原標(biāo)題：基于51單片機(jī)的智能藥盒設(shè)計(jì)（原理圖+程序）

基于51單片機(jī)的智能藥盒設(shè)計(jì)

引言

隨著人口老齡化趨勢的加劇，老年人的健康問題日益受到關(guān)注。在日常生活中，許多老年人需要長期服用多種藥物，但由于記憶力下降、視力不佳等原因，常常出現(xiàn)漏服、錯(cuò)服、重復(fù)服藥或服藥劑量不準(zhǔn)確的情況，這不僅影響治療效果，甚至可能對(duì)身體造成危害。傳統(tǒng)的藥盒僅能提供簡單的存儲(chǔ)功能，無法滿足智能化服藥管理的需求。因此，設(shè)計(jì)一款智能藥盒顯得尤為重要。

本智能藥盒系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為核心控制器，集成LCD1602液晶顯示模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、獨(dú)立按鍵模塊、蜂鳴器模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、HC-SR04超聲波測距模塊、SIM800C/ESP8266通信模塊等，實(shí)現(xiàn)定時(shí)提醒、自動(dòng)分藥、藥量檢測、遠(yuǎn)程通知等功能。通過聲光報(bào)警、液晶顯示直觀提示，結(jié)合遠(yuǎn)程通信，確保用戶按時(shí)按量服藥，并能及時(shí)通知監(jiān)護(hù)人，有效提升用藥安全性和便利性。

1. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能藥盒系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和執(zhí)行，軟件部分負(fù)責(zé)控制硬件、實(shí)現(xiàn)邏輯功能。

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

1. 定時(shí)提醒功能： 用戶可設(shè)置多個(gè)服藥時(shí)間點(diǎn)，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，藥盒通過蜂鳴器、LED燈及LCD顯示進(jìn)行聲光提醒。

2. 自動(dòng)分藥功能： 根據(jù)預(yù)設(shè)的服藥計(jì)劃，藥盒能自動(dòng)將相應(yīng)劑量的藥物推出至指定位置，方便取用。

3. 藥量檢測功能： 實(shí)時(shí)檢測藥倉內(nèi)藥量，當(dāng)藥量不足時(shí)，通過LCD顯示提示，并可選擇性地通過通信模塊通知監(jiān)護(hù)人。

4. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示： LCD顯示當(dāng)前日期和時(shí)間。

5. 參數(shù)設(shè)置功能： 用戶可通過按鍵設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、服藥時(shí)間、服藥劑量等參數(shù)。

6. 遠(yuǎn)程通知功能（可選）： 當(dāng)藥量不足、用戶未按時(shí)取藥或系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，可通過短信或微信（取決于通信模塊選擇）通知監(jiān)護(hù)人。

7. 低功耗設(shè)計(jì)： 考慮到便攜性，系統(tǒng)應(yīng)具備一定的低功耗特性，以延長電池使用壽命。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

整個(gè)智能藥盒系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可概括為以下幾個(gè)主要模塊：

+---------------------+
|                     |
|    51單片機(jī)         |
|   (STC89C52RC)       |
|                     |
+----------+----------+
           |
           |
+----------+----------+      +------------------+      +------------------+
|                     |      |                  |      |                  |
|    時(shí)鐘模塊         |<---->|   按鍵模塊       |<---->|   顯示模塊       |
|    (DS1302)         |      | (獨(dú)立按鍵)       |      |   (LCD1602)      |
|                     |      |                  |      |                  |
+---------------------+      +------------------+      +------------------+
           |
           |
+----------+----------+      +------------------+      +------------------+
|                     |      |                  |      |                  |
|    蜂鳴器模塊       |<---->|   步進(jìn)電機(jī)模塊   |<---->|   超聲波測距模塊 |
|   (有源蜂鳴器)      |      |   (ULN2003+28BYJ-48) |      |   (HC-SR04)      |
|                     |      |                  |      |                  |
+---------------------+      +------------------+      +------------------+
           |
           |
+----------+----------+
|                     |
|   通信模塊          |
| (SIM800C/ESP8266)   |
|                     |
+---------------------+

2. 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的物理基礎(chǔ)，主要包括主控模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、輸入模塊、輸出模塊、檢測模塊和通信模塊。本節(jié)將詳細(xì)闡述各模塊的原理圖、元器件選型及其功能。

2.1 主控模塊——STC89C52RC單片機(jī)

• 元器件型號(hào)選擇： STC89C52RC。

• 選擇原因及功能： STC89C52RC是一款基于8051內(nèi)核的增強(qiáng)型單片機(jī)，具有高性能、低功耗、高抗干擾等特點(diǎn)。

• P89C52系列增強(qiáng)型，5V工作電壓。

• 工作頻率范圍： 0~40MHz，提供足夠的處理速度。

• 內(nèi)置8KB Flash程序存儲(chǔ)器： 足以存儲(chǔ)本項(xiàng)目的控制程序。

• 512B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： 用于變量、堆棧等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

