臥床病人人體尿液檢測電路設計與研究

趙明舉　張敢

【摘? 要】本文介紹了一種以ARM控制器芯片的臥床病人尿液檢測系統，該系統主要由兩個部分組成：尿液的檢測識別以及人機交互。通過單片機的內部邏輯控制引腳驅動外圍器件實現設計功能，采用顏色傳感器STC3200檢測判斷臥床病人是否有尿液排出，通過特殊的尿液使試紙變色，由顏色傳感器STC3200進行識別，單片機與顏色傳感器通過引腳連接讀取顏色的數字量，通過液晶顯示屏LCD1602來進行顯示，按鍵可以設置顏色的選擇，可以選擇藍色和紅色，使用采集得來的數據與顏色進行比較，判斷是否有尿液排出，再通過蜂鳴器進行報警同時可以采用水位探針來檢測液位的高度并控制對應的水位沖洗泵啟動。實驗表明，本設計系統提高了病人的就醫體驗，減輕了醫護人員的醫護難度，同時具有靈活性高和可靠性高等特點，有一定開發價值。

【關鍵詞】ARM控制器;STC3200顏色傳感器;水位探針;沖洗泵

一、緒論

為了解決臥床病人在小便時可以徹底告別便盆和尿不濕的傳統護理，避免了異性護理的尷尬，讓使用者不再感覺自己是個累贅而產生的負罪感，讓護理工作變得更加輕松。然而由于該弱勢群體數量大、護理人員緊缺和護理費用高等問題。本文設計研究了針對臥床病人人體尿液檢測電路設計與研究方案。該設備可對病人產生小便具有自動感應、自動收集、自動清洗、自動烘干、自動沖洗等功能。

1、自動感應功能

當病人有小便的時候，通過在隱私部位所帶專用包褲包裹，自動開啟智能護理儀控制裝置。

2、自動收集功能、自動清洗功能和自動烘干功能

通過智能護理儀控制裝置可以自動開啟清洗模式及收集糞便模式。并立刻啟動負壓裝置，將小便直接吸凈，大便通過水流水壓粉碎并吸凈，排泄物通過連接軟管輸送并儲存在機箱中的污物箱內，然后清潔水通過集便器壁上的噴水孔自動噴水，沖洗患者隱私部位以及集便器內部，沖洗結束后，通過噴水孔開始送風進行10分鐘的暖風干燥。

3、小便沖洗功能

系統能夠根據病人的排泄情況，通過高精度檢測電路（光電開關、及水浸模擬量的檢測）檢測到和區分小便，主機開始進行小便的收集工作。

4、身體沖洗功能

病人身體的沖洗，需要有合理的控制流程，包括水溫、水壓的控制和烘干排風溫度和風速的控制，還能夠控制沖洗噴頭的方向，能夠使病人感到舒適，而且又能夠沖洗干凈。當小便被收集完成后，系統迅速進入沖洗環節，干凈溫水通過噴嘴對集便器內部和使用者隱部位進行清潔。噴出的凈水是都是經過預加熱的，可根據使用者的要求設置合適的水溫范圍。

烘干完成后，即本次小便清理工作結束，小便斗恢復與人體皮膚的非緊密接觸狀態，保持通風透氣效果。

5、人機交互功能

護理機采用LCD液晶大屏顯示，結合觸摸功能可以實現系統的參數設置和數據查詢（包括各個傳感器的狀態），以及報警信息的查詢。

1.2.2智能護理控制裝置系統主要構成方案

系統主要由ARM單片機主控板、按鍵板和LCD顯示模塊、傳感/變送器模塊、執行機構模塊、4G全網通通信模塊等幾部分組成。報警信息通過4G無線通訊模塊以及手機APP的形式查看病人情況，有報警就提示監護人及時回家處理。

二、系統硬件結構框架圖

本系統主要包含了小便沖洗電路、水位探針檢測電路、顯示屏顯示電路、檢測電路、溫度設置電路、按鍵電路、報警電路等構成。

主板電路主要由ARM單片機主控板、按鍵板和LCD顯示模塊、傳感/變送器模塊、執行機構模塊、4G全網通通信模塊等幾部分組成。報警信息通過4G無線通訊模塊以及手機APP的形式查看病人情況，有報警就提示監護人及時回家處理，其主要CPU及外圍控制電路。

三、尿液檢測電路設計與實現。

針對臥床病人產生尿液可采用采用顏色傳感器STC3200檢測判斷臥床病人是否有尿液排出。TCS3200采用的是8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在使用的時候需要使用純白色進行校準，這樣可以達到光平衡，使用控制器的定時器設置一固定時間1s，然后選通三原色的濾波器，讓被測物體反射光中紅、綠、藍三色光分別通過濾波器，計算1s時間內三色光對應的TCS3200傳感器OUT輸出信號脈沖數（單位時間的脈沖數包含了輸出信號的頻率信息），再通過正比算式得到白色物體RGB值255與三色光脈沖數的比例因子。有了白平衡校正得到的RGB比例因子，則其它顏色物體反射光中紅、綠、藍三色光對應的TCS3200輸出信號1s內脈沖數乘以R、G、B比例因子，就可換算出了被測物體的RGB標準值了。

四、顏色檢測顯示子程序流程圖

本設計的顏色傳感器TCS3200，程序主要通過在初始化的時候進行白平衡的檢測，校準顏色的初始值，之后開始等待顏色卡片的檢測，當檢測到顏色的時候，計算RGB的三色值，對比設定的顏色。

五、小便沖洗模式流程圖

通過顏色傳感器TCS3200和水位探針在檢測到臥床病人產生小便情況下，系統會自動進入小便模式下，可以根據每個人的情況不同來手動設定小便的時間長短，在時間達到以后。系統會自動打開沖洗泵對所產生的小便進行沖洗，沖過時間可以自由進行設定。沖洗時間到系統會自動退出小便模式。其系統流程圖如圖4所示。

通過對顏色傳感器TCS3200的設置，可以通過顯示屏觀察出對應數值是否產生變化。如果在尿液管上的顏色傳感器發生數值變化且水位探針檢測到對應的數值時可以判斷出臥床病人有小便的產生并發出報警聲音，同時沖洗泵啟動，會對病人產生小便進行自動沖洗，沖洗時間到，退出沖洗模式。

六、關鍵問題分析

本文擬在設計研究了一種獨特的針對臥床病人產生小便檢測裝置，該設備可以實現完成人機交互功能和自動檢測的獨特功能如下。

1 獨特的大小便檢測裝置

該設備可利用現有的溫度、濕度、壓力、光電等現有傳感器對信號進行放大、采集、分析來實現部分相關功能;同時也可以結合臥床病人產生小便時壓力、心率、氣味等生物特征來研制出的傳感器來采集相關信號實現相關功能。

2.2 人機交互功能設計

可以通過手機、PC機終端實時查看臥床病人有無小便產生，并可以自動啟動沖洗泵對小便沖洗。利用4G全網通通訊模塊，將護理機報警信息以“手機短信”或者手機APP的形式供監護人實時查看護理機工作狀態，監護病人的身體狀況，并可以通過遠程視頻觀看病人。還可以遠程發送命令控制家中護理機的運行，創新性地實現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。

題目來源：

2021年度鄭州科技學院校級橫向預研科研項目，項目類別：自然科學，項目名稱《安寢-老年人自動排便處理控制系統研發》。