基于增强型51单片机的智能药箱的设计
介绍了一种基于STC90C516RD+单片机的智能药箱的设计，主要结构有主控单元、时钟单元、报警单元、显示单元等。显示单元显示药品的相关信息及服药时间，有利于用户及时掌握各项信息；报警单元可以在规定的时间内进行报警提醒，保证了用户能够及时服药。
对于那些健忘的老人、需要长期坚持服用药物的患者、需要住院的病患以及工作繁忙的成年人来说，很难保证能清楚地记得不同药物的信息以及用药时间并且保证按时吃药。如何能够及时提醒以上人群按时按量吃药是一个难题。针对此问题，本文设计了一种基于增强型51单片机——STC90C516RD+单片机的智能药箱。药箱设有检测单元，检测在规定的时间内用户是否按时吃药，当检测到用户已按时吃药便会通过显示单元提示用户已经吃药，避免重复吃药。通过显示单元，用户可以方便地获取当前的用药情况、用药时间及药物信息等信息。
1工作原理
本设计主要由主控单元、时钟单元、检测单元、报警单元、显示单元、供电单元和上位机软件等7部分组成，其中主控单元由STC90C516 RD+单片机模块组成；时间单元由DS1302时钟模块组成，用于检测当前的时间信息；检测单元由光敏传感器模块和DS18B20模块组成，分别检测用药情况的和检测环境温度；报警单元由蜂鸣器模块和GSM短信模块组成，分别进行现场的声音报警提示与短信报警提示；显示单元显示药物名称、用法用量等药品的相关信息，用药的时间，是否用药以及当前的日期、时间等信息；供电单元提供系统所需电力；上位机软件通过RS232接口与主控单元进行通信。药箱结构示意如图1所示。
图1 智能药箱设计原理图
2各组成单元分析
2.1主控单元
主控单元在整个ICare系统中起信息处理和控制作用，主控芯片选用增强型51单片机——STC90C516RD+单片机。STC90C516RD+单片机是基于8051内核的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，包含中央处理单元、64 k字节Flash程序存储器、1280字节SRAM、35个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时器/计数器，8个中断源，片内时钟振荡电路。
2.2时钟单元
时钟单元采用的是DALLAS公司出品的DS1302芯片。DS1302是一种具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿等多种功能。DS13 02采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，分别是复位（RST）、I/O数据线和串行时钟（SCLK）。
2.3检测单元
检测单元由光敏传感器模块和温度传感器DS18B20模块组成。
1）光敏传感器模块
光敏传感器模块在无光条件或者光强达不到没定阈值时即未打开药箱时，输出高电平；当外界环境光强超过设定阈值即打开药箱时，输出低电平。主控单元通过检测光敏传感器模块输出的高低电平判断患者是否打开药箱服药。光敏传感器模块原理图见图2.
图2 光敏传感器模块原理图
2）温度传感器DS18B20模块
DS18B20模块是一种常用的温度传感器，具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少、抗干扰能力强和精度高等优点。模块采用独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信，测量结果以9—12位数字量方式串行传送。在使用中不需要任何外围元件。
主控单元通过温度传感器DS18B20模块实时检测当前的环境温度，并将当前的温度信息通过显示单元显示出来，显示效果见图5.
2.4报警单元
报警单元由蜂呜器模块和GSM短信模块组成。
1）蜂鸣器模块
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器模块结构简单、使用方便，通过主控单元单片机I/O口定时翻转电平即可驱动蜂呜器鸣响。
2）GSM短信模块
GSM短信模块采用希姆通300模块。希姆通300模块属于工业级GSM/GPRS模块，具有工业标准化接口，尺寸小，功耗低，采用单电压供电，支持EGSM900/1800/1900频段，支持AT指令设置，内嵌TCP/IP协议，可实现点对点发送和接收中文短信的功能。
在本设计中，GSM短信模块与主控单元之间采用串口通信的方式进行连接，如图3所示。
图3 GSM短信模块与主控单元通信示意图
2.5显示单元
显示单元采用2.4寸彩色tft液晶显示器，显示色彩为262 k（26万色），成像细腻，具有显示效果好、功耗低等优点。显示单元原理图如图4所示。
图4 显示单元原理图
引脚说明：1脚，接地（GND）；2脚，电源引脚（Vcc）；4脚，控制寄存器/数据寄存器选择引脚（RS），低电平时选择控制寄存器；5脚，写信号引脚（RW），低电平时有效；6脚，读信号引脚（RD），低电平时有效；7～14脚为8位数据总线（DB0～DB7）；15脚为片选（CS），低电平时有效；16脚，复位脚（RST），低电平时有效；3、17、18脚悬空。显示单元显示效果见图5.
