【《单片机智能药管家系统的硬件和软件系统设计案例》4400字】

PAGE40单片机智能药管家系统的硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u25182单片机智能药管家系统的硬件和软件系统设计案例 146711硬件电路设计 1312301.1系统的需求分析 1204251.2系统总体方案设计 135221.3单片机模块设计 288211.4语音合成模块的电路设计 347251.5时钟模块的电路设计 3108471.6温度传感器模块的设计 451981.7液晶显示模块电路设计 5177071.8电源电路的设计 570481.9系统硬件总体设计电路图 5324462系统软件设计 8324252.1软件开发环境和系统相关问题分析 8115102.2系统的总体方案设计 9224812.3系统主程序 9138652.4时钟模块程序设计 10158302.5光敏电阻模块程序设计 101硬件电路设计1.1系统的需求分析根据当前社会的普遍现象可以发现，老年人和慢性病患者都有长期在家庭中服用药物进行辅助治疗的情况，并且，这种现象与日俱增。与此同时，老年人由于年老体衰，记忆力以及行动能力的下降，导致不能自主和正确的进行药物的服用。除此之外，一些行为能力缺失的患者和智力障碍类患者，他们在日常的服药过程中，也不能自行完成正确的服药操作。因此，服药不及时，不合理，甚至忘记服用药物的情况时有发生，严重影响治疗的效果，从而影响患者身体的恢复。另外，药品的保存问题也需要引起关注。一般药品的保存需要在一个温湿度值恰好的环境内，但是由于在家庭生活中，药物的存放环境并没有得到关注，导致药品开封后，被直接暴露在一个不确定温湿度的环境中，因此，药物的受潮和变质也是家庭用药中存在的普遍现象，如果患者没有注意，服用了已经受潮过变质的药品，则会严重危害患者的身体健康，甚至危及生命。因此，需要设计一款具有能够提醒患者按时服药，以及对药品存放环境温湿度进行监测等功能的家庭智能药管家系统，保障患者服药的及时性和安全性。1.2系统总体方案设计家庭智能药管家系统分为两部分进行设计，一部分是硬件电路的设计，另一部分是软件程序的设计。硬件电路的设计具体是利用STM32F103C8T6单片机、温湿度传感器、光敏电阻、导线等实物硬件，实现系统需要达到的具体功能。软件部分的设计是利用C语言为开发语言，编译系统程序，并以程序代码和文档的形式存在的数据文本，对系统能否正常运行起到至关重要的作用。本系统的目标是设计款基于单片机STM32F103C8T6家庭智能药管家系统，通过对硬件的合理选用，利用合适的时钟模块和语音模块定时语音提醒患者进行药品的服用；还能采集家庭智能药管家的运行环境中的温湿度数值，以此监测药物存放的环境，另外通过对光照强度检测和判断，可以反馈患者是否进行服药的情况。家庭智能药管家系统的总体框架由温湿度监测模块、光敏电阻模块和反馈语音模块、时钟模块、显示模块、短信反馈模块以及电源管理电路搭建而成。系统总体结构框图如图1.1所示。图1.1系统总体结构框图基于单片机STM32F103C8T6设计的家庭智能药管家系统，在打开开关接通电源后，系统开始进行初始化，接下来单片机读取时钟模块DS1302的数据，然后通过显示屏0.96OLED显示；此模块下可以实现利用手动键入控制详细的服药的提醒时间并在显示屏有清楚的显示，按键可以设置吃药提醒时间，语音模块播报提醒语音。1.3单片机模块设计STM32F103C8T6为可编程式单片机，具有12位模数转换器，计时器，标准和高级通信接口相当，所以在硬件电路的设计中，将STM32F103C8T6单片机作为系统的主控制器。同时它还拥有一个高性能的RISC内核，其内部工作运行频率最高可以达到72MHz，让其可适用于本系统的设计；单片机与下载口电路、光敏电阻电路、电源电路等一起组成了单片机的最小系统，电路原理图如图1.2所示。