多功能智能藥盒的設計與實現

中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室　王振運　孟立凡　李　菠

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多功能智能藥盒的設計與實現

中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室王振運孟立凡李菠

【摘要】設計一種具有定時功能和遠程提醒的多功能智能藥盒。該系統是以STC12增強型單片機為核心控制器，DS1302時鐘芯片提供定時功能，液晶顯示LCD12864和獨立按鍵提供良好的人機交互環境。此系統提供每天最多設置五個鬧鐘，在鬧鐘功能開啟的情況下，定時時間到，系統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分鐘之內沒有患者取藥，系統通過GSM模塊發送短信給監護人采取進一步措施。藥盒具有良好的可靠性和穩定性，實用性強，具有一定的商業價值。

【關鍵詞】多功能藥盒；STC12增強型單片機；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，設計一種基于單片機的多功能智能藥盒，介紹了系統的硬件和軟件設計，采用模塊化設計思想。

2　系統的總體設計

多功能智能藥盒采用的是STC12C560S2增強型單片機為核心控制器，利用DS1302時鐘芯片提供定當前時間和定時時間，液晶LCD12864顯示實時時間和設置鬧鐘界面，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發送短信提醒監護人，數字溫濕度傳感器監測藥品的存放環境，獨立按鍵提供良好的人機交互環境。該智能藥盒的系統框圖如圖1所示。

圖1　系統總體框圖

3　系統硬件的設計

3.1STC12C5A60S2單片機簡介

STC12C5A60S2是宏晶科技生產的單時鐘周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，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RAM，通用I/O可以設置為四種工作模式，ISP在系統可編程，無需專用的編程器仿真器直接下載用戶程序，單片機的這些功能為嵌入式系統的設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、秒進行計時，具有閏年補償功能。雙電源主要是用于主電源和備份電源供應，VCC1為可編程涓流充電電源，附加七個字節存儲器，通過三線：RES復位線，I/O數據線，SCLK串行時鐘線與單片機進行通信。DS1302內部含有31個8位的靜態RAM，其命令控制字為C0H~FDH，其中奇數為讀操作，偶數為寫操作，系統的五個定時數據就存放在靜態RAM中，備用電池提供主電源掉電之后的供電，保持RAM中的定時數據不丟失。

3.3GSM模塊

GSM（Global System for Mobile Communication）全球移動通信系統是目前應用最為廣泛的移動電話標準。一般的GSM都具備語音通信、短消息和數據通信三大功能，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，特別適用于小流量的數據傳輸。本系統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引腳與單片機硬件連接，利用AT指令與單片機進行串行通信。當熱釋電紅外傳感器沒有檢測到患者按時吃藥，系統會通過GSM自動發送一條短信給監護人，由監護人采取進一步的措施。

3.4HC-SR501紅外人體感應模塊

HC-SR501是基于紅外技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度搞，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備。其檢測原理是：人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。本設計采用可重復觸發方式：感應輸出高電平后，延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平。

3.5溫濕度傳感器

對于藥品的存放環境，溫濕度是非常重要的指數。本系統采用的是數字溫濕度傳感器DHT11。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等特點。與單片機采用的單總線的數據格式，一次通訊時間4ms左右。傳感器自帶校正系統，雖然測量精度不高，但能滿足藥品測量環境。

3.6其他外圍電路

其他外圍電路還包括電源電路、聲光報警電路和獨立按鍵電路。系統采用了USB和DC兩種5V電源接口，由三端線性穩壓器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，單片機驅動蜂鳴器發生，LED燈閃爍，提醒患者吃藥。系統設置四個獨立按鍵，可以對時鐘、鬧鐘以及其他功能進行設置。

4　系統軟件設計

系統上電之后， 首先進行各個模塊的初始化，主要包括：液晶LCD12864模塊、DS1302模塊、串口、設定中斷以及相關變量等。初始化完成之后，單片機分別從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。主程序時刻進行按鍵掃描，主要對時鐘時間、鬧鐘時間、鬧鐘開關進行設置，并將設置的鬧鐘時間存放在DS1302的靜態RAM中。如果定時時間到驅動聲光報警提醒患者吃藥，此時打開熱釋電紅外感應的中斷口，監測是否有人取藥。如果有人取藥，則關閉中斷；反之，等待20分鐘后，單片機通過驅動GSM發送短信給監護人，完成提醒功能。系統的總體軟件流程圖如圖2所示。

5　系統功能驗證

根據上述思想，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

經過軟件的調試，能實現一下功能：（1）時鐘、日期和溫濕度信息在LCD12864上正常顯示；（2）獨立按鍵能夠設置時間、日期、鬧鐘以及鬧鐘開關；（3）聲光報警系統運行無誤；（4）熱釋電紅外傳感器能夠監測是否有人取藥；（5）GSM給監護人發送短信正常。智能藥盒系統的功能基本實現，系統運行穩定，具有一定的商業參考價值。

參考文獻

[1]元浩名,王利,武毅,張磊,黃德宇.基于單片機的GSM短信手法模塊設計[J].電子測試,2012(03).

[2]張曉東.多功能鐘控語音提醒器[J].電子制作,2005(05).

[3]崔瑞林.電子藥盒提醒器[J].現代營銷(創業信息版),2004(03).

[4]龔虹瑞,黃小莉.具有鬧鐘和短信提醒功能的智能藥盒色合計[J].西華大學學報(自然科學版),2014,09(33).

[5]宣彩平,王皓,鄒國良.利用GSM無線模塊發送短消息[J].計算機應用,2004(05).