基于單片機(jī)的智能藥盒的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3470第1章硬件電路設(shè)計(jì) 2210421.1系統(tǒng)硬件選擇 2127681.1.1STM32單片機(jī)的選型 231251.1.2顯示屏的選型 3190791.2單片機(jī)的最小系統(tǒng) 3151811.3顯示電路 4273201.4鍵盤電路 721671.5蜂鳴器報(bào)警電路 7224391.6發(fā)光二極管電路 8111301.7時(shí)鐘檢測(cè)電路 9316881.8電源電路 9142671.9時(shí)鐘檢測(cè)模塊分析 103258第2章軟件程序設(shè)計(jì) 1012512.1軟件開發(fā)環(huán)境 10168722.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本原則 11147342.3程序設(shè)計(jì)準(zhǔn)備 12104732.4工程搭建 12288302.5軟件主程序框架 13200032.6軟件子程序框架 14301742.6.1時(shí)鐘模塊軟件設(shè)計(jì) 14254032.6.2按鍵模塊軟件設(shè)計(jì) 15156512.6.3顯示模塊軟件設(shè)計(jì) 1667492.6.4報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì) 1738522.7程序下載 17256922.8程序運(yùn)行與測(cè)試 172602.9程序測(cè)試結(jié)果 18第1章硬件電路設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)硬件選擇1.1.1STM32單片機(jī)的選型STM32單片機(jī)是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)芯片，用來學(xué)習(xí)和使用簡單的工具，控制、便宜、易用、使用外圍簡單。因?yàn)樗且粋€(gè)最小8位的處理器，當(dāng)新的STC有很多設(shè)備時(shí)，處理速度和處理周期也會(huì)好一點(diǎn)，意法半導(dǎo)體集團(tuán)的16位STM32F103微處理器具有響應(yīng)速度快、CPU利用率高、增加DMA通道、數(shù)據(jù)處理速度快等特點(diǎn)[5]。它最大的優(yōu)勢(shì)是超低功耗，可以滿足各種低功耗手持設(shè)備的需求，但價(jià)格比較昂貴，支持信息相對(duì)較少，集成開發(fā)軟件不熟悉MSP430的IAR。STM32F103RCT6是意法半導(dǎo)體集團(tuán)的32位高性能核心MCU，代碼執(zhí)行效率高，數(shù)據(jù)處理速度快，擁有豐富的外設(shè)和IO接口，擁有5個(gè)高速串口和12個(gè)高精度內(nèi)部AD及11個(gè)定時(shí)器，而意法半導(dǎo)體集團(tuán)提供了完整的固件庫開發(fā)信息，性價(jià)比高，運(yùn)行穩(wěn)定，功能完善，編程環(huán)境簡單，非常適合這種智能藥盒的設(shè)計(jì)[6]。1.1.2顯示屏的選型LCD顯示器是一種液晶顯示器，它能夠讓固體和液體之間能夠有機(jī)連接。光的方向變化角度可以被利用偏振器信號(hào)來準(zhǔn)確表示可分為光的角度變化和暗的角度變化,這樣,人們通過對(duì)背光電場的自動(dòng)控制，最終控制光的變化和暗的變化，達(dá)到圖像表示的目的，LCD顯示器是一種低功耗產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)加熱（主要消耗和加熱部分存在于背景照明或LED），而CRT顯示器由于成像技術(shù)不可避免的溫度過高[7]，與笨重的CRT顯示器相比，LCD顯示器只需要他的三分之一，非常適合這種智能藥盒的設(shè)計(jì)。1.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)單片機(jī)是整個(gè)智能藥盒的主要核心，是保證系統(tǒng)所有功能正常運(yùn)行的動(dòng)力之源，STM32F103RCT6系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體集團(tuán)推出的新一代低功耗的單片機(jī)，所有其他的硬件模塊都是從單片機(jī)的引腳上連接出去的，但是為了保證單片機(jī)的正常運(yùn)行，在5口引腳和6口引腳連接了一個(gè)振蕩電路，振蕩電路是單片機(jī)的心臟，它能夠根據(jù)單片機(jī)的需要而產(chǎn)生時(shí)鐘頻率。