• 32個(gè)可編程I/O口線： 足夠連接各個(gè)外圍模塊。

• 3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器： 可用于定時(shí)、脈沖計(jì)數(shù)等功能，如步進(jìn)電機(jī)控制、定時(shí)提醒。

• 8路8位A/D轉(zhuǎn)換器： 雖然本項(xiàng)目未使用，但提供了擴(kuò)展模擬量輸入的能力。

• 內(nèi)置看門狗定時(shí)器： 提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，防止程序跑飛。

• SPI和UART串行通信接口： UART接口可用于與上位機(jī)（PC）調(diào)試或與通信模塊（如SIM800C/ESP8266）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

• ISP（In-System Programming）和IAP（In-Application Programming）功能： 方便程序的在線下載和更新，無需燒錄器即可直接在電路板上進(jìn)行程序下載，極大提高了開發(fā)效率。

• 封裝： DIP-40封裝，方便焊接和調(diào)試。

• 核心電路： 51單片機(jī)需要外部晶振和復(fù)位電路才能正常工作。

• 晶振電路： 外部接一個(gè)11.0592MHz的晶振和兩個(gè)33pF的瓷片電容。11.0592MHz晶振是為了方便串口通信的波特率設(shè)置，因?yàn)槠浔额l或分頻后能得到標(biāo)準(zhǔn)波特率，使得通信誤差最小。電容用于穩(wěn)定晶振的振蕩頻率。

• 復(fù)位電路： 采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的組合。VCC通過一個(gè)10kΩ電阻接到RST引腳，并并聯(lián)一個(gè)10μF電解電容到地，構(gòu)成RC上電復(fù)位電路。另并聯(lián)一個(gè)復(fù)位按鍵，按下時(shí)RST引腳接低電平，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。

2.2 時(shí)鐘模塊——DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片

• 元器件型號(hào)選擇： DS1302。

• 選擇原因及功能： DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，廣泛應(yīng)用于各種需要精確時(shí)間記錄的場合。

• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷： 提供秒、分、時(shí)、日、周、月、年信息，并具有閏年補(bǔ)償功能。

• 低功耗： 在備用電源（紐扣電池）供電時(shí)功耗極低，能夠長時(shí)間保持時(shí)間運(yùn)行。

• 三線簡單接口： 只需RST（復(fù)位）、I/O（數(shù)據(jù)）、CLK（時(shí)鐘）三根信號(hào)線即可與單片機(jī)通信，占用單片機(jī)I/O口資源少。

• 內(nèi)置31字節(jié)通用SRAM： 可用于存儲(chǔ)一些不需掉電保存的配置數(shù)據(jù)。

• 電池備份： 可外接3V紐扣電池（如CR2032），在主電源斷電后仍能保持時(shí)鐘繼續(xù)走時(shí)，確保時(shí)間的準(zhǔn)確性。

• 兼容性好： 易于與51單片機(jī)接口，有豐富的參考資料和驅(qū)動(dòng)庫。

• 原理圖： DS1302通過RST、I/O、CLK引腳與單片機(jī)的通用I/O口相連。VCC接系統(tǒng)電源，GND接地。VbAT引腳接紐扣電池的正極，確保掉電時(shí)時(shí)鐘能繼續(xù)工作。

2.3 顯示模塊——LCD1602液晶顯示屏

• 元器件型號(hào)選擇： LCD1602。

• 選擇原因及功能： LCD1602是字符型液晶顯示模塊，能夠顯示兩行，每行16個(gè)字符。

• 顯示內(nèi)容直觀： 可用于顯示當(dāng)前時(shí)間、服藥時(shí)間、藥倉狀態(tài)、操作提示等信息，方便用戶交互。

• 接口簡單： 提供8位數(shù)據(jù)總線（D0-D7）和3個(gè)控制線（RS、RW、EN），可選擇8位或4位數(shù)據(jù)傳輸模式。本項(xiàng)目通常采用4位模式，以節(jié)省單片機(jī)I/O口。

• 功耗低： 液晶顯示器本身功耗較低，適合電池供電系統(tǒng)。

• 成本效益高： 市場供應(yīng)充足，價(jià)格低廉。

• 易于編程： 有成熟的控制指令集和驅(qū)動(dòng)程序，方便編程。

• 原理圖：

• 數(shù)據(jù)線： 通常將LCD1602的D4-D7引腳連接到單片機(jī)的一個(gè)I/O口（如P0口或P2口）的高四位，節(jié)省I/O口。

• 控制線： RS（寄存器選擇）、RW（讀寫選擇）、EN（使能）分別連接到單片機(jī)的另外三個(gè)I/O口。

• 背光： VLED+和VLED-用于連接背光LED，通常通過一個(gè)限流電阻連接到電源。

• 對(duì)比度調(diào)節(jié)： Vo引腳通過一個(gè)10kΩ電位器連接到VCC和GND，用于調(diào)節(jié)顯示對(duì)比度。

