基于单片机和GSM模块的智能药盒设计

　摘要

为了能够帮助老年人群体以及一些需要的患者，使他们能够按时吃药以防止自身疾病的恶化，这种具有定时以及远程提醒功能的一种智能药盒被设计出。

硬件方面，这个系统是以STC89C51RD+单片机为主体来控制整个逻辑功能，包括按键处理模块、语音模块、显示模块、短信模块等部分。通过按键模块，人机交互的功能被更好的体现，ISD1820语音模块可以实现语音的录放功能，使闹钟的铃声更加多样，LCD1602被用来清晰直观的显示当前时间及闹钟的设置，当闹钟响起一段时间后依然无人停下闹钟，即患者未能按时吃药，那么这时短信模块发挥作用，能够自动给提前设定好的家人号码发送短信，使家人能够通过其他途径使患者能够按时吃药。软件方面，单片机与c语言结合，由一个主程序和若干个子程序组成，各个模块的程序代码相互独立，便于某个地方的修改。

此系统在日常生活中的应用十分广泛，有效防止忘吃药、过时吃药等现象的发生，可以大量投放到医院、养老院、家庭等场所，具有很强的现实意义。

　关键词：51单片机；智能药盒；DS1302时钟模块；GSM短信收发；语音模块

　　前言

智能药盒与普通药盒相比，拥有更特殊更方便的功能，能够更好的服务于病人，特别是老年人群体。智能药盒基于通用药盒，将进一步添加更好的为人们服务的各种功能，例如使用语音提示患者定期服药。除了定时的服药提醒之外，本次设计得智能药盒还可以与家人保持联系，在病人未能及时吃药的情况下，向预先设定好的家人号码发送短信，使家人能够及时采取其他方式来提醒病人吃药。因此，与普通药盒相比，智能药盒有更显著的优势，更加人性化，更加贴近生活，更好的服务于病人，病人不需要因为吃药这件事情花费太多的精力和时间。从心理上也可以减弱因为没有按时吃药而给病人但来的负担和焦虑。

一方面，生活条件随着社会的发展日益被改善，再加上许多人尤其是青少年群体不良的生活习惯，患上了一些慢性疾病，需要长期服药，也造成了目前的一大主流趋势——“服药年轻化”。另一方面，21世纪的中国发展迅速，在发展的道路上不仅仅是中国甚至是全世界都会面临的人口老龄化的问题，面对老龄化的社会首先要关注的是老年人的身体健康。对于老年人来说，由于年龄的增长，会出现一些常见性疾病，如心血管疾病、高血糖、高血压等，都需要长期用药物来维持正常并逐渐能够治愈，而老年人的记忆力和生活习惯等都可能会导致吃药的不及时，这给老年人和她们的家人都带来了很大的负担。众所周知，一旦没有通过药物控制就有可能出现不可预估的后果，因此这就决定了他们对智能药盒的特殊需求。

如今，帮助需要人群的智能技术日益重要，年轻人有繁忙的工作致使他们没有空闲去顾及吃药的问题，未能按时吃药甚至是忘记吃药；而老年人有自身的问题，随着年龄增长，自身机能和记忆力的衰退给他们的日常生活带来问题，更严重者会丧失自理能力，需要人来照顾，重复吃药、忘记吃药、过时吃药的现象时常发生，这会带来严重后果，身体也因此受到了极大的伤害。根据研究表明，有超过1/3的慢性疾病并发症都是因为不能按时吃药，科学服药的重要性不言而喻。在设计方面，单片机技术快速发展，以单片机为核心的大规模集成电路在各种产品中得到了得到了非常广泛的应用。当数字电路以单片机为核心时，它的功能就会非常丰富而且所占体积较小，功耗也会较低，这与智能药盒的特点也相呼应，给人们带来了极大的便利，具有极大的市场潜力和开发价值。

通过以上问题的分析，想出本次设计来更好的解决吃药的问题，本设计具有自主定时提醒、语音录入、短信发送的功能，操作简单，设计简易。老年人可以随身携带智能药盒，一旦吃药时间到来就会发出语音提醒，若为及时吃药，家人也可得到及时的信息反馈，从而可以保证吃药的科学性。