对于那些健忘的老人、需要长期坚持服用药物的患者、需要住院的病患以及工作繁忙的成年人来说，很难保证能清楚地记得不同药物的信息以及用药时间并且保证按时吃药。如何能够及时提醒以上人群按时按量吃药是一个难题。针对此问题，本文设计了一种基于增强型51单片机——STC90C516RD+单片机的智能药箱。药箱设有检测单元，检测在规定的时间内用户是否按时吃药，当检测到用户已按时吃药便会通过显示单元提示用户已经吃药，避免重复吃药。通过显示单元，用户可以方便地获取当前的用药情况、用药时间及药物信息等信息。
1工作原理
本设计主要由主控单元、时钟单元、检测单元、报警单元、显示单元、供电单元和上位机软件等7部分组成，其中主控单元由STC90C516 RD+单片机模块组成；时间单元由DS1302时钟模块组成，用于检测当前的时间信息；检测单元由光敏传感器模块和DS18B20模块组成，分别检测用药情况的和检测环境温度；报警单元由蜂鸣器模块和GSM短信模块组成，分别进行现场的声音报警提示与短信报警提示；显示单元显示药物名称、用法用量等药品的相关信息，用药的时间，是否用药以及当前的日期、时间等信息；供电单元提供系统所需电力；上位机软件通过RS232接口与主控单元进行通信。药箱结构示意如图1所示。
图1 智能药箱设计原理图
2各组成单元分析
2.1主控单元
主控单元在整个ICare系统中起信息处理和控制作用，主控芯片选用增强型51单片机——STC90C516RD+单片机。STC90C516RD+单片机是基于8051内核的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，包含中央处理单元、64 k字节Flash程序存储器、1280字节SRAM、35个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时器/计数器，8个中断源，片内时钟振荡电路。
2.2时钟单元
时钟单元采用的是DALLAS公司出品的DS1302芯片。DS1302是一种具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿等多种功能。DS13 02采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，分别是复位（RST）、I/O数据线和串行时钟（SCLK）。
2.3检测单元
检测单元由光敏传感器模块和温度传感器DS18B20模块组成。
1）光敏传感器模块
光敏传感器模块在无光条件或者光强达不到没定阈值时即未打开药箱时，输出高电平；当外界环境光强超过设定阈值即打开药箱时，输出低电平。主控单元通过检测光敏传感器模块输出的高低电平判断患者是否打开药箱服药。光敏传感器模块原理图见图2.
图2 光敏传感器模块原理图
2）温度传感器DS18B20模块
DS18B20模块是一种常用的温度传感器，具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少、抗干扰能力强和精度高等优点。模块采用独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信，测量结果以9—12位数字量方式串行传送。在使用中不需要任何外围元件。
主控单元通过温度传感器DS18B20模块实时检测当前的环境温度，并将当前的温度信息通过显示单元显示出来，显示效果见图5.
2.4报警单元
报警单元由蜂呜器模块和GSM短信模块组成。
1）蜂鸣器模块
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器模块结构简单、使用方便，通过主控单元单片机I/O口定时翻转电平即可驱动蜂呜器鸣响。
2）GSM短信模块
GSM短信模块采用希姆通300模块。希姆通300模块属于工业级GSM/GPRS模块，具有工业标准化接口，尺寸小，功耗低，采用单电压供电，支持EGSM900/1800/1900频段，支持AT指令设置，内嵌TCP/IP协议，可实现点对点发送和接收中文短信的功能。
在本设计中，GSM短信模块与主控单元之间采用串口通信的方式进行连接，如图3所示。
图3 GSM短信模块与主控单元通信示意图
2.5显示单元
显示单元采用2.4寸彩色tft液晶显示器，显示色彩为262 k（26万色），成像细腻，具有显示效果好、功耗低等优点。显示单元原理图如图4所示。
图4 显示单元原理图
引脚说明：1脚，接地（GND）；2脚，电源引脚（Vcc）；4脚，控制寄存器/数据寄存器选择引脚（RS），低电平时选择控制寄存器；5脚，写信号引脚（RW），低电平时有效；6脚，读信号引脚（RD），低电平时有效；7～14脚为8位数据总线（DB0～DB7）；15脚为片选（CS），低电平时有效；16脚，复位脚（RST），低电平时有效；3、17、18脚悬空。显示单元显示效果见图5.
图5 显示单元显示效果
2.6供电单元
供电单元使用9 V直流电源输入。输入的电源在系统内分为两部分，一部分直接供GSM短信模块使用，一部分经LM2596电源模块降压至5 V后供其他模块使用。LM2596是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，最大输出电流为3 A，功耗小，效率高，具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等，足以满足主控单元、时间单元等模块的电源需求。
2.7上位机软件
上位机软件采用Microsoft公司出品的Visual Basic 6.0软件进行设计与开发，通过调用MSComm控件实现与主控单元单片机之间的双向串口通信。
1）上位机软件部分源程序：
2）上位机软件运行效果，见图6.
图6 上位机软件运行界面图
3结束语
本智能药箱的设计，采用软硬件结合的模块化设计，实现了用户能够随时掌握用药信息并按时吃药的目的。通过任意一台装有上位机软件的电脑终端，均可方便地录入信息，智能药箱接收信息后会将信息显示出来方便用户查看。显示单元对信息的显示直观、简洁、明了，良好的用户界面方便用户随时掌握自己的用药情况。
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