2.4 輸入模塊——獨(dú)立按鍵

• 元器件型號(hào)選擇： 輕觸按鍵。

• 選擇原因及功能： 輕觸按鍵結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于集成。

• 功能實(shí)現(xiàn)： 用于用戶交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)置時(shí)鐘、設(shè)置服藥時(shí)間、啟動(dòng)/停止分藥、確認(rèn)等操作。

• 數(shù)量： 通常設(shè)置4-6個(gè)按鍵，如“設(shè)置”、“加”、“減”、“確認(rèn)”、“返回”等，滿足系統(tǒng)功能需求。

• 原理圖： 每個(gè)按鍵一端接單片機(jī)的一個(gè)I/O口，另一端接地。單片機(jī)I/O口設(shè)置為輸入模式，并開啟內(nèi)部上拉電阻。當(dāng)按鍵按下時(shí)，I/O口被拉低；當(dāng)按鍵彈起時(shí)，I/O口在高電平。軟件需要進(jìn)行按鍵消抖處理。

2.5 輸出模塊

2.5.1 蜂鳴器模塊

• 元器件型號(hào)選擇： 有源蜂鳴器。

• 選擇原因及功能： 有源蜂鳴器內(nèi)置振蕩源，只需通電即可發(fā)聲，控制簡單。

• 功能實(shí)現(xiàn)： 作為定時(shí)提醒的聲光報(bào)警之一，當(dāng)?shù)竭_(dá)服藥時(shí)間、藥量不足等情況時(shí)發(fā)出提示音。

• 控制簡單： 只需一個(gè)I/O口控制其供電或通過三極管驅(qū)動(dòng)即可。

• 原理圖： 蜂鳴器一端接電源，另一端通過一個(gè)NPN型三極管（如S8050）的集電極連接。三極管的基極串聯(lián)一個(gè)電阻后連接到單片機(jī)的一個(gè)I/O口。當(dāng)I/O口輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器得電發(fā)聲。

2.5.2 步進(jìn)電機(jī)模塊

• 元器件型號(hào)選擇： 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī) + ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片。

• 選擇原因及功能：

• 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)： 是一種五線四相永磁式步進(jìn)電機(jī)，具有體積小、價(jià)格便宜、精度較高（通過減速箱實(shí)現(xiàn)較大減速比）、控制方便等特點(diǎn)。非常適合作為藥盒的機(jī)械分藥執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它的減速比通常是1/64，這意味著電機(jī)軸轉(zhuǎn)64圈，輸出軸才轉(zhuǎn)一圈，從而提供了更高的精度和更大的扭矩。

• ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片： 是一款高壓、大電流達(dá)林頓管陣列，內(nèi)含7個(gè)NPN達(dá)林頓管。它可以直接驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如步進(jìn)電機(jī)、繼電器等。ULN2003能夠提供足夠的電流來驅(qū)動(dòng)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)，并具有輸入輸出隔離保護(hù)，簡化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

• 原理圖： 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)有5根線，其中一根是公共端（通常為紅色，接電源），另外四根是控制線（IN1, IN2, IN3, IN4）。這四根控制線分別連接到ULN2003的IN1-IN4引腳。ULN2003的OUT1-OUT4引腳分別連接到步進(jìn)電機(jī)的四相繞組。ULN2003的COM引腳通常懸空或接地。ULN2003的電源VCC接系統(tǒng)電源，GND接地。單片機(jī)通過控制ULN2003的IN1-IN4引腳的高低電平順序，即可控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和步進(jìn)角度。

2.6 檢測模塊——HC-SR04超聲波測距模塊

• 元器件型號(hào)選擇： HC-SR04。

• 選擇原因及功能： HC-SR04是一種常用的超聲波測距模塊，具有測距范圍廣、精度高、接口簡單等特點(diǎn)。

• 功能實(shí)現(xiàn)： 用于檢測藥倉內(nèi)藥片的液位，判斷藥量是否充足。通過測量超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出藥倉頂部到藥片表面的距離。

• 接口簡單： 只有VCC、GND、Trig（觸發(fā)）和Echo（回響）四個(gè)引腳。

• 測距范圍： 通常為2cm-400cm，足以滿足藥盒內(nèi)部藥量檢測的需求。

• 精度： 可達(dá)0.3cm。

• 原理圖： HC-SR04的VCC接5V電源，GND接地。Trig引腳和Echo引腳分別連接到單片機(jī)的兩個(gè)I/O口。單片機(jī)通過Trig引腳發(fā)出10μs以上的高電平脈沖觸發(fā)超聲波模塊，模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40KHz的超聲波脈沖。當(dāng)超聲波遇到障礙物返回時(shí)，Echo引腳會(huì)輸出高電平，其持續(xù)時(shí)間與超聲波往返時(shí)間成正比。單片機(jī)通過計(jì)算Echo引腳高電平的持續(xù)時(shí)間，結(jié)合聲速（約340m/s），即可計(jì)算出距離。