復(fù)位電路連在了7口引腳上，電源接通時(shí)，復(fù)位端電位與VCC相同，充電電流逐漸減少，復(fù)位端的電位就會(huì)隨之逐漸下降，直到復(fù)位端變?yōu)榱说碗娖絒8]。單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖3-3所示。圖3-2最小系統(tǒng)電路原理圖圖3-2最小系統(tǒng)電路原理圖1.3顯示電路本次設(shè)計(jì)的顯示模塊選用LCD12864液晶顯示屏，該模塊接口方式靈活，操作指令方便，可以構(gòu)成8x4行16x16點(diǎn)陣的漢字，該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案的硬件電路結(jié)構(gòu)和顯示程序與同類型的相比都要簡潔的多，并且價(jià)格比其他顯示模塊低,在和單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)中間要有上拉電阻進(jìn)行連接。本次程序中的LCD12864液晶顯示屏顯示的內(nèi)容是系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)間和用藥方案1234，其中包括用藥時(shí)間和用藥量。該顯示模塊使用操作也更加靈活、方便，成為該智能藥盒的首選顯示器件。LCD12864液晶顯示屏的數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)的PB口相接,電路原理圖如圖3-6所示。RS,R/W的配合選擇決定控制界面的四種模式[9]，如表3-3所示為LCD12864工作狀態(tài)介紹.表3-3LCD1602工作狀態(tài)介紹RSR/W功能說明LLMPU寫指令到指令暫存器LH讀出忙標(biāo)志（BF）及地址計(jì)數(shù)器（AC）的狀態(tài)HLMPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR）HHMPU從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀取數(shù)據(jù)圖3-3LCD12864顯示模塊的電路原理圖圖3-3LCD12864顯示模塊的電路原理圖1.4鍵盤電路在本次設(shè)計(jì)中，需要設(shè)置一些按鍵電路用于單片機(jī)系統(tǒng)的信息輸入。按鍵的引腳與單片機(jī)的I/O口連接。在本實(shí)驗(yàn)中單片機(jī)的PC引腳為I/O口，高電平為輸出低電平為輸入，單片機(jī)持續(xù)監(jiān)測(cè)按鍵端口狀態(tài)，當(dāng)端口是高電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作[10]。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的鍵盤電路由8個(gè)按鍵組成。圖3-4位本次實(shí)驗(yàn)的鍵盤電路。圖3-4按鍵控制電路原理圖圖3-4按鍵控制電路原理圖1.5蜂鳴器報(bào)警電路SH69P43作為蜂鳴器報(bào)警電路的控制芯片，它的主振蕩器是4MHz的晶體振蕩器。蜂鳴器報(bào)警電路的三極管引腳與單片機(jī)的PB13引腳相連接，當(dāng)單片機(jī)給蜂鳴器一個(gè)高電平的時(shí)候，三極管導(dǎo)通電路形成回路并發(fā)出聲音，當(dāng)單片機(jī)用過引腳傳輸?shù)氖堑碗娖綍r(shí)則停止工作[11]。電路圖如圖3-5所示。圖3-5報(bào)警模塊電路原理圖圖3-5報(bào)警模塊電路原理圖1.6發(fā)光二極管電路當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)時(shí)發(fā)光二極管開始工作，其電路圖如圖3-6所示。圖3-6發(fā)光二極管電路原理圖圖3-6發(fā)光二極管電路原理圖發(fā)光二極管一段接電源供電，另一端與單片機(jī)PD02引腳連接，進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)后，發(fā)光二極管導(dǎo)通。1.7時(shí)鐘檢測(cè)電路DS1302是基于美國dallas公司最新研發(fā)推出的一款高頻涓流無線自動(dòng)充電靜態(tài)移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)控制處理芯片,內(nèi)含了一塊實(shí)時(shí)靜態(tài)移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)鐘/一個(gè)實(shí)時(shí)日歷和31字節(jié)長的涓流靜態(tài)移動(dòng)時(shí)鐘RAM,通過簡單的無線數(shù)據(jù)通信串行接口與所有采用單片機(jī)設(shè)備之間進(jìn)行有線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信[12]。