基于GSM的智能药盒设计说明.docx
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基于GSM的智能药盒设计说明
摘要
家用智能药盒是一种利用GSM技术、现代显示技术等实现对人们何时吃药、吃何种药进行报警提醒,从而提高人们的健康质量。
首先,本文介绍了此系统所涉及的硬件的结构和工作原理,主要包括STC90C51单片机、ISD1820录放音模块、GTM900B、LCD12864液晶和单片机的定时/计数器。
其次,介绍了系统硬件的模块化设计和软件的编程思想。
最后是对系统进行调试之后得出最后的结果。
系统通过对单片机STC90C516定时器中断的设计,使其完成对时钟运行的控制,并通过LCD12864液晶显示出来。
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,之后开中断记录当前设置的时间及用药量的值。
在调节好系统时间之后,系统时间向前运行的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的用药量,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,如此实现每天至多三次用药及每次四种用药服用量的提醒。
关键词:
智能,GSM,ISD1820
Abstract
HomeintelligentkitisauseofGSMtechnology,moderndisplaytechnologyimplementationtoalarmpeoplewhentotakemedicine,eatwhatmedicinetoremind,thusimprovethequalityofpeople'shealth.
Firstofall,thispaperintroducesthesystemhardwarestructureandworkingprincipleoftheinvolved,mainlyincludingSTC90C51recordingsoundmodule,MCU,ISD1820GTM900B,LCD12864LCDandMCUtimer/counter.Secondly,thispaperintroducesthesystemhardwaremodulardesignandsoftwareprogrammingideas.Finallyisthesystemdebuggingafterthefinalresults.ThedesignofthesystembasedonsinglechipmicrocomputerSTC90C516timerinterrupt,makeitscompletecontroloftheclockruns,andthroughtheLCD12864LCDdisplay.Whenthesystemdetectsasettimesettingfunctionkeysorusethefunctionkeyshasinput,entertheinterrupttuningandsettingthestate'swhen,afterabreakrecordsthevalueofthecurrentsettingofthetimeanddose.Goodinregulatingsystemoftime,thesystemtimerunforwardintheprocessofcontinuouslythesystemrealtimecomparetorecordtime,alarmswhenbothareequalanddisplaysasetofdose,aminutelatersystemrealtimerecordingtimeisnotequalexitautomaticallyremind,souseuptothreetimesadayandfourdrugdosetoremindeverytime.
Keywords:
intelligent,GSM,ISD1820
第1章绪论1
1.1选题背景及意义1
1.2国外发展现状1
1.3主要设计容及预期目标2
第2章GSM相关介绍4
2.1GSM基本简介4
2.1.1系统结构4
2.1.2频率配置6
2.2GSM短信应用7
2.2.1GSM短信息平台的特点8
2.2.2基本的AT指令8
2.2.3短信息编码8
第3章系统的硬件设计10
3.1系统总体设计10
3.2系统结构设计12
3.3硬件电路的设计13
3.3.1单片机最小系统13
3.3.2无线模块的设计15
3.3.3语音录放电路的设计17
3.3.4显示模块的设计20
3.3.5报警系统的设计24
3.3.6键盘电路的设计26
第4章软件部分的设计27
4.1系统主程序27
4.2系统子程序29
4.2.1按键扫描子程序29
4.2.2发送短信子程序35
4.2.3报警子程序37
第5章系统的调试与测试40
5.1调试40
5.1.1硬件调试40
5.1.2软件调试41
5.2测试结果42
总结45
参考文献46
致47
第1章绪论
1.1选题背景及意义
随着生活节奏的增快,许多子女因为工作、学习、生活而不能常伴父母左右,但随着父母年纪的增大许多的病痛也随之出现。
大多数疾病只可控制,难于治愈[1]。
药物的使用一定要严格按照医嘱执行。
但父母年龄的增大,记忆力反应力的下降,常常忘了吃药,或是忘了该吃什么药,什么时候吃药,每种药吃多少等等细节问题。
这些对于患者来说十分的不利[2]。
随着现代通信技术,计算机网络技术以及现场总线控制技术的飞速发展,数字化、网络化和信息化正日益融入人们的生活之中。
智能化在我们的生活中显得越来越重要,也越来越便捷。
这次的毕业设计题目所指的智能药盒就是对老人所设计的,是一种为了方便老年人服药而设计的药物存储容器,它可以更好地管理高龄人群吃药麻烦的问题,根据对老年人每天吃药的时间进行定时,来实现一天对老年人每天多次的定时提醒,提醒使用者服用多种药物中的一种或多种,以帮助老人改掉不按时吃药的坏习惯。
