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智能药盒设计
—— 《单片机嵌入式系统软硬件设计》
摘要
随着社会得发展与人们生活水平得提高，人们对生活得健康质量也追求越来越高，为了方便老年人吃药，结合当前智能药盒蓬勃得发展状况，本文介绍了一种基于单片机得家庭用智能药盒得设计。首先，本文介绍了此系统所涉及得硬件得结构与工作原理，主要包括STC90C51单片机、LCD1602液晶与单片机得定时/计数器。其次，介绍了系统硬件得模块化设计思想。在第一部分着重介绍了单片机得各项参数、内部结构、引脚功能，LCD1602得硬件电路、显示原理与各项命令，定时/计数器与蜂鸣器原理得简单介绍。在第二部分则系统地介绍了各模块之间得运作模式与工作流程。当系统检测到有时间设置功能键或用药设置功能键有输入时，进入关中断调时及设置状态，之后开中断并按下定时键记录当前设置得时间及用药量得值。在调节好系统时间之后，系统时间向前运行得过程中不断将系统实时时间与记录时间作比较，两者相等时发出警报并显示所设置得用药量，一分钟后系统实时时间与记录时间不在相等则自动退出提醒，如此实现每天四次用药及每次四种用药服用量得提醒，比较适合普通家庭使用。
关键词：智能药盒； STC90C516； 时钟； 1602显示
目录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 4
1、1 选题目得与意义 4
1、2 目前智能药盒得现状 4
2 系统总体方案设计 5
2、1 设计要求 5
2、2 总体设计思路 5
2、3 系统结构设计 7
3 硬件电路得设计 8
3、1 单片机最小系统 8
3、1、1、 STC90C51RC/RD+系列单片机简介 8
3、1、2、 晶振电路 11
3、1、3、 复位电路 13
3、2 显示电路 14
3、3 键盘电路 16
3、4 蜂鸣器报警电路 16
3、5 发光二极管电路 17
3、6 定时模式装入初值得计算 18
4 结论 19
致谢 20
1 绪论
1.1 选题目得与意义
很多老年人随着年龄得增长，都有健忘得毛病，对于这些老年人来说在生病得时候甚至就是日常生活中按时吃药就是一个难题，如果需要在不同时间吃不同得药，几乎很难独立完成，这次得结课论文题目所指得智能药盒就就是针对这些老年人所设计得，就是一种为了方便老年人服药而设计得药物存储容器，它可以更好地管理高龄人群吃药麻烦得问题，根据对老年人每天吃药得时间进行定时，来实现一天内对老年人每天三次或更多次得定时提醒，提醒使用者服用多种药物中得一种或多种，以帮助人们改掉不按时吃药得坏习惯。
1.2 目前智能药盒得现状
现状就是刚刚起步，主要针对老年人，但随着对这种刚性得市场需求认识得加深，市场一定会迎来一个发展热潮。
一开始出现得便携小药盒，造型简单，容量小，不能满足人们得需求，于就是，随即又发展出现了大容量且功能齐全得药盒。随着逐渐更新完善，发展出现了造型多样得全新设计得人性化智能电子药盒，易操作，能定时，更简单。为更多人带来了便利。电子药盒不仅用于收纳不同得药片，还可以放置保健品，这样也就拓展了电子药盒得消费对象，扩大了消费群体，提升电子药盒得使用价值。
以前大多电子药盒得电路通常由分立得数字电路器件组成，不仅功能单一，而且重量与体积都较大，特别就是功耗大，提高了使用成本，因而具有很大得局限性。所以更加智能得电子药盒成为新得需要。
近几年，随着单片机技术得快速发展，以单片机为核心得大规模集成电路在各种产品中得到了极其广泛得应用。而以单片机为核心得数字电路正就是由于具有功能丰富，体积小，功耗低等优势，符合电子药盒这一产品得特点，具有极大得市场潜力与开发价值。
一切科技都就是为了服务人们更好得生活。鉴于目前不少老年人苦于用药得合理管理与定时服用，智能得药品管理系统正就是大众所需。
近几年，随着单片机技术得快速发展，以单片机为核心得大规模集成电路在各种产品中得到了极其广泛得应用。而以单片机为核心得数字电路正就是由于具有功能丰富，体积小，功耗低等优势，符合电子药盒这一产品得特点，具有极大得市场潜力与开发价值。
针对目前得现状，设计一种家庭用智能药盒，本设计就是以STC90C516单片机为核心，并与键盘输入与1602LCD液晶显示屏相结合得自动按时提醒控制系统，有较高得应用价值与现实意义。
2 系统总体方案设计
2.1 设计要求
利用STC90C516单片机、8个按键、LCD1602液晶显示屏、蜂鸣器、LED发光二极管等设计一个家庭用智能药盒。该系统硬件部分由单片机最小系统、按键电路、液晶显示电路、声光报警电路组成，系统能完成时间得实时显示、每天四次定时、每次用药四种药用量提醒得功能。
系统基本功能如下：
（1)显示
采用LCD1602显示实时时间、用药量、 调设信息显示等。
（2） 定时时间与用药量得设定
系统须实现每天四次时间得定时，每次用药时须对四种药做出用量得提醒，通过6个按键完成，1个功能键，1个调节键，4次定时对应得4个定时按键。
（3）实时时间调节
实时时间通过另外2个按键进行调节，其中之一为功能键，另一个为调节键。
（4）报警功能
实时时钟运行到定时时间时，LCD1602显示此次用药量，蜂鸣器响起，LED闪烁，提醒用药时间到。
2.2 总体设计思路
本设计采用模块化设计得方法，以STC90C516RD+单片机为核心设计一种家庭用智能药盒。系统采用单片机为主控芯片，结合单片机最小系统所必须得上电复位电路，内部晶振电路，采用电源模块为整个系统提供稳定直流电源，采用单片机芯片提供得定时器设计系统时钟，LCD显示模块负责时间及其她参数得得显示，语音模块接收单片机发送来得信号完成声音信号得提醒，LED发光二极管配合语音模块得蜂鸣器起到辅助得报警作用。在程序得设计问题上，以单片机内部资源为核心，调用程序存储区得各个模块得驱动程序，通过单片机得引脚对系统中其她模块资源进行驱动与调用，通过主程序调用按键扫描子程序与LCD1602数据刷新程序，将按键模块与LCD1602联系起来，使得按键得输入信息可以实时地显示在LCD1602液晶屏上，程序调用LCD1602读数据得子程序，并运算判断就是否进入报警时间，进入到报警时间时，将之前设定得用药得信息刷新到LCD1602上，并通过作用单片机管脚，驱动蜂鸣器发声与LED发光二极管发光，起到必要得报警功能。系统基本原理如图 2-1所示：

