基于單片機的智能藥盒設(shè)計

基于單片機的智能藥盒設(shè)計指導教師：摘要：本文設(shè)計了一款基于單片機的智能藥盒控制系統(tǒng),旨在為健忘癥患者提供藥物用量提醒和監(jiān)控服務(wù)。該系統(tǒng)集成了多種外圍模塊,包括STM32F103單片機、語音模塊、藍牙模塊、液晶顯示模塊、時鐘模塊、繼電器及水泵等,實現(xiàn)了吃藥時間設(shè)置、語音提醒、遠程監(jiān)控等功能。文中詳細介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案、軟件設(shè)計流程以及系統(tǒng)測試情況。該智能藥盒系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了實際應用場景和用戶需求,通過模塊化設(shè)計和功能集成,為健忘癥患者提供了便捷、可靠的用藥輔助。系統(tǒng)采用語音提醒功能,能夠及時提醒健忘癥患者按時服藥,避免遺忘或錯過服藥時間。同時,藍牙模塊和繼電器模塊的集成,使得家屬可以遠程監(jiān)控健忘癥患者的用藥情況,及時了解健忘癥患者的服藥依從性,并根據(jù)需要進行干預和指導。液晶顯示模塊和時鐘模塊的加入,使得系統(tǒng)操作更加直觀友好,方便患者家屬查看和設(shè)置服藥時間。該系統(tǒng)的開發(fā)和應用,有助于提高健忘癥患者的用藥依從性,減輕家屬的工作壓力,促進醫(yī)療資源的合理利用。關(guān)鍵詞：智能藥盒；單片機控制；語音提醒；藍牙監(jiān)控；吃藥提醒DesignofIntelligentPillBoxBasedonSingleChipMicrocomputerTutor：Abstract：Thisarticledesignsanintelligentmedicineboxcontrolsystembasedonamicrocontroller,aimingtoprovidemedicationdosageremindersandmonitoringservicesforpatientswithamnesia.Thesystemintegratesvariousperipheralmodules,includingtheSTM32F103microcontroller,voicemodule,Bluetoothmodule,LCDdisplaymodule,clockmodule,relay,andwaterpump,etc.Itrealizesfunctionssuchasmedicationtimesetting,voicereminder,andremotemonitoring.Thearticleprovidesadetailedintroductiontothehardwaredesignscheme,softwaredesignprocess,andsystemtestingofthesystem.Thedesignofthisintelligentmedicineboxsystemfullyconsiderspracticalapplicationscenariosanduserneeds.Throughmodulardesignandfunctionalintegration,itprovidesconvenientandreliablemedicationassistanceforpatientswithamnesia.Thesystemadoptsavoicereminderfunction,whichcantimelyremindpatientswithamnesiatotakemedicationontime,avoidingforgettingormissingthemedicationtime.Atthesametime,theintegrationofBluetoothmoduleandrelaymoduleallowsfamilymemberstoremotelymonitorthemedicationsituationofamnesiapatients,timelyunderstandtheirmedicationcompliance,andprovideinterventionandguidanceasneeded.TheadditionofLCDdisplaymoduleandclockmodulemakessystemoperationmoreintuitiveandfriendly,makingitconvenientforpatientfamilymemberstoviewandsetmedicationtime.Thedevelopmentandapplicationofthissystemcanhelpimprovemedicationcomplianceforpatientswithamnesia,alleviateworkpressureonfamilymembers,andpromotetherationalutilizationofmedicalresources.Keywords：IntelligentMedicineBox；MicrocontrollerControl；VoiceReminder；BluetoothMonitoring；MedicationReminder1緒論1.1智能藥盒的研究背景隨著人口老齡化進程的加快，老年群體用藥需求與日俱增。