　第一章总体设计方案

　　1.1总设计思路

本设计以STC89C516RD+单片机为主体来处理整个智能药盒要实现的逻辑功能，通过LCD1602显示屏被用来显示当前时间以及设置闹钟和时间的页面，DS1302时间芯片来实现当前时间的显示以及定时时间，SIM800L模块实现短信息的通信达到提醒家人的目的，也实现了软硬件的结合，ISD1820语音模块可以任意录制并播放定制的闹钟铃声实现录放功能，独立按键使人机交互能够更好的实现。

　1.1.1总体设计图

按照设计思路和具体实现方式，智能药盒的系统框图如图1-1所示。

　　图1-1 系统总体设计框图

1.2设计清单

本次设计所用到的元件如表1-1所示：

表1-1 元件表

　1.3功能概述

基于单片机和GSM模块的智能药盒的设计主要包括六个部分。 最小系统为单片机，按键处理模块，时钟电路，音频模块，LCD显示屏，短信模块。 将闹钟接口与DS1602时间模块和按键处理模块结合使用，以此来改善人机交互；ISD1820语音模块可以录制任意语音并且可以播放以达到检验录制效果的目的，在所设置闹钟时间到来时，语音响起，此时若按下任意键，说明达到提醒吃药的目的；若闹钟响起超过两分钟且无人按下任意键，说明未达到提醒吃药的目的，那么就通过SIM800L短信模块，向提前设定好的家人号码自动发送一条短信，来使家人了解病人情况进而可以及时采取其他方式来提醒病人在规定时间吃药。

　第二章电路控制系统的硬件设计

硬件的组成是整个电路控制系统功能的实现不可或缺的，在此次智能药盒的设计里硬件设计主要是由单片机最小系统、LCD1602液晶显示屏、GSM模块、DS1302时间芯片、ISD1820语音模块五个部分组成，各个硬件设计的功能如下所示。

　　2.1 单片机最小系统

　　图2-1 STC89C51RD+单片机

基于单片机和GSM模块的智能药盒设计用的单片机是STC89C51RD+，STC89C51RD+系列单片机是被宏晶科技发明的，它是一款超高速且低功耗的单片机，与传统8051单片机相比，指令代码与其十分兼容，12个机器周期和6个机器周期可以任意选择，当它的时钟频率达到12MHz以下时，复位脚可接地。它的主要性能如下：

增强后的6个时钟周期，12个时钟周期的CPU5V单片机的工作电压是5.5V-3.8V，3V单片机的工作电压是3.8V-2.4V工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz用户的程序应用内存从4k、6k、7k字节到61k字节不等，空间十分丰富，选择多片上集成1280/512/256字节总共三个16位定时器，其中两个8位定时器可以被当作定时器0外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，通过外部中断低电平触发中断方式，Power Down模式可以被唤醒单片机的工作温度为0-75℃，同时温度范围为-40-+85℃也可以完成工作

2.2 LCD1602液晶显示屏

　　图2-2 LCD1602显示屏

LCD1602显示屏的应用在我们的生活中无处不在，在本次设计中的应用，使功能能够更加直观，第一行是导航栏的显示，第二行是时间栏的显示，包括时、分、秒，清晰明了的能够看到时间和闹钟。LCD1602的各引脚接口如图2-3所示。

　　图2-3 LCD引脚功能表

　2.3 GSM模块

　　图2-4 SIM800L

说起全球移动通信系统，目前为止受到人们广泛欢迎以及应用最广的就是GSM，它的英文全称是Global System for Mobile Communication。通常，GSM基本具有三个功能：语音通信，短消息和数据通信。三个功能中短信消息的也是使用最广泛的，此功能可以做到时刻在线、价格便宜、覆盖面广阔，因而尤其适用于流量小的数据传输。本次智能药盒的设计采用的是SIM800L通过AT指令来实现控制，所以整个模块只需要电源和串口就可以实现功能了。