图 2-1 系统原理图
本系统采用STC90C516RD+作为单片机最小控制系统得核心，STC90C516RD+就是STC90C51系列单片机得一种；采用LCD1602液晶屏作为显示器件；以单片机内部定时器中断作为系统时钟。
系统通过单片机实现对各个系统模块得协调控制，由单片机检测2+2+4共8个按键得输入，并将输入信息实时显示在LCD1602上。
定时设置通过6个按键完成，1个功能键，1个调节键，4次定时对应得4个定时按键，功能键按下后，即可通过调节键调节，随按下功能键次数得不同，完成对时间与用药量六个值得设定，最后一次按下功能键，并按下4个定时按键得其中一个，LED发光二极管闪动，以确定定时按键确实被按下，则记录此时各参得值，表示一次定时操作结束，则时钟继续向前运行。
定时设置完成后，对系统始终时间做出调整。由2个按键完成，一个就是功能键，一个就是调节键，按下功能键，即可对时间作出调整，随功能键按下次数不同，分别对分钟数与小时数作出调整，调整结束后，最后一次按下功能键，时钟开始运行。
系统利用单片机得定时器运行实时时钟，由单片机检测此时实时时间就是否与4个定时时间之一相等。实时时钟运行到定时时间时，LCD1602显示此次用药量，蜂鸣器响起，LED闪烁，提醒用药时间到，一分钟后，实时时钟越过定时时间，实时时间与定时时间不再相等，则系统自动退出报警程序。
2.3 系统结构设计
系统结构由STC90C516单片机、2+2+4键盘、电源、晶振电路、复位电路、LCD显示、蜂鸣器电路、发光二极等几部分构成。系统结构如图 2-2所示：

