第2章硬件選用及介紹基于單片機(jī)的家庭智能藥管家硬件系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24380基于單片機(jī)的家庭智能藥管家硬件系統(tǒng)設(shè)計案例 1150481硬件選用及介紹 1150351.1單片機(jī)模塊的選用及介紹 159651.2MR628語音合成模塊選用介紹 2286151.3時鐘模塊選用介紹 4208531.4溫濕度模塊選用及介紹 425701.5SIM900A短信模塊設(shè)計介紹 6109091.6液晶顯示模塊 7922硬件電路設(shè)計 8218642.1系統(tǒng)的需求分析 875112.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計 8211242.3單片機(jī)模塊設(shè)計 996062.4語音合成模塊的電路設(shè)計 10185792.5時鐘模塊的電路設(shè)計 10287042.6溫度傳感器模塊的設(shè)計 10226732.7液晶顯示模塊電路設(shè)計 1136832.8電源電路的設(shè)計 12148902.9系統(tǒng)硬件總體設(shè)計電路圖 121硬件選用及介紹1.1單片機(jī)模塊的選用及介紹隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步，單片機(jī)產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展的也變得更加迅猛，各種單片機(jī)的產(chǎn)品層出不同，性能優(yōu)劣也各有差異。STM32單片機(jī)屬于ARM內(nèi)核的一個新型版本，比傳統(tǒng)的51單片機(jī)高級，有很多資源是51所沒有具備的，如USB控制器。而且廢除了機(jī)器的周期，與51單片機(jī)相比，速度上具有明顯的優(yōu)勢的。STM32單片機(jī)程序都采用的是模塊化的，接口相對51單片機(jī)來說更為簡單些，所以針對本設(shè)計具有多種類型的模塊的特點，選用STM32單片機(jī)更為恰當(dāng)，因為它自身具有多種功能，工作速度快，而51的自身功能少，需要的外圍元件多，要求技術(shù)上對電子非常熟悉。本系統(tǒng)采用的是尺寸為21.86mm*52.34mm的STM32F103C8T6單片機(jī)核心板。使用的調(diào)試方式為SWD的調(diào)試方式。具有板載8M晶振和RTC晶振，數(shù)據(jù)儲存24V04，高速晶振為8MHz，低速晶振為31.768k，具有1.54mm整數(shù)倍間距插針。單片機(jī)核心板的USB串口支持一鍵下載，程序更新方便，板載的24C04數(shù)據(jù)儲存器，有便于存儲參考，具有電源的指示燈，板子還能進(jìn)行LED燈的編程。其外觀圖如圖1.1所示。圖1.1STM32F103C8T6開發(fā)板實物圖作為家庭智能藥管家的主控芯片，開發(fā)板的具有重要的作用，同時，對于在軟件技術(shù)方面比較感興趣的人來說，選用一款優(yōu)質(zhì)的開發(fā)板，能夠?qū)ζ鋵W(xué)習(xí)和研究效率有極大的提升。由于開發(fā)板具有多種規(guī)格，需要根據(jù)自身的不同需求選擇不同規(guī)格的開發(fā)板，還要注意使用的方法以及開發(fā)板所限制的電壓。STM32F103C8T6工作時，環(huán)境溫度一般需要控制在-40攝氏度到102攝氏度之間，工作電壓在1.5伏到2.5伏之間。由內(nèi)外兩部分構(gòu)造構(gòu)成，外部封裝采用的是LQF48引腳，里面嵌入了Flash閃存，型號為32~128KB，能完成存儲、燒寫對應(yīng)的串口程序的功能，并且能加密已經(jīng)編好的程序，來保護(hù)設(shè)計者的勞動成果。內(nèi)部采用的是Cortex-M3的RISC工作內(nèi)核，Cortex-M3是新一代基于ARM的處理器。它包含兩個12位自動實時同步基于ADC的數(shù)據(jù)通道、三個16位自動定時器定時器和一路的PWM，PWM基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，而系統(tǒng)所需的智能調(diào)光要求也得到了更好的解決。1.2MR628語音合成模塊選用介紹本設(shè)計采用的是MR628語音合成模塊。