将AT格式命令通过单片机的串行端口发送到模块来控制模块。 这是控制SMS模块的方法。 以GA6AT命令为例，它的基本配置如表2-1所示。

表2-1 GA6AT指令基本配置

SIM800L模块的大小是15.8*17.8*2.4mm，这个大小几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求。模块和用户之间的物理接口是一个88 LGA焊盘，它填充了所有提供的硬件接口。同时，SIM800由于休眠模式下仅耗电0.7mA,这是一个非常省电的设计。它具有以下功能：

最多可支持50个按键有一路全功能的串口，能够根据实际需要，实现配置成两个独立的串口。有一个USB接口，可以模拟一个串行端口。 这对于客户调试和下载软件很有用。麦克风的输入和受话器的输出是SIM800L模块所包含的两路音频接口可编程的通用输入输出接口（GPIO）一路SIM卡接口支持FM功能PWM功能引脚

2.4 DS1302时钟芯片

　　图2-4 DS1302时钟芯片

DS1302被X生产的，它是一种充电时钟芯片，拥有高性能和低功耗的特点。 从年到秒精确计时，并且可以通过闰年补偿来设置12或24小时制，贴近现实，方便实用。同时，在本次智能药盒的设计中，考虑到传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，不能对具体的时间进行记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；而若采用单片机及时，不仅需要计数器占用硬件资源，而且需要设置中断、查询等功能，这大大的耗费了单片机的资源而且某些测控系统可能不允许这么做。所以在此系统选用了DS1302时钟芯片，能够更好的实现对时间的计时。

　2.5 ISD1820语音模块

　　图2-5 语音模块

此设计的语音模块所用的芯片主要是ISD1820，工作电压是直流3-5V，主要特点如下：

语音的录放十分方便的即可实现语音被高质量、自然的还原可用作喊话器模块可以实现循环播放、点动播放、单遍播放的功能可用单片机控制可以直接驱动8欧姆0.5瓦小喇叭值得注意的是，在这个模块中REC键被用作录音功能，按住即可录音，松开按键则停止录音；PLAYE键触发模式的放音键，按一下就可以播放整段的录音；PLAYL键被用作点动模式下的放音，按住才会放音，松开则停止放音；RPL跳线用来对是否循环播放进行控制，用来实现循环播放；FT跳线被用作直通控制，接上线后咪头发出的语音会直接通过喇叭放音。

　第三章 电路控制系统的软件设计

　　3.1 模块的整体设计流程

系统接入电源，首先进行的是各个模块的初始化过程，智能药盒的设计包括的模块主要有：LCD1602液晶显示模块、GSM模块、DS1302时钟模块、ISD1820语音模块及相关变量等。初始化过程结束后，单片机控制整个逻辑过程，LCD1602显示信息，包括当前时间、当前时间的设置以及三个闹钟的设置。在设定好三个闹钟后，待闹钟时间到来，语音模块开始响起同时伴随着发光二极管的闪烁提醒患者吃药，此时若2min内按下任意键闹钟停止响，整个过程结束；若2min已过无人按下任意键则闹钟一直响并向提前设置好的家人指定号码发送短信以使家人采取其他措施来提醒患者吃药，待按下任意键后整个过程结束。通过图3-1可以更清晰明了的表达整个过程。

　　图3-1 整体设计流程

　3.2 各c语言编译

c语言是一种高级语言，应用十分广泛，除了常见的高级语言功能外，C还可以很好地操纵基础硬件接口。如果某些基于c语言定义的MCU端口或特殊功能寄存器，也可以称为单片机 c语言，因为在编写语句时可以直接直观地编写。单片机C是基于C语言的单片机编程。c51编译器被用于单片机c语言的编程，所生成的目标代码短，执行速度快，存储容量小，符合c语言ANSI标准，而且可与几种语言目标代码混合使用。

在本设计中，单片机软件的编程开发使用c语言作为编程语言，运用模块化程序结构，设置按钮模块程序，SMS模块程序，语音模块程序，时钟模块程序，显示存储模块程序等，将这些程序写入系统， 主程序结合了多个子程序模块，以实现单片机控制整个模块的整体功能。