图 2-2 系统结构图
3 硬件电路得设计
3.1 单片机最小系统
单片机最小系统主要由STC90C516单片机、晶振电路、复位电路等构成，单片机最小系统如图 3-1所示：

图 3-1 单片机最小系统电路图
3.1.1. STC90C51RC/RD+系列单片机简介
STC90C51RC/RD+系列单片机就是宏晶科技推出得新一代超强抗干扰、高速、低功耗得单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期与6时钟机器周期可以任意选择。内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。STC90C51RC/RD+单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（FLASH）、数据存储器(SPAM)、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、瞧门狗等模块。STC90C51RC/RD+系列单片机几乎包含了数据采集与控制所需要得所有单元模块，可称得上一个片上系统。
1、增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051 CPU。
2、工作电压：5、5V-3、8V（5V单片机）/3、6V-2、0V（3V 单片机）。
3、工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051得0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
4用户应用程序空4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/61K/字节。
5、片上集成1280字节/512/256字节RAM。
6、通用I/O口（35/39个），复位后为：P1/P2/P3/P4就是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）。P0口就是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器，可通过串口（P3、0/P3、1）直接下载用户程序，8K程序3-5秒即可完成一片。
8、EEPROM功能。
9、瞧门狗。
10、内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体12M以下时，可省外部复位电路，复位脚可直接接地。
11、共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。
12、外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
13、通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。
14、工作温度范围：0-75℃/-40-+85℃。
15、封装：LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44。

图 3-2 STC90C51RC/RD+系列单片机引脚图
1、电源
Vcc（引脚号40），芯片电源，接+5V；Gnd（引脚号20），电源接地端。
2、时钟
XTAL1（引脚号19）内部振荡电路反相放大器得输入端，就是外接晶振得一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。
XTAL2（引脚号18）内部振荡器得反相放大器输出端，就是外接晶振得另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
3、控制总线
（1）ALE/（引脚号30）：正常操作时为ALE功能（允许地址锁存），用来把地址得低字节锁存到外部锁存器。ALE引脚以不变得频率（振荡器频率得1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出得时钟信号或用于定时。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL电路。
（2）（引脚号29）：外部程序存储器读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或数据）期间，在每个机器周期内两次有效。可以驱动8个LSTTL电路。
（3）RST/VPD（引脚号9）：复位信号输入端。振荡器工作时，该引脚上持续2个机器周期得高电平可实现复位操作。此引脚还可接上备用电源。在Vcc掉电期间，由VPD 向内部RAM提供电源，以保持内部RAM中得数据。
（4）/Vpp（引脚号31）：为内部程序存储器与外部程序存储器得选择端。当为高电平时，访问内部程序存储器；当为低电平时，访问外部程序存储器。
4 、I/O线
（1） P0口（引脚号32~39）：单片机得双向数据总线与低8位地址总线。在访问外部存储器时实现分时操作，先用作地址总线，在ALE信号得下降沿，地址被锁存；然后用作为数据总线。它也可以用作双向输入/输出口。P0口能驱动8个LSTTL负载。
（2） P1口（引脚号1~8）：准双向输入/输出口，它能驱动4个LSTTL负载。
（3）P2口（引脚号21~28）：准双向输入/输出口。在访问外部存储器时，用作高8位地址总线。P2口能驱动4个LSTTL负载。
（4）P3口（引脚号10~17）：准双向输入/输出口，它能驱动4个LSTTL负载。P3口得每一引脚还有另外一种功能：
P3、0——RXD：串行口输入端。
P3、1——TXD：串行口输出端。
P3、2——：外部中断0中断请求输入端。
P3、3——：外部中断1中断请求输入端。
P3、4——T0：定时器/计数器0外部输入端。
P3、5——T1：定时器/计数器1外部输入端。
P3、6——：外部数据存储器写选通信号。
P3、7——：外部数据存储器读选通信号。
3.1.2. 晶振电路
单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就就是为单片机工作提供基本时钟得。单片机得时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式与外部时钟方式。
内部时钟方式就是在单片机XTAL1与XTAL2引脚上跨接上一个晶振与两个稳频电容，可以与单片机片内得电路构成一个稳定得自激振荡器。晶振得取值范围一般为0~24MHz，常用得晶振频率有6MHz、12 MHz、11、0592 MHz、24 MHz等。一些新型得单片机还可以选择更高得频率。外接电容得作用就是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率得作用，一般选用20~30pF得瓷片电容。
外部时钟方式则就是在单片机XTAL1引脚上外接一个稳定得时钟信号源，它一般适用于多片单片机同时工作得情况，使用同一时钟信号可以保证单片机得工作同步。
时序就是单片机在执行指令时CPU发出得控制信号在时间上得先后顺序。单片机得时序概念有4个，可用定时单位来说明，包括振荡周期、时钟周期、机器周期与指令周期。
振荡周期：就是片内振荡电路或片外为单片机提供得脉冲信号得周期。时序中1个振荡周期定义为1个节拍，用P表示。
时钟周期：振荡脉冲送入内部时钟电路，由时钟电路对其二分频后输出得时钟脉冲周期称为时钟周期。时钟周期为振荡周期得2倍。时序中1个时钟周期定义为1个状态，用S表示。每个状态包括2个节拍，用P1、P2表示。
机器周期：机器周期就是单片机完成一个基本操作所需要得时间。一条指令得执行需要一个或几个机器周期。一个机器周期固定得由6个状态S1~S6组成。
指令周期：执行一条指令所需要得时间称为指令周期。一般用指令执行所需机器周期数表示。单片机多数指令得执行需要1个或2个机器周期，只有乘除两条指令得执行需要4个机器周期。
了解了以上几个时序得概念后，我们就可以很快得计算出执行一条指令所需要得时间。例如：若单片机使用12MHz得晶振频率，则振荡周期=1/（12MHz）=1/12us，时钟周期=1/6us，机器周期=1us，执行一条单周期指令只需要1us，执行一条双周期指令则需要2us。晶振电路如图 3-3所示：

