赵明举　张敢

【摘  要】本文介绍了一种以ARM控制器芯片的卧床病人尿液检测系统，该系统主要由两个部分组成：尿液的检测识别以及人机交互。通过单片机的内部逻辑控制引脚驱动外围器件实现设计功能，采用颜色传感器STC3200检测判断卧床病人是否有尿液排出，通过特殊的尿液使试纸变色，由颜色传感器STC3200进行识别，单片机与颜色传感器通过引脚连接读取颜色的数字量，通过液晶显示屏LCD1602来进行显示，按键可以设置颜色的选择，可以选择蓝色和红色，使用采集得来的数据与颜色进行比较，判断是否有尿液排出，再通过蜂鸣器进行报警同时可以采用水位探针来检测液位的高度并控制对应的水位冲洗泵启动。实验表明，本设计系统提高了病人的就医体验，减轻了医护人员的医护难度，同时具有灵活性高和可靠性高等特点，有一定开发价值。

【关键词】ARM控制器;STC3200颜色传感器;水位探针;冲洗泵

一、绪论

为了解决卧床病人在小便时可以彻底告别便盆和尿不湿的传统护理，避免了异性护理的尴尬，让使用者不再感觉自己是个累赘而产生的负罪感，让护理工作变得更加轻松。然而由于该弱势群体数量大、护理人员紧缺和护理费用高等问题。本文设计研究了针对卧床病人人体尿液检测电路设计与研究方案。该设备可对病人产生小便具有自动感应、自动收集、自动清洗、自动烘干、自动冲洗等功能。

1、自动感应功能

当病人有小便的时候，通过在隐私部位所带专用包裤包裹，自动开启智能护理仪控制装置。

2、自动收集功能、自动清洗功能和自动烘干功能

通过智能护理仪控制装置可以自动开启清洗模式及收集粪便模式。并立刻启动负压装置，将小便直接吸净，大便通过水流水压粉碎并吸净，排泄物通过连接软管输送并储存在机箱中的污物箱内，然后清洁水通过集便器壁上的喷水孔自动喷水，冲洗患者隐私部位以及集便器内部，冲洗结束后，通过喷水孔开始送风进行10分钟的暖风干燥。

3、小便冲洗功能

系统能够根据病人的排泄情况，通过高精度检测电路（光电开关、及水浸模拟量的检测）检测到和区分小便，主机开始进行小便的收集工作。

4、身体冲洗功能

病人身体的冲洗，需要有合理的控制流程，包括水温、水压的控制和烘干排风温度和风速的控制，还能够控制冲洗喷头的方向，能够使病人感到舒适，而且又能够冲洗干净。當小便被收集完成后，系统迅速进入冲洗环节，干净温水通过喷嘴对集便器内部和使用者隐部位进行清洁。喷出的净水是都是经过预加热的，可根据使用者的要求设置合适的水温范围。

烘干完成后，即本次小便清理工作结束，小便斗恢复与人体皮肤的非紧密接触状态，保持通风透气效果。

5、人机交互功能

护理机采用LCD液晶大屏显示，结合触摸功能可以实现系统的参数设置和数据查询（包括各个传感器的状态），以及报警信息的查询。

1.2.2智能护理控制装置系统主要构成方案

系统主要由ARM单片机主控板、按键板和LCD显示模块、传感/变送器模块、执行机构模块、4G全网通通信模块等几部分组成。报警信息通过4G无线通讯模块以及手机APP的形式查看病人情况，有报警就提示监护人及时回家处理。

二、系统硬件结构框架图

本系统主要包含了小便冲洗电路、水位探针检测电路、显示屏显示电路、检测电路、温度设置电路、按键电路、报警电路等构成。

主板电路主要由ARM单片机主控板、按键板和LCD显示模块、传感/变送器模块、执行机构模块、4G全网通通信模块等几部分组成。报警信息通过4G无线通讯模块以及手机APP的形式查看病人情况，有报警就提示监护人及时回家处理，其主要CPU及外围控制电路。

三、尿液检测电路设计与实现。

针对卧床病人产生尿液可采用采用颜色传感器STC3200检测判断卧床病人是否有尿液排出。TCS3200采用的是8引脚的SOIC表面贴装式封装，在使用的时候需要使用纯白色进行校准，这样可以达到光平衡，使用控制器的定时器设置一固定时间1s，然后选通三原色的滤波器，让被测物体反射光中红、绿、蓝三色光分别通过滤波器，计算1s时间内三色光对应的TCS3200传感器OUT输出信号脉冲数（单位时间的脉冲数包含了输出信号的频率信息），再通过正比算式得到白色物体RGB值255与三色光脉冲数的比例因子。有了白平衡校正得到的RGB比例因子，则其它颜色物体反射光中红、绿、蓝三色光对应的TCS3200输出信号1s内脉冲数乘以R、G、B比例因子，就可换算出了被测物体的RGB标准值了。

四、颜色检测显示子程序流程图

本设计的颜色传感器TCS3200，程序主要通过在初始化的时候进行白平衡的检测，校准颜色的初始值，之后开始等待颜色卡片的检测，当检测到颜色的时候，计算RGB的三色值，对比设定的颜色。

五、小便冲洗模式流程图

通过颜色传感器TCS3200和水位探针在检测到卧床病人产生小便情况下，系统会自动进入小便模式下，可以根据每个人的情况不同来手动设定小便的时间长短，在时间达到以后。系统会自动打开冲洗泵对所产生的小便进行冲洗，冲过时间可以自由进行设定。冲洗时间到系统会自动退出小便模式。其系统流程图如图4所示。

通过对颜色传感器TCS3200的设置，可以通过显示屏观察出对应数值是否产生变化。如果在尿液管上的颜色传感器发生数值变化且水位探针检测到对应的数值时可以判断出卧床病人有小便的产生并发出报警声音，同时冲洗泵启动，会对病人产生小便进行自动冲洗，冲洗时间到，退出冲洗模式。

六、关键问题分析

本文拟在设计研究了一种独特的针对卧床病人产生小便检测装置，该设备可以实现完成人机交互功能和自动检测的独特功能如下。

1 独特的大小便检测装置

该设备可利用现有的温度、湿度、压力、光电等现有传感器对信号进行放大、采集、分析来实现部分相关功能;同时也可以结合卧床病人产生小便时压力、心率、气味等生物特征来研制出的传感器来采集相关信号实现相关功能。

2.2 人机交互功能设计

可以通过手机、PC机终端实时查看卧床病人有无小便产生，并可以自动启动冲洗泵对小便冲洗。利用4G全网通通讯模块，将护理机报警信息以“手机短信”或者手机APP的形式供监护人实时查看护理机工作状态，监护病人的身体状况，并可以通过远程视频观看病人。还可以远程发送命令控制家中护理机的运行，创新性地实现家庭长期卧床病人大小便清洁护理机的“无人护理”功能，将在很大程度上解决我国长期卧床病人家庭的陪护人员紧缺和护理费用高昂这些亟待解决社会难题。

题目来源：

2021年度郑州科技学院校级横向预研科研项目，项目类别：自然科学，项目名称《安寝-老年人自动排便处理控制系统研发》。