3.3 整个提醒过程设计流程

在设定好三个闹钟后，待闹钟时间到来，语音模块开始响起同时伴随着发光二极管的闪烁提醒患者吃药，此时若2min内按下任意键闹钟停止响，整个提醒过程结束；若2min已过无人按下任意键则闹钟一直响并向提前设置好的家人指定号码发送短信以使家人采取其他措施来提醒患者吃药，待按下任意键后整个提醒过程结束。

第四章 开发板设计制作过程

　　4.1 设计原理图

本次智能药盒的设计原理图如图4-1所示。

　　图4-1 系统设计原理图

　4.2 各部件焊接接线图

　　4.2.1 独立按键

图4-2 按键接线图

　　本次设计中用到了独立按键和语音模块的录放控制按键，可以进行时间的设置和语音的录制播放，能够更好的实现人机交互。

按下轻触开关打开电路，松开手之后，电路仍保持连接状态，并且电路再次断开。 按下轻触按钮以连接电路，然后松开以断开电路连接。由于组件尺寸小且机械强度低，为了与电路板安全地连接以确保电路的连接并减小接触电阻，需要使用两组接触板，因此需要四个引脚，如继电器，一对是常开触点，另一对是一组，通常是闭合触点。

焊接开关时，有必要在制造时检查条件。注意，根据使用条件，端子可能会变形，变形或劣化。由于4脚按键开关的热应力影响，有必要在使用前做好确认的准备。

在两次焊接中，第一次焊接后，必须恢复到室温并执行第二次焊接。此时如果继续加热，4脚按键开关的形状将会改变，端子可能会掉落，并且电气特性可能会下降。4脚按键开关的电阻性负载是预先设计的，在使用其他负载时需要小心，要提前进行确认。

　　4.2.2 LCD1602液晶显示

　　图4-3 液晶显示屏接线图

LCD1602液晶屏被广泛用于工业产品上，它的显示屏能够显示32个字符，价格便宜，编程简单而且稳定可靠。LCD1602的LCD屏幕是点阵图形显示器，它的显示原理非常简单，是通过LCD屏幕中的两种液晶材料都会改变的原理来显示不同的字符由于液晶是流体物质，几乎不需要力便可以移动液晶分子。以最普通的向列型液晶为例，液晶分子可以在电场作用下容易地旋转。因为液晶的光轴与分子轴完全对准，因此可以产生光学效果。当去除施加到液晶上的电场时，液晶利用其自身的弹性和粘度，并且液晶分子迅速返回到施加电场之前的状态。LCD1602 LCD屏幕使用电压来改变两个平行板之间填充的液晶材料中分子的排列，并提供不同的阴影和偏移的光透射率以显示失真的图像。

在本次设计中所用的LCD1602液晶显示屏呈现的是两行显示，第一行显示的是导航栏，第二行是时间显示栏，包括时、分、秒。

　第五章 PCB制版以及仿真

　　5.1 PCB制版图

　　5.1.1 画原理图

1、单片机最小系统

　　图5-1 单片机最小系统原理图

2、按键处理部分

　　图5-2 按键处理部分原理图

3、时钟模块

　　图5-3 时钟模块原理图

4、显示模块

　　图5-4 1602显示模块原理图

5、语音模块

　　图5-5 ISD1820语音模块原理图

6、短信模块

　　图5-6 GSM短信模块原理图

7、led模块

　　图5-7 led模块原理图

　5.1.2 PCB布线图

　　图5-8 PCB布线图

5.2 仿真图

　　图5-9 仿真图

　第六章作品实物图

　　6.1 焊接实物图

图6-1 焊接实物图

　6.2 操作图

　　6.2.1 液晶屏初始状态

　　图6-2 显示屏初始状态图

6.2.2 设置当前时间

　　图6-3 设置当前时间图

6.3.3 设置三个闹钟

图6-6 闹钟3设置图

6.3.4 闹钟响起

以第二个时钟为例，闹钟时间到来后，语音模块的咪头放音，并且伴随着发光二极管和led等的闪烁。

　　6.3.4 发送短信

如图6-8所示，黄色箭头所指为SIM卡插入的地方，插入后需要短时间的初始化，当LCD1602显示屏右上角由“×”变为“O”后说明初始化成功，SIM800L模块可以正常使用。图6-9所示为未按时吃药向指定家人号码发送的短信提醒。