2.7 通信模塊（可選）

根據(jù)遠(yuǎn)程通知的需求，可以選擇以下兩種常見的通信模塊。

2.7.1 SIM800C GSM/GPRS模塊（短信通知）

• 元器件型號(hào)選擇： SIM800C。

• 選擇原因及功能： SIM800C是一款緊湊型四頻GSM/GPRS模塊，支持短信、語音通話和數(shù)據(jù)傳輸功能。

• 功能實(shí)現(xiàn)： 用于發(fā)送短信通知監(jiān)護(hù)人，如藥量不足、未按時(shí)服藥等。

• 穩(wěn)定可靠： GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，短信通知穩(wěn)定。

• 接口： 通過UART（串口）與單片機(jī)通信，使用AT指令集進(jìn)行控制。

• 供電： 需要3.4V~4.4V的穩(wěn)定電源，峰值電流可達(dá)2A，需要獨(dú)立的電源模塊供電。

• 其他： 需要配合SIM卡使用。

• 原理圖： SIM800C的RXD和TXD引腳分別連接到單片機(jī)的TXD和RXD引腳（串口交叉連接）。VCC接獨(dú)立供電電源，GND接地。需要外接SIM卡座和GSM天線。

2.7.2 ESP8266 WiFi模塊（APP/微信小程序通知）

• 元器件型號(hào)選擇： ESP-01S（或ESP-12F等）。

• 選擇原因及功能： ESP8266系列模塊是樂鑫科技推出的一款高集成度Wi-Fi SoC方案，可實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)通信。

• 功能實(shí)現(xiàn)： 可以將藥盒數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，通過手機(jī)APP或微信小程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程查看和通知，功能更靈活、擴(kuò)展性更強(qiáng)。

• 成本低廉： ESP8266模塊價(jià)格非常親民。

• 易于開發(fā)： 支持多種開發(fā)方式，如AT指令、Arduino IDE、MicroPython等。

• 接口： 通常通過UART（串口）與單片機(jī)通信。

• 供電： 需要3.3V電源供電。

• 原理圖： ESP8266的RXD和TXD引腳分別連接到單片機(jī)的TXD和RXD引腳。VCC接3.3V電源，GND接地。需要注意ESP8266與5V單片機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換（如使用分壓電阻或電平轉(zhuǎn)換芯片）。

2.8 電源模塊

• 元器件型號(hào)選擇： AMS1117-5.0（LDO穩(wěn)壓芯片） 或 LM2596（DC-DC降壓模塊）。

• 選擇原因及功能：

• AMS1117-5.0： 如果輸入電源接近5V且電流需求不大，可選擇線性穩(wěn)壓芯片。它能夠?qū)⑸愿唠妷海ㄈ?.5V-12V）降壓到5V為單片機(jī)和部分模塊供電。優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，缺點(diǎn)是壓差大時(shí)發(fā)熱量大，效率較低。

• LM2596： 如果輸入電源電壓較高（如9V/12V電池）或需要驅(qū)動(dòng)電流較大的模塊（如SIM800C），則建議使用DC-DC降壓模塊。LM2596是開關(guān)穩(wěn)壓器，效率高，發(fā)熱量小，能夠提供較大的輸出電流。

• 其他電源管理： 若使用鋰電池供電，還需考慮鋰電池充電管理芯片（如TP4056）和電池保護(hù)板。通信模塊（如SIM800C）通常需要獨(dú)立的LDO或DC-DC模塊提供穩(wěn)定的大電流3.3V/3.7V電源。

• 原理圖： 輸入電源（如9V電池或適配器）經(jīng)過穩(wěn)壓芯片（如LM2596降壓到5V）輸出，為單片機(jī)、LCD1602、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、蜂鳴器、超聲波模塊等提供5V工作電壓。若有3.3V模塊（如ESP8266），則需再通過一個(gè)AMS1117-3.3線性穩(wěn)壓芯片從5V降壓到3.3V。

3. 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序是實(shí)現(xiàn)智能藥盒各項(xiàng)功能的“大腦”，主要包括系統(tǒng)初始化、時(shí)鐘管理、按鍵掃描、LCD顯示、定時(shí)提醒、自動(dòng)分藥控制、藥量檢測、通信功能等模塊。程序采用C語言編寫，基于Keil uVision開發(fā)環(huán)境。

