毕业设计 语音式吃药提醒器的设计

　　语音式吃药提醒器的设计

　　摘 要

　　针对ISD4004语音芯片以及DS1302时钟芯片的特点，设计一种由MCS-51单片机控制的语音提醒系统，能够循环录放，显示当前时间，即节省存储空间，又降低成本，具有较高的使用价值。

　　本系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分包括89C51单片机，ISD4004语音芯片，DS1302时钟芯片，LED显示器，矩阵键盘，LM386音频放大器，驻极体电容器，扬声器及相关的外围电路。软件部分主要是根据单片机和ISD4004以及DS1302的特点进行程序设计。

　　硬件部分实现的功能：通过驻极体电容器将语音信号录入ISD中保存起来，并在单片机8051的控制下通过音频放大电路，由扬声器放出。

　　软件部分实现的功能：将控制指令传给ISD4004及DS1302，同时监控ISD4004及DS1302的中断输出。

　　关键词：ISD4004，DS1302，51单片机，LM386，循环录放

　　Function that the part of the hardware realizes: Firstly，we should record the voice signal by using the stay body condenser ,then the signal will be emitted through the loudspeaker after having been enlarged by the circuit of the audio frequency ,and all these are controlled under the single chip 8051.

　　Function that the part of the software realizes: The single chip will control the order to pass to ISD4004 and DS1302 and the interrupt output of ISD4004 and DS1302 at the same time .

　　Keywords：ISD4004，DS1302，single chip 8051，LM386，alarm

　　第III页目录

　　1 绪论 .................................................................................................................................. 1

　　1. 1 课题提出的背景 ......................................................................................................................................................1

　　1.2 市场上已有的此类产品 ...........................................................................................................................................1

　　2 方案的比较和论证 .......................................................................................................... 3

　　2.1 基于PIC单片机的语音提醒器的设计 ...................................................................................................................3

　　2.2 基于AT89C51单片机的语音提醒器的设计 ..........................................................................................................3

　　3 系统总体构思与硬件电路设计 ...................................................................................... 5

　　3.1 实时时钟DS1302 .....................................................................................................................................................5

　　3.1.1 DS1302介绍 ................................................................................................................................................5

　　3.1.2 DS1302与单片机的连接 ............................................................................................................................7

　　3.2 LED显示 ..................................................................................................................................................................7

　　3.2.1 LED简介 .....................................................................................................................................................7

　　3.2.2 时钟显示电路 ............................................................................................................................................ 10

　　3.3 ISD4004语音电路 .................................................................................................................................................. 11

　　3.3.1 ISD4004芯片介绍 ..................................................................................................................................... 11

　　3.3.2 ISD4004与单片机的连接及ISD4004外围电路图 ................................................................................. 16

　　3.4 LM386 ..................................................................................................................................................................... 17

　　3.4.1 LM386芯片介绍 ....................................................................................................................................... 17

　　3.4.2 应用电路 .................................................................................................................................................... 19

　　3.5 矩阵键盘 ................................................................................................................................................................. 20

　　3.5.1 矩阵式键盘的结构与工作原理 ................................................................................................................ 20

　　3.5.2 本设计使用的键盘电路 ............................................................................................................................ 20

　　3.6 光报警 ..................................................................................................................................................................... 21

　　3.6.1 发光二极管简介 ........................................................................................................................................ 21

　　3.6.2 应用电路 .................................................................................................................................................... 22

　　3.7 8051单片机 ............................................................................................................................................................ 22

　　3.7.1 单片机主要引脚及功能简介 .................................................................................................................... 22

　　3.7.2 8051存储器配置 ....................................................................................................................................... 25

　　3.7.3 中断控制 .................................................................................................................................................... 28

　　4 软件设计 ........................................................................................................................ 31

　　4.1 时钟部分 ................................................................................................................................................................. 31

　　4.1.1 数据与代码转换。 .................................................................................................................................... 31

　　4.1.2 计时功能的实现与中断服务程序 .............................................................................................................. 31

　　4.1.3 时间控制功能与比较指令 .......................................................................................................................... 31

　　4.1.4 时钟部分程序流程图 .................................................................................................................................. 32

　　4.2 语音部分 ................................................................................................................................................................. 35

　　附录A .............................................................................................................................................................................. 40

　　附录B .............................................................................................................................................................................. 44