在本次實(shí)驗(yàn)中，DS1302時(shí)鐘檢測(cè)用藥方案中設(shè)置的時(shí)間并通過引腳反饋給單片機(jī)系統(tǒng)中，然后在顯示器中顯示出吃藥方案的信息。時(shí)鐘檢測(cè)電路圖如圖3-6所示。圖3-7時(shí)鐘檢測(cè)電路原理圖圖3-7時(shí)鐘檢測(cè)電路原理圖1.8電源電路單片機(jī)的工作電源正常使用運(yùn)行工作電壓一般是直流5v,電源模塊由一個(gè)三角電源座和一個(gè)六角的電源開關(guān)模塊構(gòu)成圖3-8電源電路原理圖，電源座通過USB連接通電，電源開關(guān)控制整個(gè)單片機(jī)的電源，電源模塊電路原理圖如圖3-7所示。圖3-8電源電路原理圖1.9時(shí)鐘檢測(cè)模塊分析作為定時(shí)模式，將DS1302作為定時(shí)器，首先定義兩個(gè)數(shù)組，一個(gè)作為DS1302的實(shí)時(shí)時(shí)間now[]，另一個(gè)作為定時(shí)時(shí)間暫存器time[]，在DS1302中讀取的數(shù)據(jù)格式是壓縮BCD碼，即now［7］={秒，分，時(shí)，日，月，周，年};當(dāng)控制按鍵按下時(shí)time［］存放的應(yīng)該是主觀定時(shí)時(shí)問，之后要將其修改成壓縮BCD碼并與當(dāng)前時(shí)間now［］的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并通過引腳與單片機(jī)進(jìn)行通信。第2章軟件程序設(shè)計(jì)2.1軟件開發(fā)環(huán)境Keilc51是一個(gè)51系列兼容的MCU-C軟件開發(fā)系統(tǒng)，它擁有自己獨(dú)立的函數(shù)庫系統(tǒng)，使用者可以通過使用函數(shù)庫系統(tǒng)快速完成代碼的編寫，通過他寫出來的代碼簡介易懂[13]，C語言開發(fā)后使用匯編調(diào)用更為深刻，如果匯編會(huì)話和硬件結(jié)構(gòu)在某種程度上是有能力的，那么使用匯編會(huì)話就更有優(yōu)勢(shì)[14]。2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本原則本次設(shè)計(jì)的家用智能藥盒應(yīng)具備以下幾點(diǎn)原則：精確性：必須保證每次提醒的用藥時(shí)間與用藥量數(shù)據(jù)的，不能出現(xiàn)不報(bào)或誤報(bào)。穩(wěn)定性：本次設(shè)計(jì)的智能藥盒設(shè)備必須保證在平時(shí)使用過程中穩(wěn)定可靠。實(shí)用性：作為家用智能藥盒來說它的實(shí)用性是很重要的，必須要做到攜帶方便，使用便捷，確保每一類人都可以使用。2.3程序設(shè)計(jì)準(zhǔn)備固件庫STM32是ST公司為我們的用戶提供的一個(gè)舒適的編程庫。在這個(gè)編程庫中，我們可以添加各種元器件，并切他的每一個(gè)元器件都標(biāo)明價(jià)格以及每個(gè)元器件的功能。我們可以隨時(shí)添加我們工程需要的元器件，而且里面描述了各個(gè)外設(shè)的功能，非常詳細(xì)，雖然整個(gè)文件是英文的，但讀起來不是很難。增加了許多應(yīng)用實(shí)例和注釋，不僅讓我學(xué)到了新的知識(shí)，還鍛煉了我的英語閱讀能力，使我們更自如地使用它。2.4工程搭建首先在電腦上創(chuàng)建一個(gè)文件夾，然后把我們創(chuàng)建的所有工程都放到這個(gè)文件夾中，方便之后的管理，在工程的總文件夾總設(shè)置子文件夾，明確每一個(gè)子文件夾的功能，最后在工程中選擇我們所需要的單片機(jī)型號(hào)以及文件保存的根目錄，設(shè)置好每一個(gè)文件名字的后綴。圖4-4為工程根目錄文件夾。圖3-7工程根目錄文件圖圖3-7工程根目錄文件圖2.5軟件主程序框架本設(shè)計(jì)采用模塊化模式用C語言進(jìn)行編程這次程序，實(shí)現(xiàn)的功能是：按鍵輸入信息通過單片機(jī)檢測(cè)，并在LCD顯示屏中顯示出來，在按鍵輸入用藥時(shí)間和每次用藥量之后，調(diào)節(jié)好系統(tǒng)時(shí)鐘后開始運(yùn)行，在運(yùn)行過程中，通過按鍵設(shè)置的用藥時(shí)間與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)間相比較，相等則蜂鳴器報(bào)警，并在顯示屏中顯示本次的用藥量。