【《基于单片机的语音药箱的设计（附图）》7100字（论文）】

-PAGEIV-基于单片机的语音药箱的设计摘要在如今的中国，人口老龄化已经是我们不得不关注的严重问题之一，人口老龄化不仅加重了社会负担，也将逐渐衍生出更多新的更严重的问题。针对老年人的用药，本系统设计了根据用户的语音即可开箱或通过检测按键是否被按下来开箱并含有定时的闹钟语音播报提醒功能的语音药箱。本次毕业设计选择以STM32单片机为主，STC89C52单片机为辅的控制方式。由单片机最小系统电路、语音识别电路、语音扬声电路、键盘检测输入电路和电控锁控制电路等几部分组成；采用模块化的程序编写方式，主要由语音识别模块配置程序、系统中断、按键检测程序和直流电机驱动程序等几部分组成。通过对语音药箱的设计，经过实物的搭建以及多次校对检验的结果表明本设计的模块化功能均有效，并可最终实现预期目标，有助于帮助老年人便捷开启药箱，可以实现定时提醒老年人用药，并可以达到预期目标。关键词：定时提醒；STM32；语音识别技术；LD3320目录摘要 IAbstract II1概述 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 11.3研究内容及本文结构 22系统设计及其关键技术 32.1系统的简介 32.2系统的总体设计 42.3语音药箱系统的关键技术 43系统的硬件设计 53.1主控制器与开发平台的选择 53.2语音识别模块 63.3语音扬声模块 83.4温湿度检测模块 93.5按键检测及显示模块 103.6电控锁控制电路 114系统的软件设计 134.1STM32控制多个模块 144.1.1TFTLCD显示模块 154.1.2闹钟查找 164.251单片机控制LD3320语音识别芯片 174.2.1语音识别模块 175系统安装、调试及测试结果分析 195.1语音药箱系统的安装与调试 195.2测试结果分析 21结论 22附录APCB板图 23附录B硬件总原理图 24附录C程序参考 25参考文献 27PAGE2–PAGE17–1概述1.1研究背景及意义在如今的中国，人口老龄化已经是我们不得不关注的严重问题之一，人口老龄化不仅加重了社会负担，也将逐渐衍生出更多新的更严重的问题。而在老年群体中，越来越多的人正在被各种各样的慢性病困扰着，这些病症必须长期服药方可有所缓解，否则就连正常的生活都有可能无法维持。更可怕的是，人在衰老过程中记忆力也在逐渐下降，患有健忘或痴呆的几率大大增加，这就导致了许多老年人不能按时服药，病症就会加剧，危害身体健康。所以针对这样的现象，设计了根据用户语音信号自动打开相应药箱、使用按键手动打开药箱并含有定时用药提醒功能的系统是十分有必要的。人口老龄化引发了很多社会关注的问题。其中一类问题是绝大多数患有多种疾病的老人需要长期服用多种药物，但由于老人记忆力下降会导致忘记按时吃药和吃错药物等问题，这将严重影响老年人的身体健康。目前，通过科技手段设计智能药箱来解决上述问题已经成为研究的热点。本文所设计的智能药箱能够实现提醒老人按时吃药的功能。本文所实现的智能药箱具备用户信息更新和药品分发管理的功能。1.2国内外研究现状关于语音药箱，很早就有这样的设计理念成型，只是当时的时代背景以及科技局限，使得智能药箱的设计始终不得其法。最近几年大数据逐渐的崭露头角，智能时代来临，芯片技术越发精进，使得设计智能产品的门槛逐渐降低。由此使得对语音药箱的设计有了新的方向。故而目前可以在市场上找到与语音药箱同类别的产品，只是相比之前的药箱要小巧一些，且更方便携带一些，但由此也引发了一系列的缺陷与不足，大幅度的体积削减，也使得药箱的容量变小，从而使得药箱的功能十分固化，并且在硬件设备方面，该设计并未采用前端科技，而是对药箱进行单芯片的电路控制，所以本设计所提供的语音药箱为智能药箱提供了新思路ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>江达飞</Author><Year>2016</Year><RecNum>42</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[1]</style></DisplayText><record><rec-number>42</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="axpevt2wjwxed7e5dwypaafzttfxw0sz2s2d"timestamp="1622799172">42</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>江达飞</author></authors></contributors><auth-address>衢州职业技术学院;</auth-address><titles><title>基于MSP430F5529的智能交互药盒设计</title><secondary-title>科技视界</secondary-title></titles><periodical><full-title>科技视界</full-title></periodical><pages>115+120</pages><number>13</number><keywords><keyword>MSP430F5529</keyword><keyword>定时提醒</keyword><keyword>药盒</keyword></keywords><dates><year>2016</year></dates><isbn>2095-2457</isbn><call-num>31-2065/N</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[1]。