1.2国外发展现状
我国药盒的历史可以追溯到民国时期,以铁制为主,50年代,开始有了旅行药盒,80年代,当时主要也是针对旅行者而涉及的,是为了预防流行疟疾、登格莱等传染病,保证旅客的安全而提供的一种产品。
那时药盒设计简单,体积较大,主要用途是存放一些旅途中必须的备用药品,后来逐渐演变成我们常见的家庭药箱。
智能药盒刚刚起步,主要针对老年人,但随着对这种刚性的市场需求认识的加深,市场一定会迎来一个发展热潮。
一开始出现的便携小药盒,造型简单,容量小,不能满足人们的需求,于是,随即又发展出现了大容量且功能齐全的药盒。
随着逐渐更新完善,发展出现了造型多样的全新设计的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。
以前大多电子药盒的电路通常由分立的数字电路器件组成,不仅功能单一,而且重量和体积都较大,特别是功耗大,提高了使用成本,因而具有很大的局限性。
所以更加智能的电子药盒成为新的需要。
如今电子药盒在选择机型的过程中综合考虑单片机性能体积和产品耐用性等因素,正向微型化,智能化的方向发展[3]。
1.3主要设计容及预期目标
利用STC90C516单片机、ISD1820语音模块、GSM模块、LCD12864液晶显示屏、蜂鸣器、LED发光二极管、8个按键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、GSM发送电路、液晶显示电路、按键电路、声光报警电路组成,系统能完成时间的实时显示、每天三次定时、每次用药四种药用量提醒的功能。
系统基本功能如下:
1、定时时间与实时时间的设定
系统须实现实时时间的调节和每天三次时间的定时,通过四个按键完成,1个功能键,3个调节键。
2、4种用药量的调节
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。
3、报警功能
实时时钟运行到定时时间时,LCD12864显示此次用药量,蜂鸣器响起,LED闪烁,提醒用药时间到。
4、显示提醒功能
LCD12864显示实时时间、用药量、调设信息显示。
语音模块提醒药品种类以及用药量。
5、发送短信
开启药盒后(按下sendms键),GSM给老人的子女手机发送短信息。
第2章GSM相关介绍
2.1GSM基本简介
GSM是GlobalSystemForMobileCommunications的缩写。
由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。
GSM是全球移动通信系统(GlobalSystemforMobilecommunications)的简称。
被看作是第二代(2G)移动系统[4]。
2.1.1系统结构
GSM系统主要由移动台(MS)、移动网子系统(NSS)、基站子系统(BSS)和操作支持子系统(OSS)四部分组成。
如图2-1所示:
图2-1GSM系统结构图
1.移动台(MS)
移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备,也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。
移动台的类型不仅包括手持台,还包括车载台和便携式台。
随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势,手持台的用户将占整个用户的极大部分。
2.基站子系统(BSS)
基站子系统(BSS)是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。
它通过无线接口直接与移动台相接,负责无线发送接收和无线资源管理。
另一方面,基站子系统与网络子系统(NSS)中的移动业务交换中心(MSC)相连,实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接,传送系统信号和用户信息等。
当然,要对BSS部分进行操作维护管理,还要建立BSS与操作支持子系统(OSS)之间的通信连接。
3.移动网子系统(NSS)
移动网子系统(NSS)主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能,它对GSM移动用户之间通信和GSM移动用户与其它通信网用户之间通信起着管理作用。
NSS由一系列功能实体构成,整个GSM系统部,即NSS的各功能实体之间和NSS与BSS之间都通过符合CCITT信令系统No.7协议和GSM规的7号信令网路互相通信。
4.操作支持子系统(OSS)
操作支持子系统(OSS)需完成许多任务,包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护。
2.1.2频率配置
1.GSM900MHz频段
GSM900MHz频段双工间隔为45MHz,有效带宽为25MHz,124个载频,每个载频8个信道。
a.GSM900:
上行(MHz)890-915;下行(MHz)935-960(GSM最先实现的频段,也是使用最广的频段)
b.GSM900E:
上行(MHz)880-915;下行(MHz)925-960(900MHz扩展频段)
2.中国GSM900使用频率
a.中国移动
上行频段:
890-909MHz
下行频段:
935-954MHz
b.中国联通
上行频段:
909-915MHz
下行频段:
954-960MHz
2.1.3技术特点
(1)频谱效率。
由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术,使系统具有高频谱效率。
(2)容量。
由于每个信道传输带宽增加,使同频复用栽干比要求降低至9dB,故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小(模拟系统为7/21);加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数,使GSM系统的容量效率(每兆赫每小区的信道数)比TACS系统高3~5倍。