MR628是一款性價比較高的數(shù)字語音合成模塊，使用串口無線通訊的方式，發(fā)送簡單的指令即可輕松實現(xiàn)實現(xiàn)從文本到語音的轉(zhuǎn)換，同時它還支持中文、英文（按字母進(jìn)行朗讀）、數(shù)字的語音朗讀，每次合成的語音文本數(shù)量最多可以達(dá)到250字節(jié)，可同時進(jìn)行文本解析和語音播放，實現(xiàn)連續(xù)無間隔的語音合成。它是一個內(nèi)置的音頻功放，可直接用來驅(qū)動0.5W8R或者3W4R的小喇叭。1、接線方式：如圖1.2，紅色線為VCC，必須接5V，黃色為信號線，即模塊的RXD，需要接單片機(jī)或者TTL模塊的TXD，黑色為地線，接GND，注意不要接錯。圖1.2MR628接線圖示例2、控制命令：通信方式為串口通信，波特率為9600，校驗位None，數(shù)據(jù)位8，停止位1，命令和待合成文本都是字符串，以下將詳細(xì)說明各命令使用方法：（1）語音合成命令：以<G>為幀頭，后面接需要進(jìn)行語音合成的內(nèi)容，如需要朗讀“歡迎使用MR628語音合成模塊”，則發(fā)送：<G>歡迎使用MR628語音合成模塊注意是英文狀態(tài)下的尖括號；（2）取消語音合成：發(fā)送<G>即會立刻停止本次語音合成；（3）播放背景音樂：內(nèi)置兩首背景音樂，發(fā)送<M>1即播放背景音樂1，發(fā)送<M>2即播放背景音樂2，發(fā)送<M>0關(guān)閉背景音樂，注意<M>0只能關(guān)閉背景音樂，不能停止語音合成，同樣<G>只能停止語音合成，不能停止播放背景音樂，如果不發(fā)送<M>0即使語音合成播放完畢，背景音樂依舊會一直播放，直到收到<M>0。播放提示音內(nèi)置兩首提示音，發(fā)送<I>18即播放背景音樂1，發(fā)送<I>19即播放背景音樂2。提示音與背景音樂不同，提示音播放完會自動停止，無需其他操作；（4）單片機(jī)驅(qū)動示例：只要有串口的單片機(jī)都可以驅(qū)動MR628語音合成模塊，圖1.3為STM32單片機(jī)驅(qū)動程序的部分截圖。圖1.3單片機(jī)驅(qū)動示例1.3時鐘模塊選用介紹DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為1.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302存在時鐘準(zhǔn)確度不高，容易受到環(huán)境因素的影響以及會出現(xiàn)時鐘混亂的情況，這屬于時鐘存在的一個缺點。但是由于DS1302能用于數(shù)據(jù)的儲存和記錄，尤其是對于一些具有特別含義的數(shù)據(jù)點的記錄，

可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間一同記錄。根據(jù)它的這一特點，這樣的記錄對于長時間連續(xù)的測控系統(tǒng)結(jié)果的分析以及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因進(jìn)行查找具有重要的意義。一般情況下的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，所以，僅僅能夠記錄數(shù)據(jù)但是卻無法記錄其出現(xiàn)的準(zhǔn)確的時間；若采用單片機(jī)計時，一是需要使用計數(shù)器，會占用硬件的資源，另外一方面是需要設(shè)置中斷、查詢等，一樣會導(dǎo)單片機(jī)資源的浪費，而且，某些測控系統(tǒng)或許不允許。但如果在系統(tǒng)中使用時鐘芯片

DS1302，那就能較好地解決這個問題。1.4溫濕度模塊選用及介紹設(shè)計方案采用微型SHT21溫度傳感器如圖1.4，新一代微型sensirion濕度和溫度傳感器在產(chǎn)品尺寸與溫度智能化綜合應(yīng)用技術(shù)方面已經(jīng)成功建立了一個新的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):它們內(nèi)部分別嵌入了另外一系列分別適用于熱回流部件焊接的微型雙列扁平管和無引腳的SDNF，微型封裝，底部3×3mm，高度1.1mm。該相位傳感器將其高頻輸出信號通過相位標(biāo)定轉(zhuǎn)換為一個pc的高頻數(shù)字信號，采用一種標(biāo)準(zhǔn)化的PC輸出格式。