由此可以知道，国内外确实已经出现了类似的产品，但是仍然存在一定的缺陷与不足，因此本设计将借鉴前行者的经验，对语音药箱进行新的设计与研究。1.3研究内容及本文结构本文从人口老龄化的衍生问题入手，并经过对国内外目前研究现状的比较，在此信息化时代，万物皆可自动化的背景下，提出了利用单片机实现语音开启药箱并定时提醒用药的设计。本文的主要内容就是根据用户给出的语音信号可以识别并自动打开相应药箱、或者通过按键也可手动打开药箱以及可调整的定时用药提醒的软硬件设计。本文的行文结构图如图1.1所示。图1.1本文行文结构图2系统设计及其关键技术本语音药箱系统主要实现识别语音并开箱、检测按键输入并开箱、定时语音播报用药提醒等三大功能，识别语音功能就是对用户的语音信号进行识别，用户说出开启药箱时，系统将该语音与设置好的内部数据进行匹配，匹配成功后则开箱；检测按键输入功能即为系统实时检测用户是否按下按键，若按下则自动打开药箱；并且，系统内设置闹钟，在设置时间下，若到了闹钟指定时间，则使扬声设备播报语音提醒，使用户通过以上两种方法打开药箱进行用药ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>杨瑞萍</Author><Year>2021</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[2]</style></DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="9rrvr90pt0rer5ewpvb5vpvrzz9rd2rvwwpd"timestamp="1622887564">10</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>杨瑞萍</author><author>陈博</author></authors></contributors><auth-address>济南职业学院;</auth-address><titles><title>基于STM32的智能语音药箱控制系统的设计</title><secondary-title>电子制作</secondary-title></titles><periodical><full-title>电子制作</full-title></periodical><pages>25-27</pages><number>01</number><keywords><keyword>STM32</keyword><keyword>智能药箱</keyword><keyword>语音识别</keyword><keyword>PCBlayout</keyword></keywords><dates><year>2021</year></dates><isbn>1006-5059</isbn><call-num>11-3571/TN</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[2]。2.1系统的简介语音药箱设计主要由两个单片机模块、语音扬声模块、显示模块、温湿度检测模块、按键检测模块和语音识别模块组成等六部分组成，各部分之间的联系，本设计的系统总体框图，如图2.1所示。该系统采用STM32系列的单片机作为主控芯片，在此基础上实现了按时提醒服药和药品过期与否提醒的功能，同时也增加了语音输入指令使药品相应药箱弹出方便拿取的功能。其他部件会在硬件系统设计分部介绍。控制器模块是整个药箱系统的核心部分，充当了系统的“大脑”，对“肢体”和“器官”进行支配，对各个其他模块传送回来的信息进行加工处理，计算后还要将结果和指令传送给下一级模块，起到一个整体控制的作用，控制器模块又分为主控制器和从控制器，主控制器采用的是ARM的STM322F103VET6芯片，它具有低成本、低功耗以及具有先进的中断响应系统的优点，为智能药箱系统的实现提供了可能ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>代春辉</Author><Year>2020</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[3]</style></DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="9rrvr90pt0rer5ewpvb5vpvrzz9rd2rvwwpd"timestamp="1622887630">11</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>代春辉</author><author>郭瑛</author><author>徐艳红</author></authors></contributors><auth-address>内蒙古科技大学信息工程学院;</auth-address><titles><title>基于STM32智能药箱的设计与实现</title><secondary-title>中国新通信</secondary-title></titles><periodical><full-title>中国新通信</full-title></periodical><pages>106-107</pages><volume>22</volume><number>18</number><keywords><keyword>智能</keyword><keyword>模块化</keyword><keyword>药箱</keyword><keyword>多功能</keyword><keyword>STM32</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>1673-4866</isbn><call-num>11-5402/TN</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[3]。