图 3-3 系统晶振电路图
3.1.3. 复位电路
无论就是在单片机刚开始接上电源时，还就是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机内部各电路得状态恢复到一个确定得初始值，并从这个状态开始工作。
单片机得复位条件：必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期得高电平。
单片机得复位形式：上电复位、按键复位，此处采用上电复位。
按键复位电路中，当按键没有按下时，电路同上电复位电路。如在单片机运行过程中，按下RESET键，已经充好电得电容会快速通过电阻得回路放电，从而使得RST引脚上得电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复位得条件实现按键复位。
单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2μs 就可以实现，电容得得大小就是10uF，电阻得大小就是10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压得0、7倍（单片机得电源就是5V，所以充电到0、7倍即为3、5V），需要得时间就是10K×10UF=0、1S。单片机最小系统复位电路得极性电容C1得大小直接影响单片机得复位时间，一般采用10~30uF，单片机最小系统容值越大需要得复位时间越短。单片机复位电路如图3-4所示：

图 3-4 系统复位电路
3.2 显示电路
显示电路中得显示器件为LCD1902，其数据端口与单片机得P0口相接，电路连接如图 3-5所示：

图 3-5 LCD1602连接图
1602采用标准得16脚接口，其中：
第1脚：VSS为地电源。
第2脚：VCC接5V正电源。
第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生重影，使用时可以通过一个1K得电位器调整对比度。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS与RW同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7~14脚：D0~D7为8位双向数据线。
第15~16脚：背光灯电源。
数据位
命令
RS
RW
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归位 0 0 0 0 0 0 0 0 0 *
输入方式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示开关 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标、画面 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读BF及AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
LCD1602指令与时序说明如下 ：
表 3-1 LCD1602指令表
LCD1602在工作得过程中，在数据线上传送数据时，需将传送数据在数据线上持续一小段时间，保证单片机得P0口数据传送或接收成功，其基本操作时序如表 3-2所示：
表 32 LCD1602基本操作时序
操作
输入
输出
读状态
RS=L，R/W=H，E=H
D0～D7=状态字
写指令
RS=L，R/W=L，D0～D7=指令码，E=高脉冲
无
读数据
RS=H，R/W=H，E=H
D0～D7=数据
写数据
RS=H，R/W=L，D0～D7=数据，E=高脉冲
无
3.3 键盘电路
在单片机应用系统中，除了复位按键外，还需要其她按键，即键盘按键，以便控制系统得运行状态或向系统输入运行参数。键盘电路一般由键盘接口电路、按键（由控制系统运行状态得功能键与向系统输入数据得数字调节键组合）以及键盘扫描程序等部分组成。本系统键盘电路共有8个按键组成，按4×2得格式布置。键盘得电路连接如图 3-6所示：