图1.2STM32F103C8T6最小系统电路原理图STM32F103C8T6单片机芯片共有48个管脚，每个管脚所对应这不能的作用，例如传感器模块的接入、电源电路、OLED显示屏电路等。因此，为了能够实现家庭智能药管家系统的定时提醒、语音播报、温湿度监测、光照度的传输、处理、以及短信发送功能，在连接电路时要将管脚相对应的功能仔细检查核对，以免出现连接错误。1.4语音合成模块的电路设计在语音设计模块中，语音模块要实现对于实时语音播报提醒的功能，所以语音模块连接主控的器单片机，通过单片机读取程序并传输指令，完成语音播报任务。具体电路设计如图3．3所示。将5V左右的稳压电源引入电源正极VCC端，电源负极GND端接地，4接口端需要接STM32F103C8T6单片机U1-RXD引脚，5接口端接入STM32F103C8T6单片机U1-TXD引脚处。图1.3语音模块电路设计1.5时钟模块的电路设计时钟在系统中的作用是起到定时提醒的功能，单片机读取时钟数据，再传输到语音模块，一起完成定时提醒功能。如图1.4所示，该时钟模块引脚1(VCC)接通电源，引脚2(GND)接地，引脚4(DAIA)与单片机STM32F103C8T6引脚DS1302相连，引脚3(CLK)与单片机STM32F103C8T6引脚DS1302相连，引脚5(RST)连接单片机STM32F103C8T6DS1302，以实现时钟数据的处理、发送。它的供电电压较小，在接通电源后，会有不稳定状态的产生，状态持续2s，需要进行短暂的等待。图1.4时钟模块电路设计图1.6温度传感器模块的设计温湿度传感器在系统中能监测环境的温度和湿度数据，然后反馈给单片机主控器，并通过液晶显示屏显示在屏幕上，能直观的反映药物的存放环境的温湿度情况，便于评估药物的存放环境，防止药物受潮变质。系统设计电路见图1.5，在系统软件设计中需要使用的湿度传感器一般位于一个系统运行配置的稳定范围内见图1.6，但是由于长期阳光曝晒或直接暴露在正常环境温度使用范围以外的一定环境湿度条件下，特别是在相对湿度大于>80%时，可能阳光会直接辐射导致相关信号发生暂时性的快速漂移(60小时后信号漂移+3%rh)。但是当定位传感器达到回归至正常位置运行的设定条件之后，就可以要求该定位传感器缓慢地从一个校正位移到一个新的位置修改运行状态。图1.5温湿度传感器电路设计图图1.6温湿度传感器工作条件1.7液晶显示模块电路设计液晶显示模块在系统中，连接单片机主控器、时钟模块、温湿度传感器等，直接显示各个模块反馈的数据。能直观读取数据信息，获取药物存放环境的温湿度值。系统的OLED显示屏采用的模块是四脚连接口的，其中，引脚1连接到输入电压，引脚2为接地，引脚3为连接到输出工作电压，电路设计的原理图如图1.7所示。图1.7OLED显示模块电路设计图1.8电源电路的设计本设计中的电源模块采用的是5V直流电源的方式对系统进行供电，由于本设计中的单片机的输入电压为1.3V，若超过这一数值，单片机可能会有烧毁的风险，所以，为了防止过高的电压烧毁单片机，需要通过C5电容器进行电压调节。电路中，USB数据线的D+、D-分别对应STM32F103C8T6的PA11、PA12脚管。电路设计图如图1.8所示。图1.8电源电路设计图1.9系统硬件总体设计电路图本系统的设计以单片机STM32F103C8T6为主控系统电路，电源模块支持5V电源供电，并通过正向低压降稳压器进行电压调节供给单片机。电源通电后，单片机读取时钟模块、光敏电阻模块以及温湿度传感器的数据，然后通过显示屏0.96OLED显示；在键盘上可以实现利用手动键入控制详细的服药的提醒时间并在显示屏有清楚的显示，按键可以设置吃药提醒时间，最后语音模块播报提醒语音或者进行短信发送反馈，系统的总体电路设计如图1.9。