SHT21配備了一個CMOSsens系列芯片和經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)的新型濕度變化傳感器控制元件以及一個符合標(biāo)準(zhǔn)的低能量溫度傳感器控制元件，它的可靠性能已得到顯著的大幅提升，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了之前的新一代濕度傳感器(SHT1x和前代SHT7x)的最高可靠性。因此，新型第一代的高溫濕度自動檢測壓力傳感器，已經(jīng)被廣泛地采用于檢測技術(shù)，以便在高濕度的環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)更加穩(wěn)定的檢測工作。每個溫度傳感器均已被精確校準(zhǔn)并通過測試。在一個電子產(chǎn)品的芯片表面上會鐫刻著一個印制著該產(chǎn)品的命令批號，同時在這個芯片中還同時存儲著一個大的電子標(biāo)簽，從而用戶通?？梢灾苯油ㄟ^右鍵輸入這些命令符號來正確閱讀這些電子標(biāo)簽。此外，SHT21的數(shù)字分辨率也可以直接通過電池輸入信號命令對其數(shù)值進(jìn)行自動修改（8/12bit乃至12/14bit的數(shù)字RH/T，傳感器系統(tǒng)能夠自動檢測數(shù)據(jù)得到后的電池是否處于正常低電量的工作狀態(tài)，并且對電池輸出信號進(jìn)行自動校驗和，有助于大大提高移動無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的工作效率和可靠度。圖1.4溫濕度傳感器實物圖片傳感器的通用芯片SHT21配有4C以替代CMOSens的芯片，除開它本身就附帶有的一個線性的相對濕度變化傳感器和一個能量溫度傳感器之外，這款音頻芯片中的相關(guān)的功能還包括一個微型信號放大器、A/D信號轉(zhuǎn)換器、OTP音頻內(nèi)存及其他的數(shù)字化音頻信號采集處理單元。誤差分析：溫濕度傳感器由于受環(huán)境溫濕度的影響以及運(yùn)行時自身發(fā)熱產(chǎn)生的溫度，會對數(shù)據(jù)的讀取存在誤差，所以通過對其進(jìn)行誤差分析，圖1.5和1.6分析了溫濕度傳感器在25攝氏度時的相對濕度誤差和溫度典型誤差以及最大誤差。圖1.525°時相對濕度的最大誤差圖1.6溫度典型誤差和最大誤差1.5SIM900A短信模塊設(shè)計介紹此調(diào)試模塊的直流供電要求條件一般為5V直流供電，計算機(jī)僅在調(diào)試初期的使用計算機(jī)USB時的供電要求條件就已經(jīng)可以直接達(dá)到這個供電要求。因為它只是增加了1000uf的一個大規(guī)模輸入電容。長期在一段時間內(nèi)其所傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)的總用電量大小應(yīng)建議1A以上直流，TTL電平串口兼容采用自適應(yīng)兼容2.3V和5V的直流單片機(jī)。它們還可以與其他單片機(jī)電路進(jìn)行直接集成鏈路。待機(jī)時間在80min左右，可以將其設(shè)置為暫時休眠待機(jī)狀態(tài)，設(shè)置在10ma左右，降低待機(jī)功率。計算機(jī)上面的調(diào)試USB-232和USB-TTL都是一樣可以的，按照各個使用人的電腦配件的要求的不同來進(jìn)行選擇。支持短信，數(shù)據(jù)，彩信，上網(wǎng)。復(fù)位后從自動排針出口取出，可以同時實現(xiàn)現(xiàn)場無人實時值守的遠(yuǎn)程自動復(fù)位，帶有DTMF復(fù)位功能的自動遙控器也同樣可以同時實現(xiàn)。該應(yīng)用模塊的主要功能優(yōu)點之一，那就是它只同時保留232口，在用戶進(jìn)行編程學(xué)習(xí)或者進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用過程中時它可以實時自動監(jiān)聽51低端的智能單片上主機(jī)和應(yīng)用模塊的每個指令正常工作執(zhí)行的實際情況，能夠幫助使用戶更快速地準(zhǔn)確找出出現(xiàn)問題的內(nèi)在原因，節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)研究的大量時間。支持3G和4G的移動電話通訊卡。此款模塊TTL電平兼容2.3V系統(tǒng)，5VTTL系統(tǒng)需要通過232控制模塊。此模塊的優(yōu)點是一路TTL的兩個接口分別同時支持2.3V射頻單片機(jī)與5V射頻單片機(jī)。即同時支持51類型5V單片機(jī)與STM32單片機(jī)。