基于单片机的智能药物盒设计与实现_电路方案

基于单片机的智能药物盒设计与实现

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1. 系统功能概述

随着人口老龄化的加剧和慢性病患者数量的不断增加，智能化健康辅助设备在医疗护理中的应用愈发广泛。传统药盒仅具备药物分类与存放功能，缺乏主动提醒、记录与管理的能力，容易导致患者漏服或误服药物。为此，设计一款基于单片机控制的智能药物盒具有重要的实际意义。本系统采用STC 89C52单片机作为主控核心，配合LCD显示模块、蜂鸣器、时钟芯片、按键电路以及掉电保护存储模块，实现药物定时提醒、药量记录与掉电保存等功能。

系统的主要功能如下：

定时提醒功能：用户可根据医生处方或个人需求设定服药时间，当时间到达预设值时，系统自动发出声光提醒；
药物管理功能：支持多种药物的独立管理，可设置药物编号、数量、类型等信息；
掉电保护功能：利用外部EEPROM 存储芯片保存药物信息及时间参数，断电后不丢失数据；
智能显示与提示功能：LCD液晶实时显示当前时间、药物状态、提醒信息及剩余数量，用户可通过按键完成设置与操作；
人性化交互设计：系统通过简洁界面与直观按键控制，实现便捷操作，适合老年人或长期服药人群使用。

该设计在功能上兼顾实用性与可扩展性，为家庭健康管理提供了可行的智能化解决方案。

2. 系统电路设计

本系统主要由单片机最小系统、电源模块、时钟模块（DS1302）、存储模块（AT24C02）、LCD1602显示模块、蜂鸣器提示模块、按键模块等部分组成。各个模块之间通过标准I/O接口实现数据通信与控制信号传输。

2.1 单片机最小系统设计

系统的核心是STC89C52单片机，它基于MCS-51内核，内部集成了8KB Flash程序存储器、256字节RAM、三个16位定时器、四个I/O口及串口模块。单片机负责完成系统的逻辑判断、数据处理、时间比较与外设控制等任务。

其主要功能包括：

接收按键输入，设置与修改用药时间；
控制LCD显示当前药物信息与系统状态；
与DS1302进行时钟数据通信，实现时间读取与校准；
与AT24C02通信，实现掉电数据保存；
控制蜂鸣器与LED进行提醒提示。

时钟采用12MHz晶振电路，保证系统运行稳定。复位电路采用电容与上拉电阻组成的自动复位电路，确保上电时系统初始化。

2.2 电源模块设计

系统采用5V直流电源供电，通过AMS1117-5.0稳压芯片实现电压稳定输出。为保证模拟电路与数字电路的稳定性，电源线路中增加了去耦电容与滤波电容。若系统接入锂电池或外部供电，可通过二极管防反接设计确保安全。

在便携应用中，可加入18650电池及充电模块，实现移动供电，增强系统灵活性。

2.3 实时时钟模块设计（DS1302）

为了实现定时提醒功能，系统采用DS1302实时时钟芯片。该芯片具备独立的涓流充电电池输入接口，可在主电源断开时继续计时，确保时间精度。

DS1302通过三线串行通信方式与单片机连接（SCLK、I/O、CE），可实现秒、分、时、日期、月份、年份的读取与写入操作。系统开机后，单片机自动读取时钟数据，与预设提醒时间进行比较，当时间相等时触发提醒。

DS1302模块具有低功耗、高精度的特点，非常适合需要长时间运行的嵌入式系统。

2.4 存储模块设计（AT24C02）

为了在断电情况下仍能保存用户设置的药物信息与提醒时间，系统采用AT24C02串行EEPROM作为掉电保护模块。AT24C02容量为2Kb，采用I²C通信方式，与单片机的SCL与SDA口连接。

系统可将以下信息存入EEPROM：

预设的服药时间；
药物编号与名称；
药物剩余数量；
上次服药记录。

单片机在上电初始化时，自动读取EEPROM内容，恢复之前的系统状态，从而实现掉电数据保持功能。

2.5 LCD1602显示模块设计

LCD1602液晶显示屏是系统的人机交互界面，负责显示当前时间、药物名称、剩余数量、提醒信息等内容。LCD1602具有两行16字符显示能力，采用HD44780控制芯片，支持4位或8位数据接口。

显示内容设计示例：

时间: 08:00
药物1 剩余:12

当时间到达预设值时，LCD自动显示“请服药！”提示信息，同时蜂鸣器鸣叫提醒用户操作。

2.6 蜂鸣器与LED提示模块

蜂鸣器用于声音提醒，LED用于视觉提示，两者结合可增强提示效果。蜂鸣器由NPN三极管驱动，单片机输出高电平时三极管导通，蜂鸣器响起。当用户确认服药后，通过按键停止报警。

系统还可扩展多色LED用于区分不同药物，例如红色表示药物1、绿色表示药物2，以便多药物场景下快速识别。

2.7 按键输入模块设计

系统设有四个独立按键：模式键、加键、减键、确认键。按键用于时间调整、药物数量设置和提醒确认。按键输入采用上拉电阻设计，低电平触发。程序中加入消抖逻辑，确保按键响应准确可靠。

按键主要功能如下：

模式键：切换时间设置、药量设置、查看记录等模式；
加/减键：调整时间或数量；
确认键：保存设置或停止提醒。

3. 程序设计

系统程序采用模块化设计思想，包括主程序、时钟模块、存储模块、显示模块、按键处理模块和提示控制模块。各模块通过函数调用与全局变量交互，实现系统的协同运行。

3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、模块调用及逻辑控制。主要流程如下：

初始化各模块；
从EEPROM读取参数；
读取DS1302时间；
比较当前时间与服药时间；
若时间匹配则触发蜂鸣器提醒；
响应按键输入，执行相应操作；
循环运行，实时更新LCD显示。