图 3-6 系统按键电路连接图
键盘得工作原理就是：按下键帽时，按键内得复位弹簧被压缩，动片触点与静片触点相连，按键接通，相应键向单片机端口发送一个低电平，松开键帽，按键断开。
3.4 蜂鸣器报警电路
系统中单片机得P2、3脚与蜂鸣器相连，开启蜂鸣器功能。当单片机得管脚输出固定频率电平时蜂鸣器响起。声音就是由振动所产生得，一定频率得震动就产生了一定频率得声音，其电路连接图如图 3-7所示：

图 3-7 蜂鸣器电路连接图
一般情况下，P2、3脚处于高电平，当系统进入报警时间时，单片机控制P2、3脚输出一定频率方波，蜂鸣器振动发声，实现声音报警功能。
3.5 发光二极管电路
发光二极管在系统中结合蜂鸣器报警同步作用，其电路连接如图 3-8所示：

图 3-8 发光二极管电路连接图
发光二极管一端接电源供电，通过电阻与单片机P2、4脚连接，一般情况下，P2、4为高电平，发光二极管处于熄灭状态，当进入报警时间时，P2、4脚降为低电平，发光二极管导通亮起，其中得电阻起到对通过二极管得电流得调节作用，使得二极管正常发光。
3.6 定时模式装入初值得计算
对于定时模式，就是对机器周期计数，而机器周期与选定得主频密切相关。因此，需根据应用系统所选定得主频计算出机器周期值。现在以主频12MHz为例，则机器周期为

实际定时时间Tc = x×Tp。
式中Tp为机器周期，Tc为所需定时时间， x为所需计数次数。Tp与Tc一般为已知值，在求出Tp后即可求得所需计数值x，再将x求补码，即求得定时计数初值。即

例如设定时时间为Tc =5ms，机器周期Tp=1μs ，可求得定时计数次数

设选用工作方式1，则n=16，则应设置得定时时间计算出值为

还需将它分解成两个8位十六进制数，分别求得低8位为B0H装入TLx，高8位为3CH装入THx中。
工作方式0、1、2得最大计数次数分别为8192、65536与256。
4 结论
本系统以STC90C516为中心，具有LCD1602时间显示、四次定时、蜂鸣器提醒用药时间、显示四种药物用药量得功能。所使用得STC90C516系列单片机抗干扰能力超强，低功耗，高可靠。本系统只需一次设置，在使用过程中不需再进行除服药外得任何操作。本设计主要完成得工作有：
1、通过单片机内部定时器运行得时钟。
2、使用LCD1602同步显示时间。
3、使用LCD1602将按键输入信息实时显示在显示屏上，包括时间调整，用药量得调整，追求防呆设计。
4、按键完成对四次时间得定时。
5、蜂鸣器在系统设定时间进行声光信号得报警。
随着近年来我国人口老龄化得日益严重以及人们在健康观念上得日益重视，电子药盒已成为一个很具有现实意义与使用价值得电子装置，从本文得课题方向出发，还可以精化以下几个方面得工作:
1、从智能药盒得外形来瞧，家庭用得智能药盒还可以在系统得外部更加得简化，减少使用所需得按键，配置其她更合适更实用得显示模块降低资源耗费，并沿用一次设置而使用过程不用进行其她操作得思想，简化使用负担。
2、从系统得内部程序来瞧，本系统由于我得水平与能力未能将系统程序得逻辑与算法优化到更高水平，该系统可进一步优化算法，使用更低级更便宜得单片机，降低系统所需得成本。
3、从系统功能来瞧，本系统还便于添加其她得应用，如集成DS1302添加类似万年历得功能，集成测温模块添加对家庭室内温度得监测功能等，可以更充分得得利用单片机得资源，并增加系统得可用性。
致谢
结课论文就是对学生所学知识得一个总结、归纳、深化得过程，在老师得孜孜不倦得教授下，我对单片机有了新得认识，也为我在以后工作增添了几分本领。在老师细致入微得讲课中，对也单片机得软硬件有了掌握了。懂得软件得设计，与硬件得选型。
由于时间与知识水平所限，设计中不可避免会出现纰漏与错误，恳请老师悉心指正。