【《基于单片机的家庭智能药管家硬件系统设计案例》6400字】

第2章硬件选用及介绍基于单片机的家庭智能药管家硬件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u24380基于单片机的家庭智能药管家硬件系统设计案例 1150481硬件选用及介绍 1150351.1单片机模块的选用及介绍 159651.2MR628语音合成模块选用介绍 2286151.3时钟模块选用介绍 4208531.4温湿度模块选用及介绍 425701.5SIM900A短信模块设计介绍 6109091.6液晶显示模块 7922硬件电路设计 8218642.1系统的需求分析 875112.2系统总体方案设计 8211242.3单片机模块设计 996062.4语音合成模块的电路设计 10185792.5时钟模块的电路设计 10287042.6温度传感器模块的设计 10226732.7液晶显示模块电路设计 1136832.8电源电路的设计 12148902.9系统硬件总体设计电路图 121硬件选用及介绍1.1单片机模块的选用及介绍随着现代社会的进步，单片机产品行业发展的也变得更加迅猛，各种单片机的产品层出不同，性能优劣也各有差异。STM32单片机属于ARM内核的一个新型版本，比传统的51单片机高级，有很多资源是51所没有具备的，如USB控制器。而且废除了机器的周期，与51单片机相比，速度上具有明显的优势的。STM32单片机程序都采用的是模块化的，接口相对51单片机来说更为简单些，所以针对本设计具有多种类型的模块的特点，选用STM32单片机更为恰当，因为它自身具有多种功能，工作速度快，而51的自身功能少，需要的外围元件多，要求技术上对电子非常熟悉。本系统采用的是尺寸为21.86mm*52.34mm的STM32F103C8T6单片机核心板。使用的调试方式为SWD的调试方式。具有板载8M晶振和RTC晶振，数据储存24V04，高速晶振为8MHz，低速晶振为31.768k，具有1.54mm整数倍间距插针。单片机核心板的USB串口支持一键下载，程序更新方便，板载的24C04数据储存器，有便于存储参考，具有电源的指示灯，板子还能进行LED灯的编程。其外观图如图1.1所示。图1.1STM32F103C8T6开发板实物图作为家庭智能药管家的主控芯片，开发板的具有重要的作用，同时，对于在软件技术方面比较感兴趣的人来说，选用一款优质的开发板，能够对其学习和研究效率有极大的提升。由于开发板具有多种规格，需要根据自身的不同需求选择不同规格的开发板，还要注意使用的方法以及开发板所限制的电压。STM32F103C8T6工作时，环境温度一般需要控制在-40摄氏度到102摄氏度之间，工作电压在1.5伏到2.5伏之间。由内外两部分构造构成，外部封装采用的是LQF48引脚，里面嵌入了Flash闪存，型号为32~128KB，能完成存储、烧写对应的串口程序的功能，并且能加密已经编好的程序，来保护设计者的劳动成果。内部采用的是Cortex-M3的RISC工作内核，Cortex-M3是新一代基于ARM的处理器。它包含两个12位自动实时同步基于ADC的数据通道、三个16位自动定时器定时器和一路的PWM，PWM基于脉冲宽度调制技术，而系统所需的智能调光要求也得到了更好的解决。1.2MR628语音合成模块选用介绍本设计采用的是MR628语音合成模块。MR628是一款性价比较高的数字语音合成模块，使用串口无线通讯的方式，发送简单的指令即可轻松实现实现从文本到语音的转换，同时它还支持中文、英文（按字母进行朗读）、数字的语音朗读，每次合成的语音文本数量最多可以达到250字节，可同时进行文本解析和语音播放，实现连续无间隔的语音合成。它是一个内置的音频功放，可直接用来驱动0.5W8R或者3W4R的小喇叭。1、接线方式：如图1.2，红色线为VCC，必须接5V，黄色为信号线，即模块的RXD，需要接单片机或者TTL模块的TXD，黑色为地线，接GND，注意不要接错。