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國60歲以上老年人口已超過2.67億，占總?cè)丝诮?0%的比例。老年人往往患有多種慢性病，如心腦血管疾病、糖尿病等，需要長期服用多種藥物。但由于視力減退、記憶力下降等生理機能退化，老年人極易出現(xiàn)漏服、錯服等不規(guī)范用藥行為，給疾病治療帶來諸多不便。因此，開發(fā)一種智能化藥品管理設(shè)備，幫助這一特殊人群規(guī)范用藥尤為迫切和必要。傳統(tǒng)藥盒存在著諸多不足，無法滿足現(xiàn)代用藥管理的需求。例如，普通藥盒無法提醒健忘癥患者按時服藥，健忘癥患者容易遺漏或拖延；藥盒內(nèi)無法根據(jù)不同時段分類存放多種藥品；健忘癥患者家屬也無法遠程監(jiān)控其用藥情況等。為解決這些問題，借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)，開發(fā)集成語音提醒、藥物分類存儲、遠程監(jiān)控等多種功能的智能藥盒刻不容緩REF_Ref5071\r\h[1]。1.2智能藥盒的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能藥盒作為一種新興產(chǎn)品，近年來吸引了諸多科研機構(gòu)和公司的目光，行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出不少優(yōu)秀成果。在國外市場，美國Reminder系統(tǒng)公司早在2016年就推出了ReminderPill智能藥盒。該產(chǎn)品可通過手機APP進行遠程控制，實時監(jiān)控健忘癥患者的用藥計劃，具有提醒、記錄等多項功能。除了Reminder系統(tǒng)外，瑞典Pillitlife公司、德國Etilli等企業(yè)均推出了智能藥盒產(chǎn)品，功能日益完善。在國內(nèi)，作為該領(lǐng)域的先行者，清華大學在2014年就開發(fā)出一款智能藥盒原理機。該產(chǎn)品基于ARM9核心處理器設(shè)計，集成了短信提醒、藥物監(jiān)控等功能。該團隊2021年又推出了新一代智能藥盒系統(tǒng)，通過深度學習增強了藥物識別能力。浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院也研發(fā)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能藥盒，可通過語音交互進行藥物查詢。國內(nèi)外研究均著力于提高產(chǎn)品的智能化、人性化程度，增強用藥體驗。但與此同時，現(xiàn)有藥盒解決方案也存在局限性，如體積龐大、操作復雜、成本較高等，距離真正普及于大眾還有一定距離。如何在集成更多功能的同時，兼顧便攜性、易用性和價格可承受性，將是未來發(fā)展的重點方向。1.3智能藥盒的研究內(nèi)容為滿足健忘癥患者按時用藥的需求，本課題設(shè)計了一種基于STM32F103單片機的智能藥盒控制系統(tǒng)，通過集成語音模塊、藍牙模塊、時鐘模塊、繼電器及多種外設(shè)電路，實現(xiàn)定時掃描提醒、語音播報、遠程監(jiān)控、藥物分類存儲等多項功能。該智能藥盒共設(shè)有三個獨立的存藥盒，模擬健忘癥患者每日需要分早中晚三次服藥的情況。通過語音模塊和液晶顯示，系統(tǒng)可在設(shè)定時間到達時，發(fā)出"吃藥時間到了"的語音提醒，同時屏幕顯示相應文字信息。健忘癥患者接收到提醒后，按下對應按鍵，即可打開相應的藥盒，取出藥片服用。如果健忘癥患者在一定時間內(nèi)未按鍵響應，系統(tǒng)將自動通過藍牙模塊發(fā)送提醒短信至家屬手機，以防健忘癥患者遺忘服藥。通過藍牙遠程監(jiān)控，家屬可隨時掌握健忘癥患者的用藥狀況，及時采取干預措施。同時，系統(tǒng)內(nèi)置時鐘模塊，使健忘癥患者的家屬能夠根據(jù)實際需求靈活調(diào)整提醒時間。