【《基于STM32单片机的智能药盒设计》13000字】

11基于STM32单片机的智能药盒设计摘要：在这个社会节奏飞快的社会，人们年轻时只顾着打拼事业，常常不顾身体的健康，以此来换取金钱上的满足。但是这也为日后老去的身体健康埋下了隐患。现如今，老人按时服药已经变成一个不单单是一个家庭的难题，更是社会的难题，老人不能按时服药，会导致病情的不受控制，久而久之，十分不利老人的身体健康。对于特殊疾病患者来说，每日准时服药甚至是关乎生死的事情，没有人可以保证时刻记得吃药。所以监督老人准时用药,为老人健康保驾护航，是解决这一问题的有效方法。针对老人准时吃药这一问题，社会相关人员想要研发一种“智能药盒”。老人身体素质一般都比较差，通常情况下伴有好几种病，像心脏病，三高，糖尿病等等。因此，老人每天必须靠大量的药物来控制病情。但不同的药吃药时间也不尽相同，要老人自己记住所有的吃药时间十分困难。倘若不能按时吃药，病情就会出现恶化，导致身体每况日下，于是我们为此决定研发一款智能药盒。本设计的要求是设计一个基于STM32的智能药盒，从而实现对用户吃药的提醒和监督。该系统大体可以分为三个部分，由手机APP实现对药盒的吃药时间进行设置和修改，由LED灯和到位开关以及微型控制元件构建形成药盒，由WiFi模块实现数据的传输。在本课题设计方案上，主要采用以STM32单片机为主要的核心嵌入式系硬件，设计相关的外围电路，实现了对用户吃药进行提醒和监督。从成本角度出发，本设计自行购买了元件和线路，手工焊接的方式来进行焊接固定。在传输数据的部分，从稳定性，覆盖范围，成本，使用普及度等多方面考虑，对比了WIFI,ZigBee和蓝牙的优缺点，最终选取了WIFI作为数据传输。在软件方面，使用了比较流行方便的安卓技术进行了APP的开发，也方便以后用户直接安装在手机上。综上所述，本系统可以实现手动设置和修改智能药盒的用药定时时间，实时监督用户的用药情况，对于用户的用药情况可以起到一个良好的提醒和监督功能，提高了老人用药的及时性和准确性，对未来居家医疗的发展有一定的指导意义，也对解决老年人用药做出一定的贡献。关键词：微控制单元；无线网络模块；到位开关；系统验证目录 TOC\o"1-3"\h\u1.绪论 III4系统总体设计4.1嵌入式系统结构设计本文设计的智能药盒嵌入式系统由三个主要环节组成：外设输入模块、处理模块和输出模块。其中信号输入端由到位开关进行控制，WiFi模块用来进行数据的传输；信号处理中心选用的是STM32开发板，该部分的作用是起到一个处理转换的作用，将接收到的信号，处理分析，转换成对应的输出信号，发送给输出端，该部分相当于一个中转站。最后是信号输出端，该部分由LED和蜂鸣器组成，接收到单片机传来的输出信号，输出端做出对应的结果。以下是本系统硬件结构图。图4-1：硬件系统结构图4.2控制中枢模块与外电源转换电路4.2.1控制中枢模块介绍STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。该公司已经推出STM32系列多种型号，比如基本型系列，增强型系列，USB基本型系列，互补型系列。我们在开发的时候，面对琳琅满目的各种型号，可能会感到不知所措，无从下手，出现选择困难障碍。为此，本文专门讲解一下STM32系列的命名规则，方便区分各种型号，以便以后在开发过程中准确选取。以STM32F103C8T6AXX举例。图4-2STM32型号介绍STM32的主要优点：（1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核（2）优异的实时性能（3）杰出的功耗控制（4）出众及创新的外设（5）最大程度的集成整合（6）易于开发，可使产品快速将进入市场下图是STM32单片机核心板电路原理图图4-3STM32单片机核心板电路接口图4.2.2单片机最小系统电源转换电路MCU的额定标准电压是3.3V，由于我们使用的是家用220V交流电，不能够直接使用在芯片上，否则芯片一定会过载损坏。