图1.2MR628接线图示例2、控制命令：通信方式为串口通信，波特率为9600，校验位None，数据位8，停止位1，命令和待合成文本都是字符串，以下将详细说明各命令使用方法：（1）语音合成命令：以<G>为帧头，后面接需要进行语音合成的内容，如需要朗读“欢迎使用MR628语音合成模块”，则发送：<G>欢迎使用MR628语音合成模块注意是英文状态下的尖括号；（2）取消语音合成：发送<G>即会立刻停止本次语音合成；（3）播放背景音乐：内置两首背景音乐，发送<M>1即播放背景音乐1，发送<M>2即播放背景音乐2，发送<M>0关闭背景音乐，注意<M>0只能关闭背景音乐，不能停止语音合成，同样<G>只能停止语音合成，不能停止播放背景音乐，如果不发送<M>0即使语音合成播放完毕，背景音乐依旧会一直播放，直到收到<M>0。播放提示音内置两首提示音，发送<I>18即播放背景音乐1，发送<I>19即播放背景音乐2。提示音与背景音乐不同，提示音播放完会自动停止，无需其他操作；（4）单片机驱动示例：只要有串口的单片机都可以驱动MR628语音合成模块，图1.3为STM32单片机驱动程序的部分截图。图1.3单片机驱动示例1.3时钟模块选用介绍DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为1.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302存在时钟准确度不高，容易受到环境因素的影响以及会出现时钟混乱的情况，这属于时钟存在的一个缺点。但是由于DS1302能用于数据的储存和记录，尤其是对于一些具有特别含义的数据点的记录，

可以实现数据和出现该数据的时间一同记录。根据它的这一特点，这样的记录对于长时间连续的测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因进行查找具有重要的意义。一般情况下的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，所以，仅仅能够记录数据但是却无法记录其出现的准确的时间；若采用单片机计时，一是需要使用计数器，会占用硬件的资源，另外一方面是需要设置中断、查询等，一样会导单片机资源的浪费，而且，某些测控系统或许不允许。但如果在系统中使用时钟芯片

DS1302，那就能较好地解决这个问题。1.4温湿度模块选用及介绍设计方案采用微型SHT21温度传感器如图1.4，新一代微型sensirion湿度和温度传感器在产品尺寸与温度智能化综合应用技术方面已经成功建立了一个新的应用技术标准:它们内部分别嵌入了另外一系列分别适用于热回流部件焊接的微型双列扁平管和无引脚的SDNF，微型封装，底部3×3mm，高度1.1mm。该相位传感器将其高频输出信号通过相位标定转换为一个pc的高频数字信号，采用一种标准化的PC输出格式。SHT21配备了一个CMOSsens系列芯片和经过技术改进的新型湿度变化传感器控制元件以及一个符合标准的低能量温度传感器控制元件，它的可靠性能已得到显著的大幅提升，甚至远远超出了之前的新一代湿度传感器(SHT1x和前代SHT7x)的最高可靠性。因此，新型第一代的高温湿度自动检测压力传感器，已经被广泛地采用于检测技术，以便在高湿度的环境下能够实现更加稳定的检测工作。每个温度传感器均已被精确校准并通过测试。在一个电子产品的芯片表面上会镌刻着一个印制着该产品的命令批号，同时在这个芯片中还同时存储着一个大的电子标签，从而用户通常可以直接通过右键输入这些命令符号来正确阅读这些电子标签。此外，SHT21的数字分辨率也可以直接通过电池输入信号命令对其数值进行自动修改（8/12bit乃至12/14bit的数字RH/T，传感器系统能够自动检测数据得到后的电池是否处于正常低电量的工作状态，并且对电池输出信号进行自动校验和，有助于大大提高移动无线网络数据通信的工作效率和可靠度。图1.4温湿度传感器实物图片传感器的通用芯片SHT21配有4C以替代CMOSens的芯片，除开它本身就附带有的一个线性的相对湿度变化传感器和一个能量温度传感器之外，这款音频芯片中的相关的功能还包括一个微型信号放大器、A/D信号转换器、OTP音频内存及其他的数字化音频信号采集处理单元。误差分析：温湿度传感器由于受环境温湿度的影响以及运行时自身发热产生的温度，会对数据的读取存在误差，所以通过对其进行误差分析，图1.5和1.6分析了温湿度传感器在25摄氏度时的相对湿度误差和温度典型误差以及最大误差。