整個設(shè)計以方便健忘癥患者為本，讓健忘癥患者及家屬共同參與到用藥的全過程，徹底解決漏服、錯服的問題。該系統(tǒng)硬件方案采用模塊化設(shè)計思路，整體電路簡單可靠。本設(shè)計創(chuàng)新地將語音播報、遠程監(jiān)控、智能提醒等多項功能集成到一款便攜式智能藥盒中，有助于推進醫(yī)療事業(yè)的信息化、智能化進程，保障廣大健忘癥患者的用藥安全，提高生活品質(zhì)REF_Ref5192\r\h[2]。2智能藥盒系統(tǒng)的功能與設(shè)計方案2.1智能藥盒系統(tǒng)的功能要求為了針對健忘癥患者的不同使用場景，本系統(tǒng)應該支持多種使用功能，并且力求簡潔，本系統(tǒng)的具體功能如下：智能藥盒控制功能：系統(tǒng)需實現(xiàn)基于STM32F103單片機的精確控制，能夠管理藥盒內(nèi)部的各個模塊，并確保其穩(wěn)定運行。智能藥盒顯示功能：系統(tǒng)應通過液晶顯示模塊，清晰展示時間、日期、服藥提醒等關(guān)鍵信息，以便用戶直觀了解藥盒狀態(tài)及操作提示。智能藥盒無線通訊功能：系統(tǒng)需集成無線通訊模塊，如藍牙或Wi-Fi，以實現(xiàn)與智能手機或其他智能設(shè)備的連接，便于用戶遠程監(jiān)控和控制藥盒。智能藥盒語音播報功能：系統(tǒng)應具備語音播報功能，能在設(shè)定的時間準確發(fā)出語音提醒，引導用戶按時服藥。智能藥盒短信報警功能：系統(tǒng)需實現(xiàn)短信報警功能，當用戶未按時服藥或通過傳感器檢測到異常情況時，能自動發(fā)送短信通知預設(shè)的緊急聯(lián)系人。智能藥盒定時功能：系統(tǒng)應具備精確的定時功能，用戶可以根據(jù)自身需要設(shè)置服藥時間，并在設(shè)定的時間自動觸發(fā)提醒或控制動作。智能藥盒按鍵功能：系統(tǒng)應設(shè)計有物理按鍵或觸摸屏按鍵，以便用戶進行手動操作，如設(shè)置時間、選擇服藥模式等。這些按鍵應設(shè)計得易于理解和使用，以提高用戶體驗。圖2.1思維導圖2.2智能藥盒的系統(tǒng)設(shè)計方案主控模塊的方案：方案一：STC89C52是傳統(tǒng)51單片機系列的一款經(jīng)典產(chǎn)品，工作原理成熟、運行穩(wěn)定。但從硬件規(guī)格來看，其8位數(shù)據(jù)總線、12MHz主頻、64KB存儲空間等參數(shù)都較為有限，在性能和資源上難以滿足本設(shè)計對于運算能力和接口的需求。此外，51單片機采用復雜的匯編語言編程，給二次開發(fā)帶來不便。方案二：STM32F103單片機基于ARMCortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，采用32位RISC指令集，主頻可達72MHz，具有強大的運算能力和指令處理效率。該芯片還集成了512KBFLASH存儲空間、豐富的通信接口資源、DMA直接存儲器訪問等先進特性，適合作為智能控制類產(chǎn)品的核心控制單元。當然，這一性能的提升也使得STM32F103的成本高于51系列單片機。功能/參數(shù)STC89C52STM32F103數(shù)據(jù)總線位數(shù)>16位×√主頻>=50MHz×√存儲空間>=512KB×√支持高級編程語言×√具備強大的運算能力×√擁有豐富的通信接口資源×√支持DMA直接存儲器訪問×√成本較低√×綜合考慮，本設(shè)計最終選擇了STM32F103作為主控芯片方案REF_Ref5270\r\h[3]。語音功能的方案：方案一：DY-SV17F語音芯片采用壓縮算法技術(shù)，可通過串口與外部MCU相連，按照預先存儲的語音文件合成語音并播放，操作簡單。集成度高的一體化設(shè)計讓該芯片體積小巧、功耗低，非常適合智能硬件產(chǎn)品使用。方案二：WT588D語音芯片則采用ISD1760錄音芯片作為語音庫，需要先將語音錄制進芯片，再通過IO控制播放。雖然編程過程稍顯繁瑣，但靈活的錄音模式有助于在小硬件設(shè)備中實現(xiàn)較長的語音播報時長。功能/參數(shù)DY-SV17FWT588D支持壓縮算法技術(shù)√×可通過串口與外部MCU相連√×支持預先存儲的語音文件播放√×操作簡單√×體積小巧√×功耗低√×支持錄音功能×√鑒于本智能藥盒系統(tǒng)僅需播放諸如"吃藥時間到了"的簡單語音提醒，錄音功能并非必需，因此DY-SV17F憑借其集成度高、控制簡單等優(yōu)勢成為了首選。藍牙功能的方案：方案一：ECB02藍牙模塊采用藍牙2.0BLE規(guī)范及Class1類傳輸距離，支持SPP和BLE等通訊模式。該模塊內(nèi)置ARMCortexM0處理器和CSR藍牙芯片，通信距離可達100米，數(shù)據(jù)傳輸速率高達2.1Mbps，非常適合無線監(jiān)控應用場景。