交流电经过适配器的处理，将电压降到DC5V，此时还不能直接使用，仍要经历二次降压，通过电源转换芯片将电压降到3.3V才可以正常给芯片使用，下图是电源降压转换示意图。图4-4：电源降压转换示意图4.3主要输入与输出信号设计4.3.1无线WIFI模块设计本设计采用ESP8266模块，ESP8266可以实现的主要功能有：串口透传，PWM控制，GPIO控制。串口透传：数据传输，传输可靠性好，最高传输速度460800bps。PWM控制：光控、三色LED控制、电机调速等。GPIO控制：控制开关、继电器等。ESP8266模块支持三种工作模式：STA/AP/STA+AP。STA模式：ESP8266模块通过路由器接入互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。AP模式：ESP8266模块作为热点，可以让手机或电脑直接与模块通信，实现局域网的无线控制。STA+AP模式：两种模式共存模式，即通过互联网控制实现平滑过渡，方便工作。该模块尺寸非常小巧精悍（19mm

*29mm）。该模块通过6个2.54毫米间距排针从外部连接，使其易于安装到您自己的设备中。模块外观如图所示。图4-5WiFi-ESP8266实物图由于我们在使用中需要对引脚进行焊接，若是对引脚的功能不够了解，就不能够熟练地准确构成电路，下面我们对ESP8266的引脚进行介绍：图4-6ESP8266模块引脚介绍WiFi模块的主要功能是实现数据的无线传输，可以将传感器采集的环境参数实时的显示到我们所开发的手机App上，而且可以实现手机端对于智能药盒的闹铃设置与修改。本文采用的是ESP8266WiFi模块，对于VCC的选择我们采用5V，WiFi模块我们拿到之后需要连接到电脑对其进行串口调试，这就需要使用到AT指令，下面我们就简单的介绍一下较为常见的AT指令指令名响应含义ATOK测试指令AT+CWMODE＝＜mode＞OK设置应用模式AT＋CWMODE？+CWMODE:<mode>获得当前应用模式AT+CWLAP+CWLAP:<ecn>,<ssid>,<rssi>返回目前的AP列表AT+CWJAP=<ssid>,<pwd>OK加入某一APAT+CWJAP?+CWJAP:<ssid>返回当前加入的APAT+CWQAPOK退出当前加入的APAT+CIPSTART=<type>,<addr>,<port>OK建立TCP/UDP连接AT+CIPMUX=<mode>OK是否启用多连接AT+CIPSEND=<param>OK发送数据AT+CIPMODE=<mode>OK是否进入透传模式表4-1常见AT指令本WiFi模块有两种通讯方式。一种是绑定模式，另一种是命令模式。在绑定模式下，主从设备一旦被捆绑，就不可以更改。这样的结果就是，只有这两个绑定的设备可以相互通信，不能与其他设备连接进行数据传送。指令模式使用发现和配对方法来确定主设备，使用AT指令收发数据，这种通讯方式使用方便灵活。本次设计选择指令方式通讯，上位机与WIFI模块匹配成功。通常，上位机是主机，设备是从机。主机可以向从机发送命令并接收发送的数据。数据传输方式和WiFi模块硬件连接图如下所示。图4-7：WIFI模块数据传输模式图图4-8：WIFI模块硬件接线图WiFi模块的硬件部分没有问题之后，通上电该模块即可正常运行，此时WiFi模块起到一个串口作用，收到用户发送的指令后，经过分析处理，做出相应的操作；当需要反馈数据给用户的时候，WiFi模块把数据反馈到用户的APP上，下图是操作执行的流程图。图4-9WiFi模块软件流程图4.3.2发光LED灯设计在智能药盒的指示灯上，本设计选取了市场上常见的LED发光二极管。因为PN节发光二极管的单向导通性可以很好的保护电路，防止电路损坏。本文的LED灯的导通电流是3mA,使用的电压也和系统的输入电压相符，只需要串联一个电阻防止其过流即可。