3.1 程序主流程圖

代碼段

graph TD
    A[系統(tǒng)上電] --> B{初始化所有模塊};
    B --> C{DS1302讀取時(shí)間};
    C --> D{LCD顯示時(shí)間/狀態(tài)};
    D --> E{按鍵掃描};
    E -- 按下按鍵 --> F{處理按鍵事件};
    F --> G{更新顯示/狀態(tài)};
    E -- 無按鍵按下 --> H{定時(shí)器中斷服務(wù)程序};
    H --> I{判斷是否到達(dá)服藥時(shí)間};
    I -- 是 --> J{蜂鳴器報(bào)警/LED閃爍};
    J --> K{自動(dòng)分藥};
    K --> L{超聲波檢測藥量};
    L --> M{更新藥量顯示/通信通知};
    I -- 否 --> N{回到主循環(huán)};
    M --> N;
    G --> N;
    N --> D;

3.2 主要模塊功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 系統(tǒng)初始化

上電后，首先對(duì)單片機(jī)、LCD1602、DS1302、定時(shí)器等進(jìn)行初始化。

• 單片機(jī)初始化： 配置I/O口方向、中斷使能、定時(shí)器工作模式等。

• LCD1602初始化： 按照LCD1602的初始化流程發(fā)送指令，包括設(shè)置顯示模式、清屏等。

• DS1302初始化： 檢查DS1302芯片是否正常工作，若芯片停止或時(shí)間不正確，則設(shè)置初始時(shí)間。

• 定時(shí)器初始化： 配置定時(shí)器0為16位定時(shí)器，用于產(chǎn)生定時(shí)中斷，如每1ms或10ms中斷一次，用于按鍵消抖、LED閃爍、時(shí)鐘更新等。

3.2.2 DS1302時(shí)鐘管理

• 時(shí)間讀取： 編寫DS1302的讀寫函數(shù)，通過三線SPI協(xié)議從DS1302中讀取當(dāng)前的年、月、日、時(shí)、分、秒信息。

• 時(shí)間設(shè)置： 通過按鍵調(diào)整時(shí)間后，將新時(shí)間寫入DS1302芯片，確保掉電不丟失。

• 實(shí)時(shí)更新： 在定時(shí)器中斷中，每隔一定時(shí)間（如1秒）從DS1302讀取時(shí)間并更新到LCD顯示屏上。

3.2.3 按鍵掃描與事件處理

• 按鍵消抖： 采用軟件延時(shí)或定時(shí)器檢測結(jié)合的方式進(jìn)行按鍵消抖，防止按鍵抖動(dòng)誤判。例如，當(dāng)檢測到按鍵按下后，延時(shí)10ms再檢測一次，如果仍是按下狀態(tài)則認(rèn)為是有效按下。

• 按鍵功能：

• 設(shè)置鍵： 進(jìn)入/退出設(shè)置模式，切換設(shè)置項(xiàng)（時(shí)間、服藥時(shí)間）。

• 加/減鍵： 在設(shè)置模式下，對(duì)當(dāng)前設(shè)置項(xiàng)進(jìn)行增/減操作。

• 確認(rèn)鍵： 保存當(dāng)前設(shè)置并退出設(shè)置模式，或在分藥操作中進(jìn)行確認(rèn)。

• 程序邏輯： 在主循環(huán)中不斷掃描按鍵狀態(tài)，根據(jù)按鍵的按下和彈起事件來執(zhí)行相應(yīng)的功能。

3.2.4 LCD1602顯示控制

• 字符/字符串顯示： 編寫LCD1602的發(fā)送指令和發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)字符和字符串的顯示。

• 光標(biāo)定位： 根據(jù)需要定位光標(biāo)位置，顯示不同的信息，如當(dāng)前時(shí)間、藥盒狀態(tài)、提示信息等。

• 刷新顯示： 在主循環(huán)或定時(shí)器中斷中，定時(shí)刷新LCD顯示內(nèi)容，保持信息實(shí)時(shí)更新。

3.2.5 定時(shí)提醒功能

• 服藥時(shí)間存儲(chǔ)： 使用單片機(jī)內(nèi)部EEPROM（對(duì)于STC單片機(jī)，可利用Flash模擬EEPROM）或外部EERPOM（如24C02）存儲(chǔ)多個(gè)服藥時(shí)間點(diǎn)（如每天三餐后）。

• 時(shí)間比較： 在定時(shí)器中斷中，每隔1秒鐘獲取當(dāng)前時(shí)間，并與預(yù)設(shè)的服藥時(shí)間進(jìn)行比較。

• 報(bào)警提示： 當(dāng)當(dāng)前時(shí)間與某個(gè)服藥時(shí)間點(diǎn)匹配時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器鳴叫、LED燈閃爍，并在LCD上顯示“服藥時(shí)間到！”等提示信息。

• 解除報(bào)警： 用戶通過按鍵確認(rèn)已服藥后，解除報(bào)警，并記錄本次服藥時(shí)間（可選）。

3.2.6 自動(dòng)分藥控制

• 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)： 根據(jù)28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)的四相驅(qū)動(dòng)方式（如四相八拍或四相四拍），編寫步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制序列。