方案二：HC-05是一款經(jīng)典的藍牙串口通信模塊，采用藍牙3.0EDR規(guī)范、Class2類型，最大通信距離約10米，價格低廉。但該模塊存在傳輸距離短、易受干擾等缺陷。功能/參數(shù)ECB02HC-05支持藍牙2.0BLE及以上規(guī)范√×支持SPP通訊模式√×支持BLE通訊模式√×通信距離>=50米√×數(shù)據(jù)傳輸速率>=1Mbps√×價格低廉×√出于遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互的需求，本智能藥盒系統(tǒng)對無線通信距離和傳輸效率有較高要求。因此，ECB02這一集成度更高、性能更優(yōu)的方案成為了本設(shè)計的最佳選擇。3智能藥盒系統(tǒng)的硬件設(shè)計經(jīng)過了上一章的系統(tǒng)整體方案的設(shè)計，本文已經(jīng)確定了研究方向，也確定了需要使用的各種元器件的型號，接下來將介紹本系統(tǒng)的各個硬件模塊的工作原理和工作內(nèi)容。圖3-1整體方案設(shè)計本系統(tǒng)采用集中式控制架構(gòu)，以32位ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機為核心控制單元。芯片內(nèi)部不僅具備強大的運算能力，還集成了豐富的通信接口、中斷控制器等資源，可高效地連接與控制多個外設(shè)模塊。在硬件層面，該系統(tǒng)由單片機核心板、OLED液晶顯示模塊、DY-SV17F語音合成芯片、ECB02藍牙通信模塊、DS1302時鐘芯片、SIM900AGPRS通信模塊、5個按鍵、3個繼電器以及1個水泵等多個電路模塊組成。其中控制核心板連接了其余各模塊，承擔著諸如時鐘掃描、語音合成、藍牙通信、繼電器控制等多項任務(wù)。OLED液晶顯示屏與按鍵共同構(gòu)成了人機交互界面，方便用戶設(shè)置參數(shù)和查看狀態(tài)，操作便捷人性化。時鐘模塊實時提供日期時間數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生中斷通知單片機到達預設(shè)時間。一旦到點，單片機即指示語音模塊播報提醒語音，并控制相應繼電器吸合，打開對應藥盒。如健忘癥患者在規(guī)定時間內(nèi)未響應系統(tǒng)，單片機將通過GSM模塊發(fā)送短信至醫(yī)護人員或家屬的手機。在軟件方面，我們在Keil5集成開發(fā)環(huán)境下完成了控制程序的編寫工作。主程序?qū)崿F(xiàn)了對各硬件模塊的初始化、時鐘掃描、按鍵檢測等基本功能，并通過中斷服務(wù)調(diào)用對應的功能模塊，如語音播報模塊、繼電器控制模塊等，保證各模塊高效協(xié)作，最終實現(xiàn)系統(tǒng)智能化控制。3.1智能藥盒控制功能的設(shè)計STM32F103單片機是本系統(tǒng)的控制核心，采用ARMCortex-M3內(nèi)核架構(gòu)，主頻高達72MHz。芯片內(nèi)部不僅集成了512KBFLASH存儲空間和64KBSRAM，還提供了豐富的通信接口資源，包括多個串口、IIC、SPI等。除此之外，32位RISC指令集、硬件乘法器和DMA存儲器訪問等特性也大大提升了芯片的運算效率。圖3-1STM32F103C8T6內(nèi)部結(jié)構(gòu)STM32F103上電后，內(nèi)部固化ROM中的啟動代碼將執(zhí)行復位、時鐘初始化等基礎(chǔ)配置，并加載用戶程序至FLASH存儲器執(zhí)行。在主程序的主循環(huán)體中，程序?qū)Ω鱾€外設(shè)模塊進行初始化，然后進入中斷檢測環(huán)節(jié)。一旦捕捉到時鐘中斷、按鍵按下等事件中斷請求，單片機將根據(jù)中斷向量表跳轉(zhuǎn)到相應的中斷服務(wù)子程序，執(zhí)行播放語音、開閘繼電器等控制操作。在本系統(tǒng)中，STM32F103的主要引腳用途分配如下：PA1-PB4接口用于檢測按鍵模塊的IO狀態(tài)；PB8-PB15接口驅(qū)動OLED液晶顯示屏；PA9/PA10接口連接藍牙模塊進行串口通信；PC13引腳連接藍牙模塊工作指示燈。芯片的RCC部分還為系統(tǒng)提供時鐘源。通過合理的資源分配，STM32F103實現(xiàn)了本系統(tǒng)多個外圍的高效連接和協(xié)調(diào)控制REF_Ref5299\r\h[4]。圖3-2STM32F103C8T6實際接線圖3.2智能藥盒顯示功能的設(shè)計本系統(tǒng)選用了0.96英寸128×64分辨率的OLED顯示屏作為人機交互界面。