PAGE40單片機智能藥管家系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u25182單片機智能藥管家系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設計案例 146711硬件電路設計 1312301.1系統(tǒng)的需求分析 1204251.2系統(tǒng)總體方案設計 135221.3單片機模塊設計 288211.4語音合成模塊的電路設計 347251.5時鐘模塊的電路設計 3108471.6溫度傳感器模塊的設計 451981.7液晶顯示模塊電路設計 5177071.8電源電路的設計 570481.9系統(tǒng)硬件總體設計電路圖 5324462系統(tǒng)軟件設計 8324252.1軟件開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)相關問題分析 8115102.2系統(tǒng)的總體方案設計 9224812.3系統(tǒng)主程序 9138652.4時鐘模塊程序設計 10158302.5光敏電阻模塊程序設計 101硬件電路設計1.1系統(tǒng)的需求分析根據當前社會的普遍現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，老年人和慢性病患者都有長期在家庭中服用藥物進行輔助治療的情況，并且，這種現(xiàn)象與日俱增。與此同時，老年人由于年老體衰，記憶力以及行動能力的下降，導致不能自主和正確的進行藥物的服用。除此之外，一些行為能力缺失的患者和智力障礙類患者，他們在日常的服藥過程中，也不能自行完成正確的服藥操作。因此，服藥不及時，不合理，甚至忘記服用藥物的情況時有發(fā)生，嚴重影響治療的效果，從而影響患者身體的恢復。另外，藥品的保存問題也需要引起關注。一般藥品的保存需要在一個溫濕度值恰好的環(huán)境內，但是由于在家庭生活中，藥物的存放環(huán)境并沒有得到關注，導致藥品開封后，被直接暴露在一個不確定溫濕度的環(huán)境中，因此，藥物的受潮和變質也是家庭用藥中存在的普遍現(xiàn)象，如果患者沒有注意，服用了已經受潮過變質的藥品，則會嚴重危害患者的身體健康，甚至危及生命。因此，需要設計一款具有能夠提醒患者按時服藥，以及對藥品存放環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測等功能的家庭智能藥管家系統(tǒng)，保障患者服藥的及時性和安全性。1.2系統(tǒng)總體方案設計家庭智能藥管家系統(tǒng)分為兩部分進行設計，一部分是硬件電路的設計，另一部分是軟件程序的設計。硬件電路的設計具體是利用STM32F103C8T6單片機、溫濕度傳感器、光敏電阻、導線等實物硬件，實現(xiàn)系統(tǒng)需要達到的具體功能。軟件部分的設計是利用C語言為開發(fā)語言，編譯系統(tǒng)程序，并以程序代碼和文檔的形式存在的數(shù)據文本，對系統(tǒng)能否正常運行起到至關重要的作用。本系統(tǒng)的目標是設計款基于單片機STM32F103C8T6家庭智能藥管家系統(tǒng)，通過對硬件的合理選用，利用合適的時鐘模塊和語音模塊定時語音提醒患者進行藥品的服用；還能采集家庭智能藥管家的運行環(huán)境中的溫濕度數(shù)值，以此監(jiān)測藥物存放的環(huán)境，另外通過對光照強度檢測和判斷，可以反饋患者是否進行服藥的情況。家庭智能藥管家系統(tǒng)的總體框架由溫濕度監(jiān)測模塊、光敏電阻模塊和反饋語音模塊、時鐘模塊、顯示模塊、短信反饋模塊以及電源管理電路搭建而成。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)總體結構框圖基于單片機STM32F103C8T6設計的家庭智能藥管家系統(tǒng)，在打開開關接通電源后，系統(tǒng)開始進行初始化，接下來單片機讀取時鐘模塊DS1302的數(shù)據，然后通過顯示屏0.96OLED顯示；此模塊下可以實現(xiàn)利用手動鍵入控制詳細的服藥的提醒時間并在顯示屏有清楚的顯示，按鍵可以設置吃藥提醒時間，語音模塊播報提醒語音。1.3單片機模塊設計STM32F103C8T6為可編程式單片機，具有12位模數(shù)轉換器，計時器，標準和高級通信接口相當，所以在硬件電路的設計中，將STM32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)的主控制器。