主程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5主程序流程圖圖4-5主程序流程圖2.6軟件子程序框架2.6.1時(shí)鐘模塊軟件設(shè)計(jì)接通電源系統(tǒng)開始工作，時(shí)鐘模塊進(jìn)行初始化，當(dāng)初始化完成顯示屏顯示當(dāng)前時(shí)間，時(shí)鐘檢測(cè)模塊運(yùn)行，檢測(cè)設(shè)置的用藥時(shí)間是否與實(shí)時(shí)時(shí)間相同，每200ms檢測(cè)一次，通過引腳串口將數(shù)值發(fā)送給單片機(jī)，如果相等在顯示屏上顯示當(dāng)前用藥量方案并發(fā)出報(bào)警，不相等則繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)主程序流程圖如圖4-6-1所示。圖4-6-1時(shí)鐘模塊流程圖圖4-6-1時(shí)鐘模塊流程圖2.6.2按鍵模塊軟件設(shè)計(jì)按鍵的工作原理是對(duì)信號(hào)高低電平的檢測(cè)，其中一個(gè)引腳連接單片機(jī)，一個(gè)引腳接地，當(dāng)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)的引腳接口就會(huì)檢測(cè)到低電平，按鍵信息輸入到單片機(jī)。本次系統(tǒng)應(yīng)用八個(gè)獨(dú)立的按鍵，第一個(gè)按鍵到第四個(gè)按鍵的功能分別是在顯示器中顯示用藥方案1至用藥方案4，第五個(gè)按鍵的功能是顯示屏切換到系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)間，第六個(gè)按鍵的功能是選擇對(duì)用藥量，用藥時(shí)間，系統(tǒng)時(shí)間標(biāo)為高亮進(jìn)行設(shè)置，第七個(gè)按鍵的功能是對(duì)標(biāo)為高亮的數(shù)字+1，第八個(gè)按鍵的功能是對(duì)標(biāo)為高亮的數(shù)字-1。按鍵模塊流程圖如圖4-6-2所示。圖圖4-6-2按鍵模塊流程圖2.6.3顯示模塊軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)展示模塊主要應(yīng)用LCD12864液晶顯示屏，通電之后第一個(gè)要進(jìn)行的是初始化操作，屏幕顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。單片機(jī)控制LCD12864液晶顯示屏的顯示內(nèi)容，將用藥時(shí)間和用藥量顯示在液晶顯示屏上，通過時(shí)鐘檢測(cè)模塊切換顯示內(nèi)容，根據(jù)按鍵操作，實(shí)時(shí)變換數(shù)值。LCD12864顯示的流程圖如4-6-3所示。圖圖4-6-3顯示模塊流程圖2.6.4報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)本次蜂鳴器報(bào)警電路的啟動(dòng)條件是設(shè)置的用藥時(shí)間是否與實(shí)時(shí)時(shí)間相等，當(dāng)用藥時(shí)間與當(dāng)前時(shí)間相等時(shí)，時(shí)鐘檢測(cè)模塊給單片機(jī)發(fā)送信息，單片機(jī)在將信息反饋到蜂鳴器報(bào)警電路模塊，最后蜂鳴器報(bào)警電路會(huì)發(fā)出聲音。報(bào)警電路模塊的流程圖如4-5-4所示。圖圖4-5-4報(bào)警模塊流程圖2.7程序下載在keil中，把所有程序?qū)懲旰螅瑢⒋a生成文件，根據(jù)自己的單片機(jī)型號(hào)選擇燒錄軟件的串口號(hào)，一般他會(huì)自動(dòng)選擇與自己合適的串口號(hào)，如果沒有自己型號(hào)的串口號(hào)可以檢查一下數(shù)據(jù)線，可以選擇另一個(gè)數(shù)據(jù)線進(jìn)行測(cè)試一下，選擇完成串口號(hào)后，打開剛編譯生成的HEX文件，然后點(diǎn)擊開始，文件燒錄之前單片機(jī)開關(guān)一定處于斷開狀態(tài)，等待一會(huì)會(huì)提示操作成功，這樣就證明了程序已經(jīng)下載到單片機(jī)中了，讓單片機(jī)重新上電就可以觀察單片機(jī)程序的運(yùn)行狀態(tài)了[15]。2.8程序運(yùn)行與測(cè)試1、檢查單片機(jī)與顯示模塊、按鍵模塊和時(shí)鐘DS1302模塊的引腳連接是否正確。2、用萬用表檢測(cè)每個(gè)引腳是否都是通路。3、將顯示模塊連接到最小的微機(jī)上，燒錄程序，檢查顯示功能，對(duì)元器件進(jìn)行更改和