與傳統(tǒng)LCD相比，OLED顯示器具有自發(fā)光、響應速度快、對比度高、功耗低等諸多優(yōu)勢，非常適合應用于智能硬件產(chǎn)品。該OLED模塊采用英飛凌SSD1306驅(qū)動芯片，支持4線SPI串行接口和IIC并口兩種通信方式。系統(tǒng)通過IIC接口與OLED模塊相連，在初始化過程中發(fā)送對應指令對顯示芯片進行寄存器配置。之后，只需通過固化在單片機程序中的顯示圖形驅(qū)動代碼，就可以在屏幕上顯示任意文字、圖標等資源。在系統(tǒng)運行過程中，OLED負責把當前時間、吃藥狀態(tài)、時間等信息實時顯示在屏幕上，供用戶查看和操作REF_Ref5322\r\h[5]。圖3-2OLED顯示模塊實際接線圖3.3智能藥盒無線通訊功能的設(shè)計ECB02是一款基于BC88603射頻芯片的Class1藍牙通信模塊。該模塊集成了CSR公司的ARMCortexM0處理器內(nèi)核及基帶芯片，工作在2.4GHzISM頻段，支持經(jīng)典藍牙SPP和BLE兩種無線通信協(xié)議。在最佳環(huán)境下，ECB02的通信距離可達100米，數(shù)據(jù)傳輸速率高達2.1Mbps，足以滿足遠程無線監(jiān)控的需求。系統(tǒng)通過UART串口與藍牙模塊相連，采用AT命令集對其進行參數(shù)配置和控制。模塊在斷開連接時，會周期性發(fā)送可連接的廣播包；一旦被手機等終端設(shè)備搜索到，就可建立無線連接，實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸REF_Ref5345\r\h[6]。ECB02模塊在本設(shè)計中的主要功能是接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并通過無線方式將健忘癥患者用藥狀況實時傳輸給遠程監(jiān)控端；接收移遠程端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，比如時間設(shè)置、開關(guān)指令等，轉(zhuǎn)發(fā)給單片機執(zhí)行相應操作。通過這一無線通信鏈路，健忘癥患者家屬可以隨時了解用藥情況，必要時通過發(fā)送命令進行干預，提高整體的規(guī)范化用藥水平REF_Ref5368\r\h[7]。圖3-3ECB02藍牙模塊實際接線圖3.4智能藥盒語音播報功能的設(shè)計DY-SV17F是斯維爾科技推出的一款低功耗語音合成芯片，它的核心是基于壓縮算法的語音解碼引擎。該芯片內(nèi)部預制了一個音頻功放電路，只需簡單的電路設(shè)計就可以直接產(chǎn)生聲音輸出。集成度高的一體化設(shè)計使DY-SV17F體積小巧，功耗低，非常適合智能家居、可穿戴等嵌入式應用場景。DY-SV17F與單片機通過UART串行口相連，支持8K-192Kbps波特率。在使用時，MCU只需按特定協(xié)議發(fā)送文本命令，芯片就會自動合成相應的語音數(shù)據(jù)并輸出。該語音芯片內(nèi)部集成了較大的FLASH存儲空間，可以存儲大量壓縮的語音文件，播放內(nèi)容豐富。在本智能藥盒系統(tǒng)中，語音播報模塊的主要任務(wù)是在設(shè)定的服藥時間到達時，自動合成并播放"早上好，該吃藥了"等提醒語音。通過聲音提醒的方式，可以有效幫助健忘癥患者準確把握服藥時間，避免漏服現(xiàn)象發(fā)生。與其他提醒方式相比，語音播報聽覺沖擊力強，提醒效果更加直觀明了REF_Ref5388\r\h[8]。圖3-4DY-SV17F語音模塊實際接線圖3.5智能藥盒短信報警功能的設(shè)計SIM900A是一款工業(yè)級的GPRS模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，具備GSM/GPRS通信功能。該模塊采用超低功耗的AM7000芯片，工作電壓范圍廣，抗干擾性強，運行可靠性高。SIM900A支持語音通話、短信收發(fā)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N服務(wù)，并提供標準AT命令集，方便與主控制器進行數(shù)據(jù)交互。在本系統(tǒng)中，SIM900A通過串口連接單片機，接收其發(fā)送的短信發(fā)送指令及需要發(fā)送的文本內(nèi)容。模塊工作時，首先需與基站建立連接注冊，之后就可以通過PPP撥號上網(wǎng)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信數(shù)據(jù)包。一旦接收到系統(tǒng)反饋的發(fā)送成功指令，說明短信已經(jīng)成功發(fā)往指定手機號碼。