兩路常用天線交換接口為SAM天線交換接口，IPXMINI天線交換接口（兩路無需天線焊接）。一路232電平模塊接口，也就是說一個用戶可以通過一根232-USB型的串口線直接把這個電平模塊的連接在一臺電腦里面來進(jìn)行調(diào)試。還可以通過USB-TTL來連接網(wǎng)絡(luò)到你的個人網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)。計算機(jī)直接控制串口模塊的工作方法，是通過一個串口(AT)模塊發(fā)送的控制指令(AT)信號來直接控制這個串口模塊。1.6液晶顯示模塊設(shè)計中常用的顯示屏一般有OLED顯示屏如圖1.7所示，和LCD顯示屏。但是兩者的發(fā)光原理具有明顯的差異，OLED面板的屏幕的對比度、亮度以及可視角度燈各方面的性能都要比LCD面板優(yōu)越。由于家庭智能藥管家需要顯示的數(shù)據(jù)較多，所以在本次設(shè)計中我們自然會選擇清晰度和對比度等性能更為優(yōu)越的OLED顯示屏。圖1.7顯示屏實物圖當(dāng)前我們普遍使用的OLED顯示屏上一般主要包含有IIC和SPI兩種通訊接口基本信息和接口定義，這兩種通訊接口采用無線通訊協(xié)議有所不同。工作示例：如果我們要在左上角顯示一個亮點，需要發(fā)送0x01（16進(jìn)制的1）到數(shù)據(jù)地址，例如：Wire．beginTransmission(0x3C);//控制指令Wire．write(0x40);//寫地址Wire．write(0x01);//寫數(shù)據(jù)Wire．endTransmission();//結(jié)束PAGE402硬件電路設(shè)計2.1系統(tǒng)的需求分析根據(jù)當(dāng)前社會的普遍現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，老年人和慢性病患者都有長期在家庭中服用藥物進(jìn)行輔助治療的情況，并且，這種現(xiàn)象與日俱增。與此同時，老年人由于年老體衰，記憶力以及行動能力的下降，導(dǎo)致不能自主和正確的進(jìn)行藥物的服用。除此之外，一些行為能力缺失的患者和智力障礙類患者，他們在日常的服藥過程中，也不能自行完成正確的服藥操作。因此，服藥不及時，不合理，甚至忘記服用藥物的情況時有發(fā)生，嚴(yán)重影響治療的效果，從而影響患者身體的恢復(fù)。另外，藥品的保存問題也需要引起關(guān)注。一般藥品的保存需要在一個溫濕度值恰好的環(huán)境內(nèi)，但是由于在家庭生活中，藥物的存放環(huán)境并沒有得到關(guān)注，導(dǎo)致藥品開封后，被直接暴露在一個不確定溫濕度的環(huán)境中，因此，藥物的受潮和變質(zhì)也是家庭用藥中存在的普遍現(xiàn)象，如果患者沒有注意，服用了已經(jīng)受潮過變質(zhì)的藥品，則會嚴(yán)重危害患者的身體健康，甚至危及生命。因此，需要設(shè)計一款具有能夠提醒患者按時服藥，以及對藥品存放環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測等功能的家庭智能藥管家系統(tǒng)，保障患者服藥的及時性和安全性。2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計家庭智能藥管家系統(tǒng)分為兩部分進(jìn)行設(shè)計，一部分是硬件電路的設(shè)計，另一部分是軟件程序的設(shè)計。硬件電路的設(shè)計具體是利用STM32F103C8T6單片機(jī)、溫濕度傳感器、光敏電阻、導(dǎo)線等實物硬件，實現(xiàn)系統(tǒng)需要達(dá)到的具體功能。軟件部分的設(shè)計是利用C語言為開發(fā)語言，編譯系統(tǒng)程序，并以程序代碼和文檔的形式存在的數(shù)據(jù)文本，對系統(tǒng)能否正常運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)的目標(biāo)是設(shè)計款基于單片機(jī)STM32F103C8T6家庭智能藥管家系統(tǒng)，通過對硬件的合理選用，利用合適的時鐘模塊和語音模塊定時語音提醒患者進(jìn)行藥品的服用；還能采集家庭智能藥管家的運(yùn)行環(huán)境中的溫濕度數(shù)值，以此監(jiān)測藥物存放的環(huán)境，另外通過對光照強(qiáng)度檢測和判斷，可以反饋患者是否進(jìn)行服藥的情況。