图1.9系统总体电路设计原理图4系统软件设计2.1软件开发环境和系统相关问题分析STM32微处理器内核是基于ARM核，因此许多基于ARM的高级嵌入式软件系统开发应用环境均已经可以直接应用在新的STM32开发环境平台上。选取合适的企业软件开发，打造良好的工作环境，能够有效地帮助加快企业软件开发的工作进度，节约了许多软件开发的费用。KeilMDK介绍Keil微控制器软件开发平台，是德国知名软件公司ARM公司设计开发的。是目前采用ARM双内核核心单片机自主研制和设计开发的一种国际主流设计技术和实用工具。Keil为我们提供了一个完整的软件开发环境解决模式方案，有宏结构汇编、c语言编译器、链路管理、数据库资源管理和一个软件仿真器和调试器。uVision3是uVision当前的最高级别的调试版本，其软件设计调试界面与常用基于微软和VC++的软件设计调试界面非常相似，容易学习和上手操作。在设计调试开发应用程序，软件的编程仿真等各个方面也都可以拥有很强大的技术实用性。2、Keil的软件开发周期使用Keil来进行应用软件的整体开发，其中应用软件的整个开发周期与其他软件平台上进行开发软件的整个开发周期是大体相似的，大致上可分为以下几个开发步骤：（1）在网络上创建一个项目，选择一块自己想要实现的目标芯片，并且对其进行一些必须的工程和设备的配置。（2）编写C或者汇编源文件。（3）编译应用程序。（4）修改源程序中的错误。（5）联机调试。患者用药管理相关问题分析患者用药管理相关问题分析：患者服药管理指的是患者在家中对药物进行存放、自主服用和储存药物。有相关调查研究表明，近年来药物的使用率高达接近80%，特别是中老年人，每人次服用药物在三种或以上、而且部分慢性病患者和老年人需要同时服用五种以上的药物。病人的行动能力和精神状态或存在着用药不方便等问题，其中由于老年人记忆力和逻辑能力逐渐衰退，这类病人不能自行进行科学合理的对药品进行临床服用和保存，容易造成药品过期或变质，还可能发生病人忘记服用或错误使用药品等问题，这样就会给病人的身体和心理健康造成危害，影响其治疗的效果。2.2系统的总体方案设计在整个家庭智能药管家系统中，单片机STM32F103C8T6作为主控制芯片，系统能否进行正常的工作运行，依靠单片机完成整个家庭智能药管家系统的控制。首先，采用1.5V-3.5V低压电给单片机主控制器以及GSM模块进行供电，家庭智能药管家系统初始化完成后，系统会发送“GSMOK”短信到绑定的手机，表示系统能够开始正常运行。温湿度传感器、光敏电阻在接通电源后开始工作，会将采集到的数据信息直接传递给STM32F103C8T6进行读取、处理。然后会在OLED显示屏上显示出当前采集到的数据。接着，通过库函数C语言对整个工作流程及实现的功能进行编程，在程序中设置语音播报内容，再在键盘上设置用药提醒时间，当时间达到设置时刻时，家庭智能药管家开始语音播报，提醒患者用药，患者按时打开药盒服药，光照传感器检测数值，反馈给主控器，服药流程结束。若患者没有按时服药，光照传感器检测不到照度变化，药管家则自动发送信息到监护人手机。2.3系统主程序接通电源，按下开关后，OLED显示屏、GSM短信模块，DS1302时钟等初始化。随后，GSM短信模块会向药箱用户手机发送短信提醒设置用药时间。设置提醒后，用药时间到时，药箱内置的蜂鸣器会发出警报提醒用户吃药。在蜂鸣器发声期间打开药箱，蜂鸣器停止运作；提醒时长用户可以自行设定，如超出提醒时间用户仍未打开药箱，内置光敏电阻未感知到外部光源，GSM短信模块则会向用户手机发送短信提醒用户吃药，过程如流程图2.1所示。图2.1系统流程图2.4时钟模块程序设计在本设计中，语音模块的主要功能是进行患者服药时间的设定，然后载与OLED显示屏连接，时间