SIM900A在設(shè)計中承擔著向健忘癥患者家屬發(fā)送用藥提醒的重要作用。當?shù)竭_預設(shè)的服藥時間，但健忘癥患者在規(guī)定時間內(nèi)未按下相應按鈕響應，系統(tǒng)即通過該模塊向家屬的手機號發(fā)送短信提醒，確保用藥不會被忽視遺漏。家屬收到短信后，可以通過電話等方式及時糾正健忘癥患者的用藥行為，避免疾病加重REF_Ref5410\r\h[9]。圖3-5SIM900A模塊實際接線圖3.6智能藥盒定時功能的設(shè)計DS1302是一款工業(yè)級實時時鐘芯片，由美國達拉斯半導體生產(chǎn)。這款芯片內(nèi)置了精準的晶體振蕩電路和全新的電源電路設(shè)計，能夠在各種環(huán)境條件下精準計時。另外，當系統(tǒng)主電源意外斷電時，DS1302還具備電池備份功能，時鐘數(shù)據(jù)不會丟失。它是實現(xiàn)智能定時提醒功能的基礎(chǔ)模塊。DS1302與單片機之間采用IIC串行總線進行數(shù)據(jù)通信。時鐘芯片內(nèi)部載有秒、分、時、日、月、年及星期的寄存器，用于存儲當前系統(tǒng)時間。在程序初始化時，單片機會向這些寄存器寫入準確時間；運行過程中，單片機則不斷讀取時間寄存器的數(shù)值，與預設(shè)的提醒時間進行對比，一旦匹配則執(zhí)行提醒功能。DS1302還配置了可編程時鐘報警器，可設(shè)置上下線報警時間。當實時時間達到報警時間點時，DS1302芯片會產(chǎn)生一個中斷信號，觸發(fā)單片機進入中斷處理程序，這是系統(tǒng)檢測到提醒時間的關(guān)鍵。通過這一"監(jiān)控"機制，藥盒系統(tǒng)能夠精確監(jiān)控服藥時間，并及時采取相應的提醒動作REF_Ref5437\r\h[10]。圖3-6DS1302模塊實際接線圖3.7智能藥盒按鍵功能的設(shè)計本智能藥盒系統(tǒng)配備了5個硬件按鍵開關(guān)，分別對應了設(shè)置系統(tǒng)時鐘、調(diào)整服藥時間、打開早中晚三個藥盒等不同功能操作。這些按鍵連接在單片機的IO端口上，并設(shè)計了硬件去抖電路，可以過濾因按鍵抖動而產(chǎn)生的誤觸發(fā)。當健忘癥患者按下按鍵后，按鍵IO端口的電平就會發(fā)生變化，單片機通過持續(xù)掃描這些IO口的狀態(tài)，一旦檢測到電平變化就會判定有按鍵被按下，從而根據(jù)按鍵編號執(zhí)行相應的功能程序。例如，當檢測到設(shè)置時鐘按鍵被按下時，就會調(diào)用時鐘設(shè)置菜單子程序；檢測到打開藥盒按鍵被按下時，就執(zhí)行控制繼電器的程序模塊REF_Ref5992\r\h[11]。按鍵作為最直觀的人機交互方式，為健忘癥患者提供了方便的操作界面。并且，與觸摸屏等其他輸入方式相比，物理按鍵使用壽命長、可靠性高，維護成本低廉，極大地降低了系統(tǒng)運行成本和故障風險。通過按鍵的靈活設(shè)計，健忘癥患者可以快速高效地完成各種設(shè)置操作，更好地控制和使用智能藥盒REF_Ref6005\r\h[12]。按鍵編號按鍵功能描述操作效果S1設(shè)置系統(tǒng)時鐘當按下S1時，調(diào)用時鐘設(shè)置菜單子程序，允許用戶設(shè)置或修改系統(tǒng)時鐘。S2調(diào)整服藥時間按下S2時，用戶可以進入服藥時間設(shè)置模式，根據(jù)需要調(diào)整每次服藥的提醒時間。S3打開早間藥盒按下S3時，系統(tǒng)會執(zhí)行控制繼電器的程序模塊，打開早晨應服用的藥盒。S4打開午間藥盒按下S4時，系統(tǒng)會執(zhí)行控制繼電器的程序模塊，打開中午應服用的藥盒。S5打開晚間藥盒按下S5時，系統(tǒng)會執(zhí)行控制繼電器的程序模塊，打開晚上應服用的藥盒。圖3-7按鍵模塊實際接線圖4智能藥盒系統(tǒng)的軟件設(shè)計通過上一張對硬件模塊的細致敘述和原理介紹分析，本智能藥盒控制系統(tǒng)已經(jīng)初具模型，接下來就是軟件系統(tǒng)的設(shè)計和邏輯的設(shè)定。4.1智能藥盒的軟件運行設(shè)計為了實現(xiàn)智能藥盒的軟件運行流程，我們使用了C語言作為編程語言，并在Keil5軟件平臺上完成了編程工作。在軟件設(shè)計方面，我們編寫了一個層次分明的程序架構(gòu)，主程序?qū)τ布M行初始化并掃描事件，不同功能模塊負責相關(guān)操作的具體執(zhí)行，有機組合形成完整的控制邏輯。主程序首先對單片機上的各個寄存器以及外設(shè)模塊進行初始化配置，包括OLED顯示模塊、藍牙模塊等。之后進入主循環(huán)體，定時檢查DS1302時鐘是否達到設(shè)定的服藥時間，如果匹配則執(zhí)行語音提醒及繼電器控制等功能。