基于STM32微控制器的自动发药机的设计与实现

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随着自动化、信息化浪潮的袭来,为了解决就医难的问题我国提出构建“智慧医疗”体系,打造智能化的就医环境,而药房自动化是其中至关重要的一环。自动发药机是解决药房自动化的核心方案。目前我国对这一领域投入较少,国外相关产品虽然成熟,但其仍采用传统的PLC控制器(可编程逻辑控制器),这导致其自身的线路非常复杂设备显得庞大笨重,现场组装也耗时耗力,而且成本较高,这种控制器的发药机无法在我国大规模的推广应用。为了加快构建“智慧医疗”体系,我国迫切需要一种自主可控、结构简单、成本低廉和控制灵活的自动发药机。  通过对国内外自动发药机控制器技术现状的深入研究,在总结传统自动发药机控制器优缺点的基础上,结合我国医院药房的实际情况,本文改进了传统自动发药机的控制系统。根据自动发药机的任务功能,将其分为发药机控制器系统、键盘控制系统以及上位机控制系统三大系统模块。  与传统自动发药机采用PLC控制器不同,本文硬件控制系统的核心选用意法半导体(ST)公司生产的STM32微控制器,并结合自动发药机的功能,设计出控制器主控电路的最小系统,并外扩光电检测电路、RAM电路、串口调试电路、CAN总线通信电路、开关量输入与输出电路、SPI通信电路以及电压保护电路。本文通过对发药机传送带电机进行模型分析,设计了PI控制算法,并根据电机控制函数仿真计算出控制器PWM信号。同时本文根据发药机的功能制定出CAN总线通信协议,上位机控制系统通过CAN总线与发药机控制器通信从而控制发药机做出相应的发药动作。本文还设计了红外光电检测系统用来判断是否发药成功,并利用一个蜂鸣器来给用户报警。为了保证发药机的可靠性和安全性,以及防止上位机与控制器之间的通信出现错误时引起灾难性的后果,发药机控制器增加了一种冗余的控制方法—键盘控制系统。键盘控制系统的响应优先级最高,可以在紧急情况下供药房药师进行人工干预发药。硬件上为了消除控制电路中的电磁干扰和噪声干扰,本系统设计了电磁隔离外壳和去噪电路,在软件上本系统编写了上位机交互界面,并根据控制需求编写了CAN通信协议模块、光电检测模块、键盘控制模块、各种传感器信号处理子程序模块等。该控制器具有良好的可扩展性,可以针对不同的客户制定个性化的控制模式,同时方便增加不同的功能模块。采用嵌入式微控制器的控制方式还可根据需求组成大规模通信网络,大幅提高医院药房的信息化程度甚至于可实现无人值守的药房。  为了验证发药机控制系统的性能,本文还制作了测试用的电路工装板。首先对发药机控制器进行单独测试,验证了其电磁兼容性和抗噪声干扰能力。然后进行上位机、键盘控制系统和控制器的联调。验证了上位机通信系统的稳定准确,键盘控制系统算法高效可靠,控制器响应实时快速,传送带电机工作稳定准确,圆满地达到了设计指标。但是本系统还有很大的改进和完善空间,控制器的一些功能模块还有待进一步挖掘。本文中的控制器一次只能响应单个任务。未来可以增加一个实时操作系统例如UCOS-II,以提高系统多任务实时响应的能力,同时还应该继续完善CAN总线通信协议,以实现更多的控制功能。
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