筐位的称重板板号不同。电路图如图6：

图6 板号电路

2.3 系统软件设计

系统软件设计包括主控软件、称重板软件和上位机软件。主控软件的功能是和上位机进行通讯、和辅柜主控板进行通讯及向称重板发送指令及收集各筐的耗材数量。称重板的功能是从称重传感器不断读取重量数据值，经去抖、取平均之后，结合已有的耗材单重，算出耗材数量，并在屏幕上即时显示。上位机软件提供图形交互界面，在界面上用不同的按钮标识不同的操作，下发不同的命令。

3总结

综上所述，本文主要设计了一种基于STM32单片机的智能柜系统，该系统可实现每个机柜同时管理多个筐的耗材，自动计算筐中的耗材数量及有无变化，每个筐中的数量都汇总到主控板的单片机，进而送到上位机中，上位机软件则利用图形界面进行人机交互，方便人对系统进行操作。该系统操作简单、功能全面、成本低廉，具有较高的使用价值和应用前景。

参考文献

[1]关丽荣,张旗.基于单片机指纹识别电子寄存柜设计[J].电子制作, 2018(11):24-25.