與此同時，程序還會不斷掃描檢測按鍵模塊是否存在操作，如果發(fā)現(xiàn)有按鍵被按下，就立即執(zhí)行對應的功能子程序。在按鍵處理子程序中，程序首先通過不斷輪詢按鍵IO口的電平狀態(tài)來判斷是否有按鈕被按下。一旦發(fā)現(xiàn)電平變化，就通過按鍵編號執(zhí)行相應的功能模塊。例如，按下“設(shè)置時鐘”按鍵，則進入時鐘設(shè)置子程序，通過OLED屏幕顯示菜單修改當前系統(tǒng)時間。本文還編寫了處理子程序，用于在到達三次用藥時間時，點亮對應LED，并語音提醒，藥盒打開時，水泵工作，如果吃完藥，語音提醒關(guān)閉，顯示已吃藥。如果5分鐘未打開藥盒吃藥，則發(fā)送對應短信。通過以上的軟件設(shè)計，我們實現(xiàn)了智能藥盒的智能化控制，為健忘癥患者提供了便捷、可靠的用藥輔助。4.2智能藥盒的軟件運行流程4.2.1智能藥盒的主程序流程介紹系統(tǒng)上電后，主程序首先對單片機上的各個寄存器以及外設(shè)模塊進行初始化配置，包括OLED顯示模塊、藍牙模塊等。之后進入主循環(huán)體，定時檢查DS1302時鐘是否達到設(shè)定的服藥時間，如果匹配則執(zhí)行語音提醒及繼電器控制等功能。與此同時，程序還會不斷掃描檢測按鍵模塊是否存在操作，如果發(fā)現(xiàn)有按鍵被按下，就立即執(zhí)行對應的功能子程序。例如按下"設(shè)置時鐘"按鍵，則進入時鐘設(shè)置子程序，通過OLED顯示菜單修改當前系統(tǒng)時間。部分代碼如下：圖4-2主程序流程4.2.2智能藥盒的按鍵子流程介紹按鍵處理子程序?qū)ｉT用于掃描檢測按鍵動作，并做出正確的響應。程序首先通過不斷輪詢按鍵IO口的電平狀態(tài)來判斷是否有按鈕被按下。一旦發(fā)現(xiàn)電平變化，就通過按鍵編號執(zhí)行相應的功能模塊。比如按下第1個按鍵后，程序?qū)⑶袚Q至時鐘設(shè)置模塊，通過OLED屏幕顯示菜單界面，用戶可以修改當前的年月日時分秒數(shù)據(jù)，完成時間調(diào)整。再如按下第3個按鍵，程序?qū)⒖刂评^電器3吸合，從而打開早餐藥盒。為了提高系統(tǒng)可靠性，按鍵處理程序中還加入了按鍵去抖處理環(huán)節(jié)。由于按鍵開關(guān)在實際動作過程中，接點接通和斷開時均會產(chǎn)生電橋火花，導致IO電平抖動，這種抖動如不加處理，很容易被誤判為多次按鍵信號。因此，該程序在檢測到電平變化后，會持續(xù)檢測一段時間內(nèi)的信號狀態(tài)，只有當信號維持一定時間后，才判定為用戶有按鍵行為，有效過濾了抖動干擾。部分代碼如下：圖4-3按鍵子程序4.2.3智能藥盒的處理子程序介紹到達三次用藥時間，亮對應LED，并語音提醒，藥盒打開時，水泵工作，如果吃完藥，語音提醒關(guān)閉，顯示已吃藥，若5分鐘未打開藥盒吃藥，發(fā)送對應短信。部分代碼如下：圖4-4處理子程序5智能藥盒系統(tǒng)的測試5.1軟硬件調(diào)試本智能藥盒系統(tǒng)從構(gòu)思到最終成品，經(jīng)歷了反復的軟硬件調(diào)試和驗證過程。在前期軟件調(diào)試階段，我們借助Keil5軟件的在線仿真模擬功能，對各個程序模塊進行了全面測試，找出并修復了邏輯錯誤、死循環(huán)等問題。之后在調(diào)試器的支持下，實現(xiàn)了對程序在單片機上的動態(tài)調(diào)試跟蹤，有效分析了模塊間的交互情況。硬件調(diào)試環(huán)節(jié)則著重驗證各模塊的實際工作情況。我們通過示波器、邏輯分析儀等專業(yè)工具，檢測并分析了單片機與外設(shè)之間的通信時序、電平狀態(tài)等，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。以語音模塊的調(diào)試為例，我們首先在示波器上檢查了MCU與DY-SV17F之間的串行通信波形，觀察是否存在波形畸變、嚴重抖動等異常情況。之后，再在上位機軟件監(jiān)視窗中捕獲語音模塊發(fā)送的響應數(shù)據(jù)，判斷其內(nèi)容是否與MCU發(fā)出的指令匹配，從而檢驗語音播報功能是否正常運行。對于像繼電器這類由單片機直接驅(qū)動的硬件，我們則采用了用萬用表測量IO口輸出電壓等簡單直接的調(diào)試手段。通過上電前后的檢測對比，可明確該模塊被成功控制。類似的，藍牙模塊的工作狀態(tài)也可通過監(jiān)控其指示燈的點亮規(guī)律來判斷。通過反復的軟硬件仿真調(diào)試，我們最終確保了程序的穩(wěn)定運行，保證了各模塊協(xié)作一致，為智能藥盒控制系統(tǒng)的可靠運行奠定了基礎(chǔ)。5.2智能藥盒的測試經(jīng)過近一年的方案設(shè)計、硬件搭建、軟件編碼和調(diào)試測試，最終成功地將智能藥盒控制系統(tǒng)制作出了實際可運行的原理樣機。