同時它還擁有一個高性能的RISC內核，其內部工作運行頻率最高可以達到72MHz，讓其可適用于本系統(tǒng)的設計；單片機與下載口電路、光敏電阻電路、電源電路等一起組成了單片機的最小系統(tǒng)，電路原理圖如圖1.2所示。圖1.2STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路原理圖STM32F103C8T6單片機芯片共有48個管腳，每個管腳所對應這不能的作用，例如傳感器模塊的接入、電源電路、OLED顯示屏電路等。因此，為了能夠實現(xiàn)家庭智能藥管家系統(tǒng)的定時提醒、語音播報、溫濕度監(jiān)測、光照度的傳輸、處理、以及短信發(fā)送功能，在連接電路時要將管腳相對應的功能仔細檢查核對，以免出現(xiàn)連接錯誤。1.4語音合成模塊的電路設計在語音設計模塊中，語音模塊要實現(xiàn)對于實時語音播報提醒的功能，所以語音模塊連接主控的器單片機，通過單片機讀取程序并傳輸指令，完成語音播報任務。具體電路設計如圖3．3所示。將5V左右的穩(wěn)壓電源引入電源正極VCC端，電源負極GND端接地，4接口端需要接STM32F103C8T6單片機U1-RXD引腳，5接口端接入STM32F103C8T6單片機U1-TXD引腳處。圖1.3語音模塊電路設計1.5時鐘模塊的電路設計時鐘在系統(tǒng)中的作用是起到定時提醒的功能，單片機讀取時鐘數(shù)據，再傳輸?shù)秸Z音模塊，一起完成定時提醒功能。如圖1.4所示，該時鐘模塊引腳1(VCC)接通電源，引腳2(GND)接地，引腳4(DAIA)與單片機STM32F103C8T6引腳DS1302相連，引腳3(CLK)與單片機STM32F103C8T6引腳DS1302相連，引腳5(RST)連接單片機STM32F103C8T6DS1302，以實現(xiàn)時鐘數(shù)據的處理、發(fā)送。它的供電電壓較小，在接通電源后，會有不穩(wěn)定狀態(tài)的產生，狀態(tài)持續(xù)2s，需要進行短暫的等待。圖1.4時鐘模塊電路設計圖1.6溫度傳感器模塊的設計溫濕度傳感器在系統(tǒng)中能監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據，然后反饋給單片機主控器，并通過液晶顯示屏顯示在屏幕上，能直觀的反映藥物的存放環(huán)境的溫濕度情況，便于評估藥物的存放環(huán)境，防止藥物受潮變質。系統(tǒng)設計電路見圖1.5，在系統(tǒng)軟件設計中需要使用的濕度傳感器一般位于一個系統(tǒng)運行配置的穩(wěn)定范圍內見圖1.6，但是由于長期陽光曝曬或直接暴露在正常環(huán)境溫度使用范圍以外的一定環(huán)境濕度條件下，特別是在相對濕度大于>80%時，可能陽光會直接輻射導致相關信號發(fā)生暫時性的快速漂移(60小時后信號漂移+3%rh)。但是當定位傳感器達到回歸至正常位置運行的設定條件之后，就可以要求該定位傳感器緩慢地從一個校正位移到一個新的位置修改運行狀態(tài)。圖1.5溫濕度傳感器電路設計圖圖1.6溫濕度傳感器工作條件1.7液晶顯示模塊電路設計液晶顯示模塊在系統(tǒng)中，連接單片機主控器、時鐘模塊、溫濕度傳感器等，直接顯示各個模塊反饋的數(shù)據。能直觀讀取數(shù)據信息，獲取藥物存放環(huán)境的溫濕度值。系統(tǒng)的OLED顯示屏采用的模塊是四腳連接口的，其中，引腳1連接到輸入電壓，引腳2為接地，引腳3為連接到輸出工作電壓，電路設計的原理圖如圖1.7所示。圖1.7OLED顯示模塊電路設計圖1.8電源電路的設計本設計中的電源模塊采用的是5V直流電源的方式對系統(tǒng)進行供電，由于本設計中的單片機的輸入電壓為1.3V，若超過這一數(shù)值，單片機可能會有燒毀的風險，所以，為了防止過高的電壓燒毀單片機，需要通過C5電容器進行電壓調節(jié)。電路中，USB數(shù)據線的D+、D-分別對應STM32F103C8T6的PA11、PA12腳管。電路設計圖如圖1.8所示。圖1.8電源電路設計圖1.9系統(tǒng)硬件總體設計電路圖本系統(tǒng)的設計以單片機STM32F103C8T6為主控系統(tǒng)電路，電源模塊支持5V電源供電，并通過正向低壓降穩(wěn)壓器進行電壓調節(jié)供給單片機。電源通電后，單片機讀取時鐘模塊、光敏電阻模塊以及溫濕度傳感器的數(shù)據，然后通過顯示屏0.96OLED顯示；在鍵盤上可以實現(xiàn)利用手動鍵入控制詳細的服藥的提醒時間并在顯示屏有清楚的顯示，按鍵可以設置吃藥提醒時間，最后語音模塊播報提醒語音或者進行短信發(fā)送反饋，系統(tǒng)的總體電路設計如圖1.9。