　　第1页1 绪论

　　1.1 课题提出的背景

　　随着生活水平的不断提高，人们对健康的关注程度也越来越高，然而，由于各种各样的原因，总是有人会忘记自己的健康日程。老年人因为记忆力减退等因素，常常忘记自己该吃药了；忙于事业的年轻人则因为快节奏的生活、繁重的工作而忽略自己的健康。本语音提醒器的设计即是针对这些人进行的，可以从视觉和听觉上督促使用者在预设好的时间里用药，其他时间用作电子时钟。

　　1.2 市场上已有的此类产品

　　目前市场上已经有很多用于吃药提醒的产品，其功能有的简单有的复杂，外形多种多样。技术上大都是结合单片机、语言芯片、传感器等，经过系统开发，实现预设的功能。

　　归纳一下，这些产品的形式大致有药盒、药瓶、药箱以及单独的提醒器。下面，对于其中的一些产品，作简单介绍。

　　（1）一种安全用药定时提醒管理器

　　其包括：一个电子装药盒和一个与所述电子装药盒电性连接的定时器，所述电子装药盒包括至少一个承座和若干相互间隔的药格，且所述承座收容所述若干药格，其中，所述承座配设有与各药格对应的指示灯，且所述定时器电性连接各指示灯。

　　特点：使用方便、易于携带且能有效提醒患者及时正确服药，其实用性强，安全性高。

　　（2）定时服药瓶盖

　　此设计涉及一种定时发出声响或语音提醒人们按时服药的定时服药瓶盖，设置在瓶盖上的设定时间间隔机构、声响机构、闪光器及复位开关，其相互电连接；当到服药时间时，闪光器闪光并声响器发出声响提示，服药后，复位开关随瓶盖旋紧在瓶体上而闭合，待到第二次服药时间时，又闪光及发出声响，这样可以在24小内设定多次提醒。

　　包括设置在瓶盖上的定时机构、声响机构、闪光器及复位开关；1.5伏钮扣电池正极电连接由设置在瓶盖体内定时器构成的定时机构，其另一端接地；定时器通过位于瓶

　　第2页盖与瓶体之间的复位开关，分别电连接由设置在瓶盖顶部的声响器构成的声响机构和由放大器及压电陶瓷构成并设置在瓶盖顶部的闪光器，声响器和闪光器的另一端接地。

　　（3）智能药箱

　　包括带有若干个抽屉的药箱，其特征在于：还包括中央控制装置、供使用人输入信号的输入设备、语音输出设备、定时器，所述的抽屉设有明显的编号，抽屉内侧安装有关闭传感器；所述的中央控制装置包括传感监视单元、计算分析单元、信息存储单元；传感监视单元与关闭传感器配合，记录并向计算分析单元发出抽屉的开启和位置信号； 计算分析单元包括按时服药提醒模块、服药确认模块、服药检查模块；连接输入设备的信息存储单元，储存各抽屉的药品名称、各药品的服用时间、用法用量、余量信息；按时服药提醒模块根据预设的服药时间，检查尚未按时服用的药品，向语音输出设备发送提醒信号；关闭传感器向传感监视单元发送抽屉开启信号，传感监视单元向服药确认模块发出请求信号；服药确认模块中的时间判断器判断是服药时间后发送服药信号给准确服药检查处理模块；如果不是服药时间，则通过语音输出单元询问使用人是否想服药，从输入设备得到确认信号后，发送服药信号给服药检查模块；服药检查模块得到确认的服药信号后从信息存储单元获取该时间段可以服用的药物名、正在开启的抽屉内的药品信息，判断器判断打开的抽屉中的药物是否包含在服药名中，判断为真，置这种药在此时间段已经服用的标志为真；判断为假，通过语音输出设备发出报警提示信号。

　　（4）一种定时报警提醒器

　　用于定时服药提醒，属于一种定时器，尤其涉及一种用于提醒患病者按时服药的定时器。本实用新型采用报警器与药瓶整体化结构或分体制造再由使用者将报警器粘贴到药瓶或药盒上的结构，可以切实达到准确有效提醒患者按时服药的作用。另外，本实用新型直接采用几档开关进行定时时间设定，使得中老年患者只需进行开或关的两档操作即完成了多次提醒服药的设定工作，十分便捷。

　　组成：包括信号处理单元、定时单元、报警提醒单元、报警停止部件和电源；所述的信号处理单元分别与定时单元、报警提醒单元和电源连接；其特征在于：所述的信号处理单元为芯片，所述的报警停止部件为一体或分体结构，所述的定时单元为至少包括两个开关的开关组。