图2.1系统总体硬件框图2.2系统的总体设计主要由电源电路、控制器控制电路、语音信号的输入与识别电路、键盘输入与检测电路和模拟锁控制电路等五部分组成；采用模块化的程序编写方式，主要由语音识别模块配置程序、系统中断、按键检测程序和直流电机驱动程序等几部分组成。2.3语音药箱系统的关键技术语音药箱所运用到的关键技术，也是最主要的技术：语音识别技术。本设计的语音识别功能利用LD3320模块进行实现，该模块需要用STC89C52RC单片机作为整个系统的从控制器进行控制，并通过此单片机向主控制器传输必要信息。这其中，ASR技术是十分关键的。通过对语音信号的抓取，经过芯片内部的编码进行转换，将语音信号转换为电信号进行处理，并且设有容错装置，将抓取到的信号进行转换后，将其与其他字符串进行比对，通过52单片机的内核微型计算器进行处理，即可得出正确结果，若是比对结果为测试者确实发出了正确的语音，则再发送给32控制的主控器，进行下一步的控制。3系统的硬件设计基于单片机的语音药箱的系统设计的硬件设计采用前面所介绍的智能语音药箱系统总体设计中整体设计框图的设计思路。本系统核心部件是中央处理器STM32F103VET6，该处理器是整个系统的中心，必须经过它控制各个模块，以此来保证各模块能够各司其职，系统通过温度湿度传感器、吃药预警模块感知药物状况和用户服药状况ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>赵培</Author><Year>2020</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[4]</style></DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="9rrvr90pt0rer5ewpvb5vpvrzz9rd2rvwwpd"timestamp="1622887696">12</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>赵培</author><author>解丹婷</author><author>张莎</author><author>冯聪利</author></authors></contributors><auth-address>陕西能源职业技术学院;</auth-address><titles><title>一种智能药箱的设计</title><secondary-title>电子元器件与信息技术</secondary-title></titles><periodical><full-title>电子元器件与信息技术</full-title></periodical><pages>50-51</pages><volume>4</volume><number>06</number><keywords><keyword>慢性病</keyword><keyword>智能药箱</keyword><keyword>自动分药</keyword><keyword>提醒吃药</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>2096-4455</isbn><call-num>10-1509/TN</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[4]。本设计系统的PCB板原理图在附录A可见，各部分具体介绍如下。3.1主控制器与开发平台的选择本次毕业设计选择以STM32单片机为主，STC89C52单片机为辅的控制方式。选择32为主控制器的原因是STM32单片机具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。其中STM32芯片内部结构如图3.1所示。图3.1STM32内部结构STM32控制接口原理图如图3.2所示。图3.2STM32控制接口原理图而辅助的STC89C52单片机用来控制LD3320语音模块，并将数据信息传给作为主控制器的STM32单片机。而从控制器STC89C52RC是一种低功耗、高性能8位微控制器，为众多嵌入式控制系统提供灵活有效的解决方案。3.2语音识别模块语音信号的收集以及识别功能主要由集成的ICLD3320芯片来实现。芯片的内部设有专门对语音进行处理的语音信号处理器，对语音的收集能够支持多达50条的词语输入。模块具备的IO口属单片机IO口，主要针对别功能的应用。语音识模块原理图如图3.3所示。