4.3.3蜂鸣器驱动与控制设计蜂鸣器是一种常见的电子讯响器，采用直流供电的方式运行。蜂鸣器的发声原理由振动装置和谐振装置组成，而蜂鸣器又分为无源他激型与有源自激型。这两种蜂鸣器的工作方式各不相同。下面，我们来介绍一下这两种蜂鸣器的工作方式。无源他激型蜂鸣器的工作发声原理是：方波信号输入谐振装置转换为声音信号输出，无源他激型蜂鸣器的工作发声原理图如图4-11。图4-11无源他激型工作方式有源自激型蜂鸣器的工作发声原理是：直流电源输入经过振荡系统的放大取样电路在谐振装置作用下产生声音信号，有源自激型蜂鸣器的工作发声原理图如图4-12。图4-12有源自激型工作方式经过对比发现两种蜂鸣器，本文选用了有源型蜂鸣器，因其采用直流电压供电，符合本文的设计。因为此款蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从而实现磁场交变，带动铝片振动发音。为了增强单片机的引脚带载能力，使用一个LED进行控制。为了防止蜂鸣器短路对电路造成损坏，特意添加了一个电阻，用来限流，保护电路。具体的焊接设计见下图。图4-10：蜂鸣器驱动与控制电路4.3.4到位开关设计本文需要手动操作药盒开关的开启关闭，所以需要选择开关，本着从成本角度出发，这里选取了三角形到位开关。该程序旨在在低级别激活。该按钮由两根线连接，一根接地，另一根连接到MCU引脚。当检测到程序中定义的I/O口引脚为低电平时，程序进入按键中断处理程序。如果该引脚在1ms延迟后继续检测到低电平，则确定摆动开关有效。为实现该功能，执行相应的子程序。主要执行流程图如下图所示。图4-11：波动开关执行流程图完成了以上所有模块的设计，我们就得到了一个完整的硬件模块电路，具体的电路图如4-12，实物图如图4-13。图4-12硬件系统电路图图4-13硬件系统实物图4.3.5手机APP设计本部分的主要功能是，通过手机上的WiFi功能和智能药盒的WiFi-ESP8266模块进行连接，从而达到数据传输的目的。APP可以远程设定药盒的定时时间，而且可以随时更改。开发语言选择Java，我们主要主要界面以智能药盒为标题，下方有两行输入框分别为IP地址的输入和端口号的输入，然后设置一个连接按钮用来连接WiFi模块进行数据传输。连接成功后，会显示当前时间（为了方便演示，我们将时间调整为分秒制，现实应该是时分制），闹钟1，闹钟2，闹钟3。下面有一个当前设定，默认是0，此时不能改变闹钟的设定时间。当我们需要改变闹钟的时间时，点击，右下角的“切换”按钮，当前设定会默认＋1，此时点击“增加”或“减少”，闹钟1的“小时”就会对应地增加或减少，再点击一下“切换”，此时点击“增加”或“减少”，闹钟1的“分钟”就会对应地增加或减少。以此类推，可以随意设定和改变三个闹钟的定时时间。APP连接成功前后效果图如下所示。图4-14连接前APP界面（左图）图4-15连接后APP界面（右图）4.4本章小结本章开头部分，主要介绍智能药盒的总体框架设计，在后面的部分，重点说明了系统的重要组成模块：WiFi-ESP8266模块，LED模块，蜂鸣器模块，到位开关的设计，并且简介了相关模块的一些常用知识，说明了各模块的工作原理及流程。

5系统测试5.1测试目的我们进行系统测试的主要目的无非是检测我们所开发的功能是否都与我们的需求相符合，然后就是测试系统有无bug出现，然后试着发现我们的系统有没有什么致命的缺陷。我们将系统的硬件、软件作为一个整体去看看它是否有着跟我们先前设计的需求有不相符合的地方。我们测试是希望可以在系统正式应用前我们可以用系统的测试手段找到一些潜在的缺陷和威胁，系统测试是作为一个非常重要的步骤来确保我们系统的可靠性。所以我们要进行多次的系统测试校验来帮助我们纠正错误消除潜在的威胁。5.2测试步骤1）首先我们把开发板连接上电源，打开开关稍等几秒，让系统完成初始化；2）先打开APP，再打开手机WiFi功能，连接上我们开发板上的WiFi，在APP上点击连接。APP跳出“WiFi已连接成功”，即与开发板成功连接。