图1.525°时相对湿度的最大误差图1.6温度典型误差和最大误差1.5SIM900A短信模块设计介绍此调试模块的直流供电要求条件一般为5V直流供电，计算机仅在调试初期的使用计算机USB时的供电要求条件就已经可以直接达到这个供电要求。因为它只是增加了1000uf的一个大规模输入电容。长期在一段时间内其所传输的视频数据的总用电量大小应建议1A以上直流，TTL电平串口兼容采用自适应兼容2.3V和5V的直流单片机。它们还可以与其他单片机电路进行直接集成链路。待机时间在80min左右，可以将其设置为暂时休眠待机状态，设置在10ma左右，降低待机功率。计算机上面的调试USB-232和USB-TTL都是一样可以的，按照各个使用人的电脑配件的要求的不同来进行选择。支持短信，数据，彩信，上网。复位后从自动排针出口取出，可以同时实现现场无人实时值守的远程自动复位，带有DTMF复位功能的自动遥控器也同样可以同时实现。该应用模块的主要功能优点之一，那就是它只同时保留232口，在用户进行编程学习或者进行开发应用过程中时它可以实时自动监听51低端的智能单片上主机和应用模块的每个指令正常工作执行的实际情况，能够帮助使用户更快速地准确找出出现问题的内在原因，节约了产品开发和技术研究的大量时间。支持3G和4G的移动电话通讯卡。此款模块TTL电平兼容2.3V系统，5VTTL系统需要通过232控制模块。此模块的优点是一路TTL的两个接口分别同时支持2.3V射频单片机与5V射频单片机。即同时支持51类型5V单片机与STM32单片机。两路常用天线交换接口为SAM天线交换接口，IPXMINI天线交换接口（两路无需天线焊接）。一路232电平模块接口，也就是说一个用户可以通过一根232-USB型的串口线直接把这个电平模块的连接在一台电脑里面来进行调试。还可以通过USB-TTL来连接网络到你的个人网络计算机。计算机直接控制串口模块的工作方法，是通过一个串口(AT)模块发送的控制指令(AT)信号来直接控制这个串口模块。1.6液晶显示模块设计中常用的显示屏一般有OLED显示屏如图1.7所示，和LCD显示屏。但是两者的发光原理具有明显的差异，OLED面板的屏幕的对比度、亮度以及可视角度灯各方面的性能都要比LCD面板优越。由于家庭智能药管家需要显示的数据较多，所以在本次设计中我们自然会选择清晰度和对比度等性能更为优越的OLED显示屏。图1.7显示屏实物图当前我们普遍使用的OLED显示屏上一般主要包含有IIC和SPI两种通讯接口基本信息和接口定义，这两种通讯接口采用无线通讯协议有所不同。工作示例：如果我们要在左上角显示一个亮点，需要发送0x01（16进制的1）到数据地址，例如：Wire．beginTransmission(0x3C);//控制指令Wire．write(0x40);//写地址Wire．write(0x01);//写数据Wire．endTransmission();//结束PAGE402硬件电路设计2.1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。2.2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2.1所示。图2.1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。2.3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2.2所示。图2.2STM32F103C8T6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。2.4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2.3语音模块电路设计2.5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2.4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2.4时钟模块电路设计图2.6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2.5，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2.6，但是由于长期阳光曝晒或直接