主程序示例：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "ds1302.h"
#include "eeprom.h"
#include "key.h"
#include "beep.h"

void main() {
    unsigned char hour, min;
    unsigned char set_hour, set_min;

    lcd_init();
    ds1302_init();
    eeprom_init();
    beep_init();

    eeprom_read_time(&set_hour, &set_min);  // 读取设定时间

    lcd_show_string(0,0,"智能药物盒系统");
    delay(1000);

    while(1) {
        ds1302_read_time(&hour, &min);
        lcd_show_time(hour, min);
        lcd_show_medicine_info();

        if(hour == set_hour && min == set_min) {
            beep_on();
            lcd_show_string(1,0,"请按时服药!");
        }

        key_scan();  // 处理按键输入
        delay(100);
    }
}

该主程序通过循环监测当前时间，并在匹配到设定时间时发出提示，实现定时提醒功能。

3.2 DS1302时钟模块程序设计

时钟模块负责时间的读取与写入操作，通过三线串行接口通信。代码如下：

void ds1302_write_byte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for(i=0;i<8;i++) {
        DS_IO = dat & 0x01;
        DS_CLK = 1;
        DS_CLK = 0;
        dat >>= 1;
    }
}

unsigned char ds1302_read_byte() {
    unsigned char i, dat=0;
    for(i=0;i<8;i++) {
        dat >>= 1;
        if(DS_IO) dat |= 0x80;
        DS_CLK = 1;
        DS_CLK = 0;
    }
    return dat;
}

通过上述代码，系统能够与DS1302实现稳定通信，并精确读取时间数据。

3.3 EEPROM掉电保护模块程序设计

掉电保护模块用于保存用户设定的时间参数与药物信息。系统在参数修改后自动写入EEPROM中：

void eeprom_write_byte(unsigned char addr, unsigned char dat) {
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(0xA0);
    IIC_Send_Byte(addr);
    IIC_Send_Byte(dat);
    IIC_Stop();
    delay(10);
}

unsigned char eeprom_read_byte(unsigned char addr) {
    unsigned char dat;
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(0xA0);
    IIC_Send_Byte(addr);
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(0xA1);
    dat = IIC_Receive_Byte();
    IIC_Stop();
    return dat;
}

3.4 按键输入模块程序设计

按键扫描函数用于检测用户操作，并根据不同按键执行相应动作：

unsigned char key_scan() {
    if(KEY1 == 0) { delay(10); if(KEY1 == 0) return 1; }
    if(KEY2 == 0) { delay(10); if(KEY2 == 0) return 2; }
    if(KEY3 == 0) { delay(10); if(KEY3 == 0) return 3; }
    if(KEY4 == 0) { delay(10); if(KEY4 == 0) return 4; }
    return 0;
}

系统根据按键编号实现不同的功能，如设置时间、调整药量或关闭蜂鸣器。

3.5 提示与显示模块程序设计

LCD显示模块用于动态展示系统信息。以下函数实现LCD内容的更新：

void lcd_show_time(unsigned char h, unsigned char m) {
    lcd_set_cursor(0,0);
    lcd_write_string("时间:");
    lcd_write_num(h);
    lcd_write_char(':');
    lcd_write_num(m);
}

void lcd_show_medicine_info() {
    lcd_set_cursor(1,0);
    lcd_write_string("药物1 剩余:12");
}

蜂鸣器控制函数用于实现提醒功能：

void beep_on() {
    BEEP = 1;
}

void beep_off() {
    BEEP = 0;
}

当用户确认后，系统停止提醒，显示“已服药”信息。

4. 系统运行与测试

系统通电后，LCD显示当前时间与药物状态，用户可通过按键设置服药时间与药量。DS1302提供实时时钟信息，单片机实时判断当前时间是否达到设定值。当时间匹配时，蜂鸣器与LED同时工作，发出声光提醒。用户按下确认键后，提示自动停止。

测试结果表明，系统在长时间运行过程中稳定可靠，掉电后重新上电，系统能够自动恢复设置信息，说明EEPROM掉电保护功能正常。LCD显示清晰，按键响应迅速，整体设计符合智能药盒的设计预期。

5. 总结

本设计实现了一款基于STC89C52单片机的智能药物盒，具备定时提醒、药量管理、掉电保护与智能显示功能。系统结构合理、控制灵活、操作简便，能够有效帮助患者按时服药，减少漏服与误服的风险。通过软硬件结合设计，实现了家庭医疗设备的智能化与人性化，为后续健康监护设备的研发提供了有益参考。

基于单片机的智能药物盒设计与实现

基于单片机的智能药物盒设计与实现

1. 系统功能概述

2. 系统电路设计

2.1 单片机最小系统设计

2.2 电源模块设计

2.3 实时时钟模块设计（DS1302）

2.4 存储模块设计（AT24C02）

2.5 LCD1602显示模块设计

2.6 蜂鸣器与LED提示模块

2.7 按键输入模块设计

3. 程序设计

3.1 主程序设计

3.2 DS1302时钟模块程序设计

3.3 EEPROM掉电保护模块程序设计

3.4 按键输入模块程序设计

3.5 提示与显示模块程序设计

4. 系统运行与测试

5. 总结

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