• 分藥機(jī)構(gòu)： 步進(jìn)電機(jī)通過減速箱和機(jī)械結(jié)構(gòu)（如旋轉(zhuǎn)盤、推桿等）將藥倉內(nèi)的藥片推出。每次分藥對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度（即步數(shù)）。

• 劑量控制： 通過預(yù)先標(biāo)定，確定不同劑量的藥片所需步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)。用戶在設(shè)置界面選擇服藥劑量后，程序控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)步數(shù)，完成分藥。

• 限位保護(hù)： 在分藥機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵位置安裝限位開關(guān)（可選），防止步進(jìn)電機(jī)過載或運(yùn)行超出范圍。

3.2.7 藥量檢測功能

• HC-SR04測距： 編寫HC-SR04的驅(qū)動(dòng)程序。通過Trig引腳發(fā)送觸發(fā)脈沖，然后等待Echo引腳的高電平脈沖，利用定時(shí)器計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間，根據(jù)公式：距離 = （高電平時(shí)間 * 聲速）/ 2，計(jì)算出藥片到超聲波模塊的距離。

• 藥量判斷： 預(yù)先測量藥倉滿藥時(shí)的距離和空藥時(shí)的距離。根據(jù)當(dāng)前測得的距離與這兩個(gè)距離的比較，判斷藥量是充足、不足還是空。

• 低藥量報(bào)警： 當(dāng)檢測到藥量低于設(shè)定的閾值時(shí)，在LCD上顯示“藥量不足！”提示，并可觸發(fā)通信模塊發(fā)送通知。

• 數(shù)據(jù)平滑： 可以對(duì)多次測量的距離進(jìn)行平均或?yàn)V波處理，提高測量精度和穩(wěn)定性。

3.2.8 通信功能（可選）

• 串口通信初始化： 配置單片機(jī)UART接口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等。

• AT指令控制：

• SIM800C： 通過串口發(fā)送AT指令（如AT+CMGF=1設(shè)置短信模式，AT+CMGS="手機(jī)號(hào)"發(fā)送短信），接收模塊返回的響應(yīng)。

• ESP8266： 通過串口發(fā)送AT指令（如AT+CWJAP="SSID","PASSWORD"連接WiFi，AT+CIPSTART="TCP","服務(wù)器IP",端口號(hào)建立TCP連接，AT+CIPSEND=長度發(fā)送數(shù)據(jù)），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

• 數(shù)據(jù)協(xié)議： 定義通信數(shù)據(jù)格式，確保單片機(jī)與遠(yuǎn)程平臺(tái)之間數(shù)據(jù)解析的正確性。

• 異常處理： 編寫通信模塊的錯(cuò)誤處理機(jī)制，如發(fā)送失敗重試、網(wǎng)絡(luò)掉線重連等。

3.3 部分關(guān)鍵代碼段（偽代碼示例）

// DS1302時(shí)間結(jié)構(gòu)體
typedef struct {
    unsigned char year;
    unsigned char month;
    unsigned char day;
    unsigned char week;
    unsigned char hour;
    unsigned char minute;
    unsigned char second;
} Time_TypeDef;

Time_TypeDef currentTime; // 當(dāng)前時(shí)間
Time_TypeDef medicationTimes[3]; // 存儲(chǔ)三個(gè)服藥時(shí)間點(diǎn)

// LCD1602寫指令
void LCD_WriteCmd(unsigned char cmd) {
    // 設(shè)置RS, RW, EN引腳電平，發(fā)送指令
}

// LCD1602寫數(shù)據(jù)
void LCD_WriteData(unsigned char dat) {
    // 設(shè)置RS, RW, EN引腳電平，發(fā)送數(shù)據(jù)
}

// DS1302寫入字節(jié)
void DS1302_WriteByte(unsigned char addr, unsigned char dat) {
    // 三線協(xié)議寫入
}

// DS1302讀取字節(jié)
unsigned char DS1302_ReadByte(unsigned char addr) {
    // 三線協(xié)議讀取
    return dat;
}

// 讀取當(dāng)前時(shí)間
void Get_CurrentTime() {
    currentTime.year = BCD_To_DEC(DS1302_ReadByte(0x8C)); // 讀取年份并BCD轉(zhuǎn)十進(jìn)制
    // ... 讀取其他時(shí)間信息
}

// 設(shè)置服藥時(shí)間函數(shù)
void Set_MedicationTime(unsigned char index, unsigned char hour, unsigned char minute) {
    medicationTimes[index].hour = hour;
    medicationTimes[index].minute = minute;
    // 存儲(chǔ)到EEPROM
}

// 步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一步
void Motor_StepForward() {
    // 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)相序輸出高低電平
}