家庭智能藥管家系統(tǒng)的總體框架由溫濕度監(jiān)測模塊、光敏電阻模塊和反饋語音模塊、時鐘模塊、顯示模塊、短信反饋模塊以及電源管理電路搭建而成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖基于單片機(jī)STM32F103C8T6設(shè)計的家庭智能藥管家系統(tǒng)，在打開開關(guān)接通電源后，系統(tǒng)開始進(jìn)行初始化，接下來單片機(jī)讀取時鐘模塊DS1302的數(shù)據(jù)，然后通過顯示屏0.96OLED顯示；此模塊下可以實現(xiàn)利用手動鍵入控制詳細(xì)的服藥的提醒時間并在顯示屏有清楚的顯示，按鍵可以設(shè)置吃藥提醒時間，語音模塊播報提醒語音。2.3單片機(jī)模塊設(shè)計STM32F103C8T6為可編程式單片機(jī)，具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，計時器，標(biāo)準(zhǔn)和高級通信接口相當(dāng)，所以在硬件電路的設(shè)計中，將STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。同時它還擁有一個高性能的RISC內(nèi)核，其內(nèi)部工作運(yùn)行頻率最高可以達(dá)到72MHz，讓其可適用于本系統(tǒng)的設(shè)計；單片機(jī)與下載口電路、光敏電阻電路、電源電路等一起組成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，電路原理圖如圖2.2所示。圖2.2STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路原理圖STM32F103C8T6單片機(jī)芯片共有48個管腳，每個管腳所對應(yīng)這不能的作用，例如傳感器模塊的接入、電源電路、OLED顯示屏電路等。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)家庭智能藥管家系統(tǒng)的定時提醒、語音播報、溫濕度監(jiān)測、光照度的傳輸、處理、以及短信發(fā)送功能，在連接電路時要將管腳相對應(yīng)的功能仔細(xì)檢查核對，以免出現(xiàn)連接錯誤。2.4語音合成模塊的電路設(shè)計在語音設(shè)計模塊中，語音模塊要實現(xiàn)對于實時語音播報提醒的功能，所以語音模塊連接主控的器單片機(jī)，通過單片機(jī)讀取程序并傳輸指令，完成語音播報任務(wù)。具體電路設(shè)計如圖3．3所示。將5V左右的穩(wěn)壓電源引入電源正極VCC端，電源負(fù)極GND端接地，4接口端需要接STM32F103C8T6單片機(jī)U1-RXD引腳，5接口端接入STM32F103C8T6單片機(jī)U1-TXD引腳處。圖2.3語音模塊電路設(shè)計2.5時鐘模塊的電路設(shè)計時鐘在系統(tǒng)中的作用是起到定時提醒的功能，單片機(jī)讀取時鐘數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)秸Z音模塊，一起完成定時提醒功能。如圖2.4所示，該時鐘模塊引腳1(VCC)接通電源，引腳2(GND)接地，引腳4(DAIA)與單片機(jī)STM32F103C8T6引腳DS1302相連，引腳3(CLK)與單片機(jī)STM32F103C8T6引腳DS1302相連，引腳5(RST)連接單片機(jī)STM32F103C8T6DS1302，以實現(xiàn)時鐘數(shù)據(jù)的處理、發(fā)送。它的供電電壓較小，在接通電源后，會有不穩(wěn)定狀態(tài)的產(chǎn)生，狀態(tài)持續(xù)2s，需要進(jìn)行短暫的等待。圖2.4時鐘模塊電路設(shè)計圖2.6溫度傳感器模塊的設(shè)計溫濕度傳感器在系統(tǒng)中能監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)，然后反饋給單片機(jī)主控器，并通過液晶顯示屏顯示在屏幕上，能直觀的反映藥物的存放環(huán)境的溫濕度情況，便于評估藥物的存放環(huán)境，防止藥物受潮變質(zhì)。系統(tǒng)設(shè)計電路見圖2.5，在系統(tǒng)軟件設(shè)計中需要使用的濕度傳感器一般位于一個系統(tǒng)運(yùn)行配置的穩(wěn)定范圍內(nèi)見圖2.6，但是由于長期陽光曝曬或直接