(3)话音质量。
鉴于数字传输技术的特点以及GSM规中有关空中接口和话音编码的定义,在门限值以上时,话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。
(4)开放的接口。
GSM标准所提供的开放性接口,不仅限于空中接口,而且报刊网络直接以及网络中各设备实体之间,例如A接口和Abis接口。
(5)安全性。
通过鉴权、加密和TMSI的使用,达到安全的目的。
鉴权用来验证用户的入网权利。
加密用于空中接口,由SIM卡和网络AUC的密钥决定。
TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号,以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。
(6)与ISDN、PSTN等的互连。
与其他网络的互连通常利用现有的接口,如ISUP或TUP等。
2.2GSM短信应用
随着移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈,GSM短信息服SMS(shortMessageService)作为GSM网络的一种基本业务,已经得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视,基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来[5]。
短信息业务通过无线控制信道进行传输,经过短信息中心完成存储和转发功能。
短信息业务可以认为是GSM系统中最为简单和方便的数据通讯方式,也是发展比较成熟、运行非常稳定的一项通讯技术[6]。
GSM调制解调器给GSM短信息的发展注入了新的活力。
GSM调制解调器或称为GSM终端模块,它提供RS—232或USB数据接口,采用AT指令,利用GSM模块与计算机结合,实现对收发短信息的自动控制,可以开发出前景非常乐脱的各类应用[7]。
2.2.1GSM短信息平台的特点
GSM短信息平台作为基于GSM无线网络的通讯平台具备很多特点。
(1)信道稳定、传输质量好,传输速率可达9600bps以上;
(2)系统容量较大,可传输的数据量大;
(3)GSM信道无需中继,利用公网,不需自建和维护通信网,组网十分灵活,为应用系统大大节约了成本;
(4)GSM终端设备体积小、重量轻、功耗低。
由于不需要架设室外天线,安装方便,不仅一次性建设投资少,而且维护管理简单,运行费用低。
但是短信息的接收会出现延时的现象,尤其是在网络较忙的时候,偶尔也会出现数据丢失。
2.2.2基本的AT指令
GSM终端模块通过接收和识别AT指令来工作,因此有必要了解一下AT指令的格式和几条常用的指令。
AT指令集的命令格式都以AT开头,下面是几个常用的AT指令:
(1)AT+CSCA设置短信息中心,具体由当地运营商决定
(2)AT+CMGF设置短信息格式:
0为PDU格式,1为文本格式
(3)AT+CMGS发送一条短信息
(4)AT+CMGR读取一条短信息
(5)AT+CNMI显示新收到的短信息
(6)AT+CMGD删除SIM卡的短信息
2.2.3短信息编码
我们以PDU模式为例介绍短信息的编码方法。
例如,我们要将字符“Hi”字符发送到目的地“”,则对应的PDU字符串为:
08915FO11000D913185379356F9O0O0O002C834
PDU码看起来相当复杂,其实很简单。
(1)08一短信息中心地址长度。
指915FD的长度,即8个八位字节。
(2)9l一短信息中心类型。
指在前需加‘+’号。
(3)5F0-经过编码的短信息中心。
实际是:
00。
(4)11一文件头字节。
(5)00一信息类型。
(6)0D一被叫长度。
(7)91一被叫类型。
(8)3185379356F9-被叫,同样经过了位移处理,实际为“”。
(9)00一协议标识TP—PID,一般将这两位置为00,表示普通GSM类型,点到点方式。
(10)00一数据编码方案TP—DCS。
(11)00一有效期1'P—VP。
(12)02一用户数据长度TP—UDL。
(13)c834一用户数据TP—UD“Hi”,这里使用的是7一bit编码方法。
第3章系统的硬件设计
3.1系统总体设计
本设计采用模块化设计的方法,以单片机为主控芯片,结合单片机最小系统所必须的上电复位电路,部晶振电路,采用电源模块为整个系统提供稳定直流电源,利用单片机芯片提供的定时器设计系统时钟,键盘电路完成对实时时间、三次定时、四种用药量的设定,同时LCD12864显示模块显示时间及其他参数,当实时时间与定时时间相同时,LED发光二极管配合蜂鸣器起到辅助的报警作用,语音模块在录音后接收单片机发送来的信号完成用药种类以及用药量的提醒,GSM模块发送短信息。
在程序的设计问题上,以单片机部资源为核心,调用程序存储区的各个模块的驱动程序,通过单片机的引脚对系统中其他模块资源进行驱动和调用,通过主程序调用按键扫描子程序和LCD12864数据刷新程序,将按键模块和LCD12864联系起来,使得按键的输入信息可以实时地显示在LCD12864液晶屏上,程序调用LCD12864读数据的子程序,并运算判断是否进入报警时间,进入到报警时间时,将之前设定的用药的信息刷新到LCD12864上,并通过作用单片机管脚,驱动蜂鸣器发声和LED发光二极管发光,起到必要的报警功能,单片机检测是否执行动作后驱动GSM模块给指定的用户发送短信息。
系统基本原理如图3-1所示:
图3-1系统原理图
本系统采用STC90C516RD+作为单片机最小控制系统的核心,STC90C516RD+是STC90C51系列单片机的一种;采用ISD1820作为录放音器件;采用GTM900B为无线发送器件;采用LCD12864液晶屏作为显示器件;以单片机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的协调控制,由单片机检测6个按键的输入,并将输入信息实时显示在LCD12864上。