// 超聲波測距函數(shù)
unsigned int HCSR04_GetDistance() {
    // 觸發(fā)Trig引腳
    // 等待Echo引腳高電平
    // 計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間
    // 返回距離
    return distance;
}

// 主函數(shù)
void main() {
    System_Init(); // 系統(tǒng)初始化
    Get_CurrentTime(); // 上電讀取時(shí)間

    while(1) {
        // LCD顯示
        Display_Time_Status();

        // 按鍵掃描與處理
        Key_Scan_Process();

        // 定時(shí)器中斷處理，每秒更新時(shí)間，檢查服藥時(shí)間
        // 在定時(shí)器中斷中：
        // if (currentSecond != prevSecond) {
        //     prevSecond = currentSecond;
        //     Get_CurrentTime(); // 再次讀取時(shí)間，保證實(shí)時(shí)性
        //     Check_Medication_Time(); // 檢查是否到服藥時(shí)間
        //     HCSR04_GetDistance(); // 定時(shí)檢測藥量
        // }
    }
}

// 定時(shí)器中斷服務(wù)程序示例（T0中斷，假設(shè)每1ms中斷一次）
void Timer0_ISR() interrupt 1 {
    static unsigned int msCount = 0;
    msCount++;
    if (msCount >= 1000) { // 每1秒
        msCount = 0;
        Get_CurrentTime(); // 更新時(shí)間
        Check_Medication_Time(); // 檢查服藥時(shí)間
        HCSR04_GetDistance(); // 檢查藥量
        // ... 其他定時(shí)任務(wù)
    }
    Key_Scan_Debounce(); // 按鍵消抖處理
}

// 檢查服藥時(shí)間
void Check_Medication_Time() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        if (currentTime.hour == medicationTimes[i].hour &&
            currentTime.minute == medicationTimes[i].minute &&
            currentTime.second == 0) { // 精確到秒
            // 蜂鳴器報(bào)警
            Buzzer_On();
            // LCD顯示提醒
            LCD_Display_Reminder("Time to take medicine!");
            // 啟動(dòng)分藥流程
            Motor_Dispense_Pill(medicationDosage[i]);
            break;
        }
    }
}

// 分藥函數(shù)
void Motor_Dispense_Pill(unsigned char dosage) {
    unsigned int steps = 0;
    if (dosage == 1) steps = 200; // 假設(shè)一粒藥需要200步
    else if (dosage == 2) steps = 400; // 假設(shè)兩粒藥需要400步
    // ... 根據(jù)劑量確定步數(shù)
    for (int i = 0; i < steps; i++) {
        Motor_StepForward();
        Delay_ms(2); // 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)延時(shí)
    }
}

4. 系統(tǒng)調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件調(diào)試

1. 電源模塊調(diào)試： 檢查穩(wěn)壓芯片輸出電壓是否穩(wěn)定，確保各模塊供電正常。

2. 單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試： 燒錄一個(gè)簡單的LED閃爍程序，驗(yàn)證單片機(jī)晶振、復(fù)位電路是否正常工作。

3. LCD1602調(diào)試： 燒錄LCD顯示測試程序，測試LCD是否能正常顯示字符，對(duì)比度是否可調(diào)。

4. DS1302調(diào)試： 燒錄DS1302讀寫時(shí)間測試程序，驗(yàn)證芯片是否能讀寫時(shí)間，掉電后時(shí)間是否保持。

5. 按鍵模塊調(diào)試： 燒錄按鍵檢測程序，驗(yàn)證按鍵按下和彈起是否能被正確識(shí)別，消抖是否有效。

6. 蜂鳴器調(diào)試： 燒錄蜂鳴器控制程序，測試蜂鳴器能否正常發(fā)聲。

7. 步進(jìn)電機(jī)調(diào)試： 燒錄步進(jìn)電機(jī)控制程序，測試電機(jī)能否正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，步距是否準(zhǔn)確。

8. HC-SR04調(diào)試： 燒錄超聲波測距程序，測試模塊能否正確測量距離，精度是否符合要求。

9. 通信模塊調(diào)試（可選）：

• SIM800C： 插入SIM卡，通過AT指令測試短信發(fā)送和接收功能。

• ESP8266： 連接WiFi，測試能否Ping通服務(wù)器，發(fā)送數(shù)據(jù)到云平臺(tái)。

4.2 軟件聯(lián)調(diào)與功能測試

在各模塊硬件調(diào)試正常后，進(jìn)行軟件聯(lián)調(diào)，逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1. 時(shí)鐘與顯示功能測試： 驗(yàn)證DS1302讀取的時(shí)間能否準(zhǔn)確顯示在LCD上，并且能通過按鍵設(shè)置時(shí)間。

2. 定時(shí)提醒功能測試： 設(shè)置一個(gè)接近當(dāng)前時(shí)間的服藥時(shí)間點(diǎn)，觀察是否能觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警和LCD顯示提醒。測試解除報(bào)警功能。