　　特点：没有采用集成化大型编程芯片，成本和造价低，易于市场推广。

　　第3页 2 方案的比较和论证

　　2.1 基于PIC单片机的语音提醒器的设计

　　美国Microchip公司的PIC16F877单片机，是Microchip公司推出的一款低功耗，高性价比的8位RISC单片机，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD（In Circuit Debug）功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。

　　PIC系列单片机的主要特点

　　（1）哈佛总线结构。PIC系列单片机在架构上采用了与众不同的哈佛总线结构，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，便于实现指令提取、流水作业和全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度，并能确保数据的安全性。

　　（2）精简指令集（RISC）技术。指令系统只有35条指令，容易学习、记忆、理解，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来了极大的便利，可谓易学好用。

　　（3）寻址方式简单。只有寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址4种寻址方式，比较容易理解与掌握。

　　（4）运行速度高。由于采用了哈佛总线结构，指令的读取和执行采用流水作业方式，使得运行速度大大提高。PIC系列单片机的运行速度远远高于其他相同档次的单片机，在所有8 bit单片机中，PIC系列单片机是目前世界上运算速度最快的品种之一。

　　（5）功耗极低。其I/O口驱动负载能力较强，每个端口输入和输出电流的最大值可达25 mA，可直接驱动LED、光耦或微型继电器。

　　（6） PIC18F6585芯片具有ADC、I2C和SPI串行总线端口等，并有外接电路，简洁、开发方便，可用C语言编程，程序保密性强等特点。

　　2.2 基于AT89C51单片机的语音提醒器的设计

　　AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单

　　第4页片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

　　主要特点：

　　与MCS-51兼容

　　4K字节可编程闪烁存储器

　　寿命：1000写/擦循环

　　数据保留时间：10年

　　全静态工作：0Hz-24MHz

　　三级程序存储器锁定

　　1288位内部RAM

　　32条可编程I/O口线

　　两个16位定时器/计数器

　　5个中断源

　　可编程串行通道

　　低功耗的闲置和掉电模式

　　片内振荡器和时钟电路

　　本设计以单片机作为主控制器，结合ISD4004语音芯片以及DS1302时钟芯片，设计制作具有定时功能的语音提示电路。现有如下两种方案供选择：

　　方案一：以PIC16F877单片机作为主控制器。

　　方案二：以AT89C51单片机作为主控制器。

　　通过前面对PIC16F877和AT89C51的介绍，以及我们对两种单片机的了解，AT89C51单片机的性价比更高，所以本设计采用方案二，以AT89C51单片机作为主控制器。

　　第5页3 系统总体构思与硬件电路设计

　　本设计以单片机为核心，主要分为时钟电路和语音电路两大部分。

　　设计的整体结构如图3.1所示：

　　3.1 实时时钟DS1302

　　DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

　　3.1.1 DS1302介绍

　　1、DS1302的引脚功能及结构

　　DS1302的引脚排列如图3.2所示，其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O

　　图3.1 总体框图

　　第6页引脚变为高阻态。上电运行时，在

　　Vcc2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK为时钟输入端。

　　图3.2 DS1302封装图

　　2、DS1302的控制字

　　DS1302的控制字如图3.3所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 A4 A3 K 1

　　图3.3 DS1302的控制字节

　　3、数据输入输出

　　在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。

　　4、DS1302的寄存器

　　DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式，其日历、时间寄存器及其控制字如下：

　　CH：时钟停止寄存器2的第7位，12/24小时标志

　　CH=0 振荡器工作允许 bit=1，12小时模式

　　CH=1 振荡器停止 bit=0，24小时模式

　　WP：写保护寄存器2的第5位，AM/PM定义

　　WP=0 寄存器数据能够写入 AP=1，下午模式

　　WP=1 寄存器数据不能写入 AP=0，上午模式

　　第7页TCS：涓流充电选择 DS：二极管选择位

　　TCS=1010 使能涓流充电 DS=01，选择一个二极管

　　TCS=其它 禁止涓流充电 DS=10，选择两个二极管

　　DS=00或11，即使TCS=1010，充电功能也被禁止

　　此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。

　　表3.1 RS控制字

　　3.1.2 DS1302与单片机的连接

　　如图3.4所示，DS1302与单片机的连接很简单，仅需3条线，/RST引脚，SCLK串行时钟引脚，I/O串行数据引脚，VCC为备用电源，外接32.768kHZ晶振，为芯片提供计时脉冲。

