中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室　王振運(yùn)　孟立凡　李　菠

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多功能智能藥盒的設(shè)計與實現(xiàn)

中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室王振運(yùn)孟立凡李菠

【摘要】設(shè)計一種具有定時功能和遠(yuǎn)程提醒的多功能智能藥盒。該系統(tǒng)是以STC12增強(qiáng)型單片機(jī)為核心控制器，DS1302時鐘芯片提供定時功能，液晶顯示LCD12864和獨(dú)立按鍵提供良好的人機(jī)交互環(huán)境。此系統(tǒng)提供每天最多設(shè)置五個鬧鐘，在鬧鐘功能開啟的情況下，定時時間到，系統(tǒng)通過蜂鳴器提醒患者吃藥，熱釋電紅外傳感器檢測患者是否取藥，如果在10分鐘之內(nèi)沒有患者取藥，系統(tǒng)通過GSM模塊發(fā)送短信給監(jiān)護(hù)人采取進(jìn)一步措施。藥盒具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，實用性強(qiáng)，具有一定的商業(yè)價值。

【關(guān)鍵詞】多功能藥盒；STC12增強(qiáng)型單片機(jī)；熱釋電紅外傳感器；GSM；鬧鐘

1　引言

隨著中國老齡化問題越來越嚴(yán)重，老年人的健康問題越來越突出。很多老年人隨著年齡的增長，都有健忘的癥狀，對于他們按時吃藥是一個難題，而不能按時吃藥會對老年身體健康非常不利。針對目前狀況，設(shè)計一種基于單片機(jī)的多功能智能藥盒，介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，采用模塊化設(shè)計思想。

2　系統(tǒng)的總體設(shè)計

多功能智能藥盒采用的是STC12C560S2增強(qiáng)型單片機(jī)為核心控制器，利用DS1302時鐘芯片提供定當(dāng)前時間和定時時間，液晶LCD12864顯示實時時間和設(shè)置鬧鐘界面，聲光報警電路提醒患者服藥，熱釋電紅外傳感器檢測患者是否吃藥，GSM發(fā)送短信提醒監(jiān)護(hù)人，數(shù)字溫濕度傳感器監(jiān)測藥品的存放環(huán)境，獨(dú)立按鍵提供良好的人機(jī)交互環(huán)境。該智能藥盒的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

3　系統(tǒng)硬件的設(shè)計

3.1STC12C5A60S2單片機(jī)簡介

STC12C5A60S2是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，4個16位定時器，通用全雙工異步串口（UART），片上繼承1280字節(jié)RAM，通用I/O可以設(shè)置為四種工作模式，ISP在系統(tǒng)可編程，無需專用的編程器仿真器直接下載用戶程序，單片機(jī)的這些功能為嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計提供了極大的方便。

3.2時鐘芯片DS1302

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，采用32768Hz晶振，可以對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能。雙電源主要是用于主電源和備份電源供應(yīng)，VCC1為可編程涓流充電電源，附加七個字節(jié)存儲器，通過三線：RES復(fù)位線，I/O數(shù)據(jù)線，SCLK串行時鐘線與單片機(jī)進(jìn)行通信。DS1302內(nèi)部含有31個8位的靜態(tài)RAM，其命令控制字為C0H~FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作，系統(tǒng)的五個定時數(shù)據(jù)就存放在靜態(tài)RAM中，備用電池提供主電源掉電之后的供電，保持RAM中的定時數(shù)據(jù)不丟失。

3.3GSM模塊

GSM（Global System for Mobile Communication）全球移動通信系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。一般的GSM都具備語音通信、短消息和數(shù)據(jù)通信三大功能，其中又以短消息使用最為廣泛，具有隨時在線、價格低廉、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，特別適用于小流量的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)采用的是德國西門子（SIEMENS）公司的TC35i模塊，它是一款雙頻900/1800MHz高度集成的GSM模塊，通過RXD和TXD引腳與單片機(jī)硬件連接，利用AT指令與單片機(jī)進(jìn)行串行通信。當(dāng)熱釋電紅外傳感器沒有檢測到患者按時吃藥，系統(tǒng)會通過GSM自動發(fā)送一條短信給監(jiān)護(hù)人，由監(jiān)護(hù)人采取進(jìn)一步的措施。

3.4HC-SR501紅外人體感應(yīng)模塊

HC-SR501是基于紅外技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進(jìn)口LHI778探頭設(shè)計，靈敏度搞，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。其檢測原理是：人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。本設(shè)計采用可重復(fù)觸發(fā)方式：感應(yīng)輸出高電平后，延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

3.5溫濕度傳感器

對于藥品的存放環(huán)境，溫濕度是非常重要的指數(shù)。本系統(tǒng)采用的是數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等特點(diǎn)。與單片機(jī)采用的單總線的數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間4ms左右。傳感器自帶校正系統(tǒng)，雖然測量精度不高，但能滿足藥品測量環(huán)境。

3.6其他外圍電路

其他外圍電路還包括電源電路、聲光報警電路和獨(dú)立按鍵電路。系統(tǒng)采用了USB和DC兩種5V電源接口，由三端線性穩(wěn)壓器LM317得到3.3V電壓。聲光報警電路是由蜂鳴器和LED燈組成。吃藥定時時間到，單片機(jī)驅(qū)動蜂鳴器發(fā)生，LED燈閃爍，提醒患者吃藥。系統(tǒng)設(shè)置四個獨(dú)立按鍵，可以對時鐘、鬧鐘以及其他功能進(jìn)行設(shè)置。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電之后， 首先進(jìn)行各個模塊的初始化，主要包括：液晶LCD12864模塊、DS1302模塊、串口、設(shè)定中斷以及相關(guān)變量等。初始化完成之后，單片機(jī)分別從DS1302中獲取時鐘信息和DHT11獲取溫濕度信息顯示在液晶顯示屏上。主程序時刻進(jìn)行按鍵掃描，主要對時鐘時間、鬧鐘時間、鬧鐘開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，并將設(shè)置的鬧鐘時間存放在DS1302的靜態(tài)RAM中。如果定時時間到驅(qū)動聲光報警提醒患者吃藥，此時打開熱釋電紅外感應(yīng)的中斷口，監(jiān)測是否有人取藥。如果有人取藥，則關(guān)閉中斷；反之，等待20分鐘后，單片機(jī)通過驅(qū)動GSM發(fā)送短信給監(jiān)護(hù)人，完成提醒功能。系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖2所示。

5　系統(tǒng)功能驗證

根據(jù)上述思想，畫出原理圖并制作PCB，焊接好元器件之后的實物圖如圖3所示。

圖2　軟件流程圖

圖3　多功能藥盒實物圖

經(jīng)過軟件的調(diào)試，能實現(xiàn)一下功能：（1）時鐘、日期和溫濕度信息在LCD12864上正常顯示；（2）獨(dú)立按鍵能夠設(shè)置時間、日期、鬧鐘以及鬧鐘開關(guān)；（3）聲光報警系統(tǒng)運(yùn)行無誤；（4）熱釋電紅外傳感器能夠監(jiān)測是否有人取藥；（5）GSM給監(jiān)護(hù)人發(fā)送短信正常。智能藥盒系統(tǒng)的功能基本實現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的商業(yè)參考價值。

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