图3.3语音识别模块原理图LD3320语音模块的主要特征为：第一，对语音的声音特征没有要求，只需要能够与芯片内含的语音匹配成功即可，并且芯片进行了数据优化，使得匹配成功率大大升高，第二，处理器可以对语句进行动态编辑，结合多种选择的可能性，与用户的实际情况结合，提高系统的容错率，本设计使用的芯片内就设置了许多条可以用来识别语句的候选语句条，即为当系统输入语音命令后备选的选项增多，从而使得两者的匹配成功率更高了，不过在设置过程中要注意备选语句的长短，具体设置在说明书中，第三，对该芯片使用串行接口或并行接口都可以，并且还可以设置成为待机状态，使得用户输入命令时更加迅速的进入匹配状态ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>宋朝霞</Author><Year>2020</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[5]</style></DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="9rrvr90pt0rer5ewpvb5vpvrzz9rd2rvwwpd"timestamp="1622887767">13</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>宋朝霞</author><author>舒瑞康</author></authors></contributors><auth-address>武昌工学院;</auth-address><titles><title>基于LD3320的语音识别智能家居控制系统的设计</title><secondary-title>信息与电脑(理论版)</secondary-title></titles><periodical><full-title>信息与电脑(理论版)</full-title></periodical><pages>105-106</pages><volume>32</volume><number>20</number><keywords><keyword>LD3320</keyword><keyword>语音识别</keyword><keyword>智能家居控制</keyword></keywords><dates><year>2020</year></dates><isbn>1003-9767</isbn><call-num>11-2697/TP</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[5]。对语音识别模块的接线，本设计一共使用了12个接口，其中有8个接口连接在一起去接地，另外四个接口分别为读、写接口、电源接口以及接地口。将这些线均与89C52芯片连接，通过读与写接口实现52控制器对LD3320的控制。LD3320模块的接口示意图如图3.4所示。图3.4LD3320接口示意图3.3语音扬声模块语音扬声模块采用的是JQ8900-16P模组硬件设备，STM32可以通过对串口进行控制，从而达到控制扬声器的作用。此芯片的硬件管脚图如图3.5所示。图3.5JQ8900-16P模块管脚图该芯片使用的串口为三竖列四横排的串口接线法,接口示意图如图3.6所示。图3.6IO接口示意图并且由于该芯片本身播报的声音并不大，故而还在上面接了一个8Ω，0.5W的扬声喇叭，使其可以被听见，并且一般老年群体也会有耳背或听不见小声音的情况，所以添加了这样的喇叭也是为了设计整体考虑。其接口图如下图3.7所示。图3.7语音模块及扬声接口图 3.4温湿度检测模块DHT11功能就是对温湿度数据进行采集。本设计采用的传感器电路的接口处DATA口需要接一个上拉电阻。上拉电阻的作用是将单片机的不确定信号（即管脚悬空状态下，传感器可以随意输出高低电平，这样会使得单片机陷入混乱）通过此上拉电阻钳制在高电平状态下。本设计的DHT11部分接口电路图如图3.8所示。图3.8DHT11温湿度传感器接口电路图3.5按键检测及显示模块本设计使用的按键检测接口示意图如图3.9所示。图3.9按键检测接口示意图本设计采用STM32-2.4寸触摸屏（ILI9325），是由本设计所使用的单片机STM32F103VET6所自带的TFT显示屏。其原理图如图3.10所示。图3.10ILI9325显示屏原理图3.6电控锁控制电路本设计采用快递储物柜电控锁配件智能售货机锁进行药箱的模拟演示，型号为ZK-ZNS10-5V，实物图如图3.11所示。图3.11快递柜快捷储物锁实物图通过单片机与锁头的连接，在连接座上连接MOS场效应管，并且加上电阻来分压。，通过三排的排针进行内部连接。语音药箱系统设计的电控锁控制电路如图3.12所示。图3.12电控锁控制电路图4系统的软件设计语音药箱设计的软件设计主要包括两部分，分别是：STM32F103VET6单片机控制语音播报、TFT显示、DHT11温湿度检测、键盘检测，最终实现总体系统的设计；STC89C52RC单片机控制LD3320语音识别模块，实现单独控制，最终将信息传回32主控制器。系统总体流程图如图4.1所示。图4.1系统主程序流程图4.1STM32控制多个模块 STM32单片机控制各个模块，通过逻辑关系，多种函数实现最终的结果。首先进入程序初始化，即硬件系统的初始化，首先从DHT11读取温湿度的数据，显示到TFT显示屏上，接着进行按键检测，若有按键按下则处理按键，接下来进行闹钟查找，这是一个子程序，进行完闹钟查找后进行一次界面刷新，随后就开始进行语音模块的检索，若有语音输入，则处理语音，全部检查完毕后，判断是否需要对吃药进行提醒，若不需要，则直接返回初始状态，进行新一轮的数据读取和检索；若需要提醒，即收到闹钟查找时的闹钟信息，则驱动语音扬声模块播放吃药语音，播放完毕后返回初始状态进行重新检查。