3. 自動(dòng)分藥功能測試： 設(shè)置服藥劑量，觀察步進(jìn)電機(jī)能否精確轉(zhuǎn)動(dòng)，將指定數(shù)量的藥片推出?？梢允褂貌煌笮『托螤畹哪M藥片進(jìn)行測試，調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，以適應(yīng)不同藥片的分發(fā)。

4. 藥量檢測功能測試： 在藥倉中放入不同數(shù)量的藥片，測試超聲波模塊能否準(zhǔn)確檢測藥量，并顯示相應(yīng)的藥量狀態(tài)。模擬藥量不足的情況，看是否能觸發(fā)報(bào)警。

5. 遠(yuǎn)程通知功能測試（可選）：

• 短信通知： 當(dāng)藥量不足或未按時(shí)服藥時(shí)，驗(yàn)證是否能向預(yù)設(shè)手機(jī)號(hào)發(fā)送短信通知。

• APP/微信通知： 驗(yàn)證藥盒數(shù)據(jù)能否實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，手機(jī)APP或微信小程序能否接收到推送通知。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

• 藥盒結(jié)構(gòu)： 藥盒的物理結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分藥的關(guān)鍵。需要設(shè)計(jì)多個(gè)藥倉（例如，按照一周七天或多類藥物分類），以及一個(gè)能夠精確推出藥片的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通常會(huì)采用旋轉(zhuǎn)盤或推桿式結(jié)構(gòu)。藥倉應(yīng)有透明蓋子，方便觀察藥片狀態(tài)。

• 藥片防潮： 藥盒材料選擇應(yīng)考慮防潮性，必要時(shí)內(nèi)部加入干燥劑。

• 人機(jī)交互界面： 考慮用戶體驗(yàn)，按鍵布局合理，LCD顯示信息清晰易懂。

• 供電方式： 優(yōu)先考慮電池供電，如可充電鋰電池，并加入充電管理模塊，方便用戶充電。

• 整體尺寸： 藥盒應(yīng)設(shè)計(jì)得便攜，便于攜帶或放置在家中。

5. 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

本基于51單片機(jī)的智能藥盒設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了定時(shí)提醒、自動(dòng)分藥、藥量檢測和可選的遠(yuǎn)程通知功能。通過合理選擇元器件和精心設(shè)計(jì)軟硬件，有效解決了傳統(tǒng)藥盒的局限性，為需要長期服藥的用戶提供了一個(gè)智能、便捷、安全的用藥管理解決方案。STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片，憑借其豐富的I/O資源、內(nèi)置定時(shí)器和串口等功能，完全滿足了本設(shè)計(jì)的功能需求。各模塊的選擇都兼顧了性能、成本和易用性，使得整個(gè)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的實(shí)用性和可實(shí)現(xiàn)性。

5.2 創(chuàng)新點(diǎn)

1. 集成度高： 將多種功能模塊集成在一個(gè)小型藥盒中，實(shí)現(xiàn)了多功能一體化管理。

2. 自動(dòng)化程度高： 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分藥功能，減少了人工干預(yù)。

3. 實(shí)時(shí)監(jiān)控： 通過超聲波檢測藥量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。

4. 人性化設(shè)計(jì)： 聲光報(bào)警與LCD顯示結(jié)合，遠(yuǎn)程通知功能增強(qiáng)了對(duì)用戶的關(guān)懷。

5.3 不足與展望

盡管本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，但仍存在一些可以改進(jìn)和擴(kuò)展的地方：

1. 藥片識(shí)別： 目前分藥是基于預(yù)設(shè)步數(shù)，對(duì)不同形狀和大小的藥片通用性不佳。未來可考慮引入圖像識(shí)別技術(shù)，精確識(shí)別藥片類型和數(shù)量。

2. 語音交互： 增加語音播報(bào)功能，對(duì)于視力不佳或操作不便的老年人會(huì)更加友好。

3. 數(shù)據(jù)分析： 將服藥數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，可生成服藥報(bào)告，為醫(yī)生診斷提供參考。

4. 多藥倉管理： 目前可能只針對(duì)一種或少數(shù)幾種藥物，未來可擴(kuò)展為多藥倉，管理多種藥物，并進(jìn)行更復(fù)雜的服藥計(jì)劃管理。

5. 電池壽命優(yōu)化： 進(jìn)一步優(yōu)化電源管理，引入更低功耗的元器件或更精細(xì)的功耗管理策略，延長電池使用壽命。

6. 安全性提升： 增加密碼鎖或指紋識(shí)別功能，防止兒童誤服。

總之，基于51單片機(jī)的智能藥盒設(shè)計(jì)在提升用藥依從性和安全性方面具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來的智能藥盒將更加智能化、個(gè)性化，為人們的健康保駕護(hù)航。