圖1.9系統(tǒng)總體電路設計原理圖4系統(tǒng)軟件設計2.1軟件開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)相關問題分析STM32微處理器內核是基于ARM核，因此許多基于ARM的高級嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)應用環(huán)境均已經可以直接應用在新的STM32開發(fā)環(huán)境平臺上。選取合適的企業(yè)軟件開發(fā)，打造良好的工作環(huán)境，能夠有效地幫助加快企業(yè)軟件開發(fā)的工作進度，節(jié)約了許多軟件開發(fā)的費用。KeilMDK介紹Keil微控制器軟件開發(fā)平臺，是德國知名軟件公司ARM公司設計開發(fā)的。是目前采用ARM雙內核核心單片機自主研制和設計開發(fā)的一種國際主流設計技術和實用工具。Keil為我們提供了一個完整的軟件開發(fā)環(huán)境解決模式方案，有宏結構匯編、c語言編譯器、鏈路管理、數(shù)據庫資源管理和一個軟件仿真器和調試器。uVision3是uVision當前的最高級別的調試版本，其軟件設計調試界面與常用基于微軟和VC++的軟件設計調試界面非常相似，容易學習和上手操作。在設計調試開發(fā)應用程序，軟件的編程仿真等各個方面也都可以擁有很強大的技術實用性。2、Keil的軟件開發(fā)周期使用Keil來進行應用軟件的整體開發(fā)，其中應用軟件的整個開發(fā)周期與其他軟件平臺上進行開發(fā)軟件的整個開發(fā)周期是大體相似的，大致上可分為以下幾個開發(fā)步驟：（1）在網絡上創(chuàng)建一個項目，選擇一塊自己想要實現(xiàn)的目標芯片，并且對其進行一些必須的工程和設備的配置。（2）編寫C或者匯編源文件。（3）編譯應用程序。（4）修改源程序中的錯誤。（5）聯(lián)機調試?；颊哂盟幑芾硐嚓P問題分析患者用藥管理相關問題分析：患者服藥管理指的是患者在家中對藥物進行存放、自主服用和儲存藥物。有相關調查研究表明，近年來藥物的使用率高達接近80%，特別是中老年人，每人次服用藥物在三種或以上、而且部分慢性病患者和老年人需要同時服用五種以上的藥物。病人的行動能力和精神狀態(tài)或存在著用藥不方便等問題，其中由于老年人記憶力和邏輯能力逐漸衰退，這類病人不能自行進行科學合理的對藥品進行臨床服用和保存，容易造成藥品過期或變質，還可能發(fā)生病人忘記服用或錯誤使用藥品等問題，這樣就會給病人的身體和心理健康造成危害，影響其治療的效果。2.2系統(tǒng)的總體方案設計在整個家庭智能藥管家系統(tǒng)中，單片機STM32F103C8T6作為主控制芯片，系統(tǒng)能否進行正常的工作運行，依靠單片機完成整個家庭智能藥管家系統(tǒng)的控制。首先，采用1.5V-3.5V低壓電給單片機主控制器以及GSM模塊進行供電，家庭智能藥管家系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)會發(fā)送“GSMOK”短信到綁定的手機，表示系統(tǒng)能夠開始正常運行。溫濕度傳感器、光敏電阻在接通電源后開始工作，會將采集到的數(shù)據信息直接傳遞給STM32F103C8T6進行讀取、處理。然后會在OLED顯示屏上顯示出當前采集到的數(shù)據。接著，通過庫函數(shù)C語言對整個工作流程及實現(xiàn)的功能進行編程，在程序中設置語音播報內容，再在鍵盤上設置用藥提醒時間，當時間達到設置時刻時，家庭智能藥管家開始語音播報，提醒患者用藥，患者按時打開藥盒服藥，光照傳感器檢測數(shù)值，反饋給主控器，服藥流程結束。若患者沒有按時服藥，光照傳感器檢測不到照度變化，藥管家則自動發(fā)送信息到監(jiān)護人手機。2.3系統(tǒng)主程序接通電源，按下開關后，OLED顯示屏、GSM短信模塊，DS1302時鐘等初始化。隨后，GSM短信模塊會向藥箱用戶手機發(fā)送短信提醒設置用藥時間。設置提醒后，用藥時間到時，藥箱內置的蜂鳴器會發(fā)出警報提醒用戶吃藥。在蜂鳴器發(fā)聲期間打開藥箱，蜂鳴器停止運作；提醒時長用戶可以自行設定，如超出提醒時間用戶仍未打開藥箱，內置光敏電阻未感知到外部光源，GSM短信模塊則會向用戶手機發(fā)送短信提醒用戶吃藥，過程如流程圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)流程圖2.4時鐘模塊程序設計在本設計中，語音模塊的主要功能是進行患者服藥時間的設定，然后載與OLED顯示屏連接，時間