其程序流程图如图4.2所示。图4.2STM32主程序流程图4.1.1TFTLCD显示模块本设计采用TFTLCD显示模组进行更具特色的结果展示，并且可以通过按键对显示屏上的光标以及数据进行调整，从而达到自行调节本药箱系统的用药方式和提醒方式的作用。本设计采用的STM32单片机内含一块ILI9325的LCD显示屏，显示屏通过控制该芯片的片选信号口、双向数据线口、数据写入与读取口、复位按键、命令或数据标志符将数据的高电平及命令的低电平进行显示，并且通过程序控制拉低片选、设置读取或写入数据或命令，从而实现单片机对芯片输入命令，芯片可以快速接受命令并执行且用户输入数据时也可快速传递给中心控制器进行数据的处理，询问是否进行下一个步骤。图4.3TFTLCD驱动程序流程图该部分主要程序如图4.4所示。 图4.4TFTLCD显示部分程序LCD首先显示其内部入口，通过编程对其与控制器的端口和读写的寄存器进行定义，读取控制器传入的控制显示的指令，将这些指令写入TFTLCD中，进行内部处理计算，写出所应显示的数据，然后通过端口读取显示的数据，最后返回即可。4.1.2闹钟查找闹钟查找首先需要进行时间的比对，将现在的时间与设定的闹钟相比对，这时候就需要进行数据的处理，转换时间时分秒为秒，然后进行判断，闹钟是否未响，若是，则判断时间差是否在五分钟以内，若是，则使能闹钟；若不是，则直接向下运行，进行新一轮的判断；若闹钟响了，则判断响铃时间是否大于五分钟，若是，则关闭闹钟；若不是，则继续向下运行，进行新一轮判断，直到响满五分钟为止。此闹钟查找的子程序流程图如图4.5所示。图4.5闹钟查找的子程序流程图4.251单片机控制LD3320语音识别芯片4.2.1语音识别模块语音模块的检查首先判断是否接到语音命令，并对指令进行提取，判断语音命令是否为开锁，若是，则开锁并播放语音，进行下一步判断；若不是，则直接进行下一步判断。接着判断语音命令是否为唤醒，若是，则进行语音播放，若能正常播放，则直接结束此子程序，回归原程序，若不能正常播放，则返回子程序开头进行新一轮判断；若不是，则返回子程序开头，进行新一轮判断。语音识别模块的程序流程图如图4.6所示。图4.6语音检查子程序流程图5系统安装、调试及测试结果分析经过一系列的比对与匹配，本设计完成了对实物的安装与调试，并将软件程序与硬件系统结合，实现了设计初期预测的成果。在进行多次检验校对后，验证了该系统的可用性。5.1语音药箱系统的安装与调试本设计的实物展示如下图5.1所示。图5.1语音药箱设计的实物图将药箱系统硬件搭建安装成功并调试完成后，将程序逐一烧录进单片机后，可见系统主控器STM32上的显示屏亮了，并显示温湿度，时间，以及剩药余量，其图片如图5.2所示。图5.2语音药箱正常运行图可以看到显示屏上的数据如图5.3所示。图5.3TFT显示屏数据5.2测试结果分析在本次语音药箱系统测试过程中，有很多有趣的小失误，由于按键是单片机自带的，是小按键，经常将key1键按成复位键，将快要调好的结果也覆盖掉。在进行对闹钟时间的设定上，用了很多时间，但是对三次提醒时间都进行了调整，测试得到的反馈是都可以进行设置，并且可以与闹钟查找的程序进行匹配，从而正确提醒用药。在进行调试的同时，对使用过程中可能出现的一些的问题，也考虑了一些并作出了相应的解决方案。比如若当天只需要一次定时提醒，那么可以将三次定时提醒时间调节成为同一时间，若时钟出现偏差，那么也可以对当前时间进行调节。结论在当今这个快节奏的社会中，老年人的生活正在被大潮流忽略，在完善医疗体系的同时，更要注意平时对老年群体的关怀。老年人的生活也可以更方便快捷，可以更加智能。在记忆力逐渐消退的过程中，仍然可以及时服用药品，并且使自己身体更加健康；在视力渐渐衰弱的情况下，仍然可以准确开锁拿取药物。本设计从多个方面实现了老年群体用药方便率，在本设计的帮助下，将有更多老年人摆脱吃药困难，让家人更安心。在语音药箱的设计过程中，结合了多个其他模块，使药箱可以有更多功能，更加智能。而且在硬件的选择上本系统设计也做到了低成本、高效益、并有较高的灵活性，并且经过多次不懈的努力和不断的检测校验，实现了多个系统硬件或软件上的不足与错误的纠正与修改。最终使系统可以实现预期效果，并且拥有相当高的可操作性。本系统设计基于单片机与ASR语音识别技术，针对老年人服药用药这个特定情境下的具体运用进行讨论，对如何选更加方便快捷的只是通过说话即可解锁药箱进行了分析探究，利用ASR技术选出了一条操作简单、成本最低的最优路径。本设计还是有一些不足之处，接下来可以使用上位机设备，将药箱中剩余药品用量传输给上位机，甚至可以在设计一款app，既可以接收药箱的数据，也可以由上位机端操作药品服用定时，就使得年轻人可以在手机上了解到家中老人的用药情况并方便可以看清药品说明书的年轻人群帮助老年群体设置定时提醒。附录APCB板图附录B硬件总原理图附录C程序参考LD3320参考文献ADDINEN.REFLIST[1] 江达飞.基于MSP430F5529的智能交互药盒设计[J].科技视界,2016,(13):115+20.[2] 杨瑞萍,陈博.基于STM32的智能语音药箱控制系统的设计[J].电子制作,2021,(01):25-7.[3] 代春辉,郭瑛,徐艳红.基于STM32智能药箱的设计与实现[J].中国新通信,2020,22(18):106-7.[4] 赵培,解丹婷,张莎,etal.一种智能药箱的设计[J].电子元器件与信息技术,