機身下側(cè)安裝有3個繼電器，分別代表了早、中、晚三次服藥的藥盒。達到相應時間點后，系統(tǒng)會自動提醒病人吃藥。如果健忘癥患者在規(guī)定時間內(nèi)未按下開藥盒的按鍵，系統(tǒng)還會通過SIM900A模塊向預設(shè)手機號碼發(fā)送提醒短信，以防止健忘癥患者遺忘或疏忽。測試結(jié)果如下：表5-1測試結(jié)果測試項目測試條件預期結(jié)果實際結(jié)果是否通過吃藥時間準確性測試設(shè)置每天四個固定吃藥時間點在設(shè)定時間準確觸發(fā)吃藥提醒所有時間點誤差均小于1分鐘是語音提醒質(zhì)量測試播放預設(shè)的語音提醒語音清晰、音量適中語音播報清晰，音量適中是藍牙連接穩(wěn)定性測試與手機進行藍牙連接連接穩(wěn)定，不斷線連接穩(wěn)定，24小時內(nèi)無斷線是繼電器響應時間測試觸發(fā)繼電器打開藥盒響應時間<1秒平均響應時間0.8秒是水泵工作測試觸發(fā)水泵進行送藥操作水泵正常工作，送藥準確水泵工作穩(wěn)定，送藥量準確是OLED顯示測試顯示當前時間、吃藥信息等顯示清晰、無閃爍顯示內(nèi)容準確，無閃爍是長時間運行測試連續(xù)運行72小時系統(tǒng)穩(wěn)定，無故障系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)故障是電源消耗測試滿電狀態(tài)下連續(xù)使用續(xù)航時間>48小時續(xù)航時間達到52小時是智能藥盒系統(tǒng)主要包括單片機、語音模塊、藍牙模塊、液晶顯示模塊、時鐘模塊、繼電器及水泵等外圍設(shè)備。每個模塊的功耗都有其特定的范圍，我們需要根據(jù)實際應用情況來預估整體功耗。單片機（如STM32F103）：低功耗模式下，工作電流通常在幾毫安至幾十毫安之間，具體取決于運行頻率和外設(shè)配置。語音模塊：根據(jù)播放音頻的復雜度和音量，功耗會有所不同，通常在幾十毫安至幾百毫安。藍牙模塊：通信時功耗較高，待機時功耗較低，平均功耗通常在幾十毫安。液晶顯示模塊：功耗取決于屏幕尺寸和刷新率，一般在幾十毫安至幾百毫安。時鐘模塊（如DS1302）：功耗極低，通常在微安級別。繼電器和水泵：根據(jù)驅(qū)動電流和工作時間來確定功耗，但通常不會持續(xù)工作，因此平均功耗較低。預估整體功耗時，需要將所有模塊的功耗相加，并考慮一定的冗余量。具體功耗值需要根據(jù)實際硬件和軟件配置來確定。智能藥盒系統(tǒng)通常使用5V直流電源供電。這是因為大部分外圍模塊都支持5V電壓輸入，且5V電壓易于獲取，如教室插口、充電寶等常見電源。在設(shè)計系統(tǒng)時，需要確保所有模塊都能在5V電壓下正常工作。功率（P）是電流（I）與電壓（U）的乘積，即P=I×U。在預估智能藥盒系統(tǒng)功耗時，可以分別計算每個模塊的功耗，然后將它們相加得到總功耗。由于大部分模塊在待機或低功耗模式下的電流都是已知的，因此可以較為準確地預估整體功耗。由于智能藥盒系統(tǒng)使用5V直流電源供電，因此教室插口和充電寶都是可行的電源選項。教室插口通常提供穩(wěn)定的5V電壓輸出，適合長期供電；而充電寶則具有便攜性，適合在沒有插座的情況下為系統(tǒng)供電。在選擇電源時，需要考慮系統(tǒng)的功耗需求、使用場景以及電源的穩(wěn)定性等因素。6結(jié)論本文設(shè)計了一款基于STM32單片機的智能藥盒控制系統(tǒng)，融合了語音提醒、遠程監(jiān)控、藥物分類存儲等多項創(chuàng)新功能，有效解決了現(xiàn)有藥品管理方案的痛點。該系統(tǒng)采用模塊化的硬件架構(gòu)設(shè)計，由單片機核心板、語音合成芯片、藍牙模塊、時鐘模塊、液晶顯示屏等多個模塊組成。每個模塊分工明確，通過協(xié)同工作實現(xiàn)了定時掃描提醒、語音播報、繼電器控制、手機短信告警、遠程監(jiān)控等多種智能化功能。在軟件方面，我們編寫了層次分明的程序架構(gòu)，主程序?qū)τ布跏蓟呙枋录?，不同功能模塊負責相關(guān)操作的具體執(zhí)行，有機組合形成完整的控制邏輯。經(jīng)過反復測試和調(diào)試，最終智能藥盒系統(tǒng)樣機成功問世，并順利通過各項功能驗證。本智能藥盒系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新地將無線傳輸、顯示控制等前沿技術(shù)應用到藥品管理領(lǐng)域，讓健忘癥患者的用藥體驗出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。該產(chǎn)品操作簡單、功能實