系统连接成功，看到的效果如下图所示。图5-1APP连接成功界面图5-2单片机连接成功效果3）测试闹钟定时功能是否能够正常使用：先设定好一个时间，然后等待时间到达，观察智能药盒的闹钟是否能够正常响应，蜂鸣器是否正常发声，LED灯是否正常亮起，APP上是否在闹钟响起的时候对应的药盒也出现提醒标识，这些功能都是十分重要的，缺一不可。只有当用户拨动开关时，蜂鸣器和LED才应该重新进入等待状态。图5-3闹铃1响起单片机状态图5-4闹铃1响起APP状态此时通过拨动到位开光，代表用户取出药，此时LED关闭，蜂鸣器关闭，APP上绿灯变为红灯。接下来测试更改设定时间，药盒的闹钟是否还会正常运行。我们按照上文所说的调整方法，改变闹钟2的定时时间，等待结果。图5-5闹钟2响起单片机状态这时候可以看到，当设定的时间达到闹钟2的设定时间，蜂鸣器和LED都正常工作了，这说明设计是没有问题的。图5-6闹钟2响起APP状态5.3测试结果经过本次测试，我们发现，本设计的智能药盒基本实现了其需要具备的功能，这说明该系统的运行是可行的，再次基础上，以后可以拓展其它的功能。5.4本章小结本章详细阐述了系统调试环境的搭建，软件、关键器件与硬件系统的调试，以及对测试结果结果进行分析以及提出可以解决的措施。6总结本设计的选题，是经过本人与指导老师深思熟虑而敲定的。在开始，我还对智能药盒的概念十分陌生，智能药盒应该是怎样的？它应该可以完成哪些功能？在以后的发展情况会是怎样的？这些我当时都不清楚。可以说，从开题答辩开始，我就觉得这个课题看似简单，但是想要做的很好确实很难的。因为智能药盒的起步比较晚，能够找到的参考文献并不是很多。从某方面来说，这是一个全新的领域。所以，从头到尾，可以说犹如盲人过河，一直在小心地摸索着开发。其中的艰苦，大概只有自己知道。系统的硬件设计，软件设计，框架设计从一开始就让我一脸蒙圈。因为开发经验相对较少，在开发初期吃尽了苦头。正所谓，万事开头难。在经过与老师的交流，以及查阅已知的资料，最终确定了设计流程，可以说是定下了大局，接下来就是各个击破，把每部分的功能完成即可。最难的是，开发过程中会遇到自己所不熟练的技术，甚至是没有学过的知识。比如开发要用的WiFi模块，我们接触不多，具体的电路要怎么焊接也不是很擅长。软件开发部分，由于之前自学过安卓开发，有一定的经验，所以做起来相对简单。总的来说，我觉得本次开发智能药盒的开发，让我对本专业的知识有了一个更加系统化的认知。参考文献马钧元.基于ZigBee技术的智能家居网关节点的设计与实现[D].重庆邮电大学,2012.吴必造.基于Linux的智能家居控制终端系统的设计与实现[D].电子科技大学,2013.张祥忠.矿井WLAN终端设计及其漫游切换技术研究[D].中国矿业大学,2015.陈海川.基于小型无人机的GPS数据及图像采集系统[D].电子科技大学,2009.周浩.嵌入式软件测试的研究与实现[D].大连理工大学,2009.张献忠.操作系统实用教程[M].北京：电子工业出版社,2010.胡志刚,谭长庚.计算机操作系统[M].湖南:中南大学出版社,2005.王晶.基于PowerPC的嵌入式通信平台的研究与实现[D].西安电子科技大学,2008.包依勤.基于物联网技术的智能家居系统的研究与探讨[J].物联网技术,2013,7(10):38-41.高绍斌.基于声波的近距离无线通信系统研究与设计[D].太原理工大学,2014.WeiX.TheapplicationofZigbeetechnologyinthedesignofintelligentsocket.powersystemcommunication,2011,32(3):78-81.JuanPT,OscarMMauricioQ.RemoteMonitoringSystemofECGandTemperatureSignalsUsingBluetooth.//Proceedingstheof2012International