　　图6-8 短信模块初始化成功图

图6-9 成功发送短信图

　结论

智能药盒设计的整个系统由单片机STC89C51RD+、LCD1602液晶显示屏、GSM模块、DS1302时钟芯片、ISD1820语音模块组成。单片机最小系统来控制整个逻辑，ISD1820语音模块可以实现语音的录放功能，使闹钟的铃声更加多样，LCD1602显示当前时间及闹钟的设置，能够更加清晰直观，当闹钟响起一段时间后依然无人停下闹钟，即患者未能按时吃药，那么这时短信模块发挥作用，能够自动给提前设定好的家人号码发送短信，使家人能够通过其他途径使患者能够按时吃药。软件方面，单片机与c语言结合，由一个主程序和若干个子程序组成，各个模块的程序代码相互独立，便于某个地方的修改。

智能药盒这个方向是自己一直感兴趣的题目，从家里的老人身上得到启发，认为这是一个很有意义的设计方向，在选题的时候就毫无犹豫地定了这个题目，搜集了很多资料，当时对硬件方面的熟悉程度少之又少，加上对单片机c语言的编程经验也不足，因此在写代码的过程中耗费了不少时间，翻课本、看博客、学代码等，遇到难以理解的部分询问同学和老师，积极讨论，认真思考，往后就越来越熟悉代码的编写；硬件方面，自己想实现的功能需要哪些部件来实现都是去查阅相关文章和作品知道的，了解了短信模块和DS1302时钟模块的原理，画原理图和PCB制版图的时候因为有单片机课程的基础相对顺利一些但其中也出现了接线、数值设置不合适等问题，经过反复检查和重新再来一遍的方式最终都可以一步一步的解决问题。调试的过程中，程序总是出现错误，主要是在子函数的编写和主函数的引用出现问题，经过调试和更改不断在编程中改良最终完成了此次毕业设计。

在整个过程中，令我收获最大的就是仿真的过程，因为仿真是自己从来没有接触过的，所以在软件的安装和使用上都出现了很大的问题，因此减缓了整个毕设的完成节奏，有困难就有进步，现在的自己已经可以对仿真应用自如了。通过这次的毕业设计自己也对软件和硬件的结合有了更加熟练的应用和掌握，对于自主解决问题方面也有了极大的提升。

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　　致谢

凡是过往，皆为序章。目之所及，皆是回忆。四年的时间，自己刚刚进入大学时的场景仍历历在目，经过知识的洗礼，在不知不觉中成长。临沂大学是我人生旅途中一个美好的站牌，在这里，我遇到了关心我的老师和同学，收获了友情和师生情。

这次毕业设计是为自己大学生活画上一个圆满的句号的途径，通过大半年的学习，最终完成了此次毕业设计。通过此次的毕业设计让我对单片机有了更进一步的理解与掌握，对单片机的使用程序也更加熟练了，实现了自己最初的想法——基于单片机和GSM模块的智能药盒设计。从最初的毫无了解到后来的慢慢熟悉，过程中茫然过、惆怅过但也成功过、喜悦过，最终在整个过程中收获了很多。

首先，我要诚挚的感谢我的指导老师，老师治学严谨且平易近人，教学一丝不苟，对待学术，老师认真负责，积极地帮助我完成开题、毕业设计的指导、论文的修改等工作，给我提出宝贵的意见以及完善我的毕业设计功能，让我以最高效率完成论文和别也涉及。老师不仅对我的毕业设计和论文积极指导和督促，还十分关心我的就业和升学问题，在这里，再次感谢老师带给我的帮助，衷心祝愿老师身体健康，工作顺利。其次，我还要感谢在整个过程中带给我帮助的同学，在我遇到困难想放弃的时候，是和我一起前进的同学带给我鼓励和帮助，感谢所有帮助过我的人。最后，感谢在百忙之中参加此次论文评审的所有专家老师，感谢你们的意见和指正。

基于单片机和GSM模块的智能药盒设计

价格 ¥9.90 发布时间 2023年5月12日

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