　　3.2 LED显示

　　3.2.1 LED简介

　　LED数码管是设备的简易显示常用电子元器件，下面将介绍它的性能特点，简单检测方法及应用注意事项等内容。

　　LED数码管的主要特点如下：

　　1、性能特点

　　（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

　　（2）发光响应时间极短（0．1μs），高频特性好，单色性好，亮度高。

　　第8页

　　图3.4 DS1302与AT89C51连接图

　　（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。

　　（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，成本低。 因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。

　　2、性能简易检测

　　LED数码管外观要求颜色均匀、无局部变色及无气泡等，在业余条件下可用干电池作进一步检查。现以共阴数码管为例介绍检查方法。

　　将3伏干电池负极引出线固定接触在LED数码管的公共负极端上，电池正极引出线依次移动接触笔画的正极端。这一根引出线接触到某一笔画的正极端时，那一笔画就应显示出来。用这种简单的方法就可检查出数码管是否有断笔（某笔画不能显示），连笔（某些笔画连在一起），并且可相对比较出不同笔划发光的强弱性能。若检查共阳极数码管，只需将电池正负极引出线对调一下，方法同上。

　　LED数码管每笔画工作电流ILED约在5-10mA之间，若电流过大会损坏数码管，因此必须加限流电阻，其阻值可按下式计算：

　　R值=（U-ULED）/ILED

　　其中U为加在LED两端电压，ULED为LED数码管每笔画压降（约2伏）。

　　第9页 利用数字万用表的hFE插口能够方便地检查LED数码管的发光情况。选择NPN挡时，C孔带正电，月孔带负电。例如检查LTS547R型共阴极LED数码管时，从E孔插入一根单股细导线，导线引出端接?极（第③脚与第⑧脚在内部连通，可任选一个作为?）；再从C孔引出一根导线依次接触各笔段电极，可分别显示所对应的笔段。

　　3、使用注意事项

　　（1）检查时若发光暗淡，说明器件已老化，发光效率太低。如果显示的笔段残缺不全，说明数码管已局部损坏。

　　（2）对于型号不明、又无管脚排列图的LED数码管，用数字万用表的h距挡可完成下述测试工作：①判定数码管的结构形式（共阴或共阳）；②识别管脚；③检查全亮笔段。预先可假定某个电极为公共极，然后根据笔段发光或不发光加以验证。当笔段电极接反或公共极判断错误时，该笔段就不能发光。

　　4、LED显示驱动

　　LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

　　A、静态显示驱动：

　　静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位解码器解码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58＝40根I/O口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O口才32个。故实际应用时必须增加解码驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。

　　B、动态显示驱动：

　　数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

　　透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的

　　第10页视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

　　恒流驱动与非恒流驱动对LED数码管的影响主要有以下几点：

　　1、显示效果：

　　由于LED基本上属于电流敏感元件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动晶片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。

　　2、安全性：

　　即使是短时间的电流超载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。

　　另外，我们所采用的超大型集体电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极体的损害。超大型集体电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。

　　3.2.2 时钟显示电路

　　图3.5 LED显示电路

　　第11页时钟显示电路如图3.5所示。由6个共阴极的数码管组成时、分、秒的显示。P0口的8条数据线P0.0至P0.7分别与两个CD4511译码的ABCD口相接，P2口的P2.0至P2.2分别通过电阻R10至R13与VT1至VT3的基极相连接。本设计采用LED动态显示驱动，这样通过P0口送出一个存储单元的高位、低位BCD显示代码，通过P2 口送出扫描选通代码轮流点亮LED1至LED6，就会将要显示的数据在数码管中显示出来。从P0口输出的代码是BCD码，从P2口输出的就是位选码。这是扫描显示原理。

　　3.3 ISD4004语音电路

　　3.3.1 ISD4004芯片介绍

　　Vcca AM CAP 电源电路 控制器件 - + 5阶有源抗混叠滤波器 模拟信号收发器 译 码 器 3480K单元非易失性存储阵列 放大器 AUD OUT 自动静音 内部时钟 计时器 采样时钟 5阶有源平滑滤波器

　　图3.6 ISD4004 内部结构图

　　ISD4004系列芯片工作电压3V，单片录放时间8分钟至16分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为 4.0，5.3，6.4，8.0kHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年（典型值），反复录音10万次。