用药量的设置通过2个按键完成,1个功能键,1个调节键。
功能键按下,即1至4次,分别调节4种用药量的设定。
定时设置通过4个按键完成,1个功能键,3个调节键。
功能键按下后,可通过调节键调节,随按下功能键次数的不同,即1至4次,配合3个调节键分别对实时时间和三次定时时间的小时、分钟、秒进行设定。
最后一次按下功能键,LCD12864返回到用药量界面,则记录此时各参的值,表示一次定时操作结束,则时钟继续向前运行。
系统利用单片机的定时器运行实时时钟,由单片机检测此时实时时间是否与3个定时时间之一相等。
实时时钟运行到定时时间时,LCD12864显示此次用药量,蜂鸣器响起,LED闪烁,提醒用药时间到。
若老人没有按时吃药一分钟后,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,GTM900B发送短信息给老人子女;若老人按时吃药(这里指按下sendms键),系统自动退出报警程序,ISD1820语音提示用药种类以及用药量,按下S4键,GTM900B发送短信息给老人子女。
3.2系统结构设计
系统结构由STC90C516单片机、录放音电路、无线发送、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3-2所示:
图3-2系统结构图
3.3硬件电路的设计
3.3.1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3-3所示:
图3-3单片机最小系统电路图
1.STC90C51RC/RD+系列单片机简介
STC90C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出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,12时钟机器周期和6时钟机器周期可以任意选择。
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、看门狗等模块。
STC90C51RC/RD+系列单片机几乎包含了数据采集和控制所需要的所有单元模块,可称得上一个片上系统[8]。
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,时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。
时序是单片机在执行指令时CPU发出的控制信号在时间上的先后顺序。
单片机的时序概念有4个,可用定时单位来说明,包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。
振荡周期:
是片振荡电路或片外为单片机提供的脉冲信号的周期。
时序中1个振荡周期定义为1个节拍,用P表示。
时钟周期:
振荡脉冲送入部时钟电路,由时钟电路对其二分频后输出的时钟脉冲周期称为时钟周期。
时钟周期为振荡周期的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:
机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。
一条指令的执行需要一个或几个机器周期。
一个机器周期固定的由6个状态S1~S6组成。
指令周期:
执行一条指令所需要的时间称为指令周期。
一般用指令执行所需机器周期数表示。
单片机多数指令的执行需要1个或2个机器周期,只有乘除两条指令的执行需要4个机器周期[9]。
3.复位电路
无论是在单片机刚开始接上电源时,还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部各电路的状态恢复到一个确定的初始值,并从这个状态开始工作。
单片机的复位条件:
必须使其RST引脚上持续出现两个(或以上)机器周期的高电平。
单片机的复位形式:
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,已经充好电的电容会快速通过电阻的回路放电,从而使得RST引脚上的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的条件实现按键复位。
3.3.2无线模块的设计
华为GTM900无线模块是一款三频段GSM/GPRS的无线模块。
它支持标准的AT命令及增强AT命令,提供丰富的语音和数据业务等功能,是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。
1.GTM900逻辑框图
GTM900的逻辑框图,如图3-4所示:
图3-4GTM900逻辑框图
GTM900B使用AT命令集通过UART接口与外部CPU通信,主要实现无线发送和接收基带处理、音频处理等功能。
键盘、LCD等外部设备由外部CPU进行控制[10]。
上述实现方式的优点如下:
1、接口简单;
2、用户能利用各种键盘和LCD开发各种类型的终端产品;
2.GTM900B主要引脚
如表3-1所示:
表3-1GTM900B主要引脚功能
序号
信号名称
功能
1-5
Batt+
供电
6-10
GND
工作地
11
RXD1
GTM900模块调试串口发送信号
12
TXD1
GTM900模块调试串口接收信号
18
UART-RXD0
GTM900模块AT命令串口发送信号
19
UART-TXD0
GTM900模块AT命令串口接收信号
20
UART-CTS0
清除发送
21
UART-RTS0
请求发送
3.GTM900B标准电路图
如图3-5所示:
图3-5GTM900B标准电路图
3.3.3语音录放电路的设计
1.ISD1820芯片介绍
美国ISD公司推出一种单片8~20秒单段语音录放电路ISD1810,它的基本结构与ISD1110、1420完全相同,采用CMOS技术,含振荡器,话筒前置放大,自动增益控制,
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