1、 多功能 电 子 医药 盒 Multi-function electronic medical box 摘 要 20 世纪中后叶，随着大规模晶体管集成电路制造工艺的飞速发展，使计算机渗透进城市的血液，成为人类社会生活中密不可分的一部分。越来越多种类的计算机投入社会生产，如果在人们的社会生活中所接触到的计算机均使用不同的、自身特有的人机接口，就要求计算机使用者掌握多种计算机操作语言，这无疑成为人们使用计算机的一大障碍。因此人与计算机的沟通成为了摆在人类面前崭新的课题。在音频压缩处理技术以及无线远程控制技术高速发 展的局面下，人们开始考虑使用人类语言作为新的方式和计算机进行无线远程对话。优化人机接
2、口，使计算机智能化，并且能听懂远处传来的人类语言，以人类的方式思考，彻底摆脱复杂的计算机语言和繁琐的输入方式是今后发展的一大方向。台湾凌阳科技推出的 16 位 MCU-DSP 混合处理器SPCE061A 可以实现上述的语音识别、数据编码等功能。因此一款全新设计的人性化智能电子药盒，会说话，能定时，更简单。 本次设计为更多人带来了便利，尤其是对于众多不习惯于传统复杂定时系统的人们 使用多功能电子医药盒提高了人们的生活效率：针对年轻人，可以 在忙碌的工作时提醒吃药的时间；针对老年人，可以提醒按时吃药、安全吃药。 今后，根据智能电子医药盒的设计理念，可将其移植到其他小家电等具有实际意义的产品中去。在
3、人类与计算机的关系日益密切的今天，更为便捷、更为人性化、更为智能化的人机对话方式无疑是今后科技发展的新趋势。 关键词 ： 人性化；语音辨识；定时自动开启药箱 ； SPCE061A 1 ABSTRACT In the 20th century, with the large after IC manufacturing process of the transistor, the rapid development of computer penetrate into the blood and become human cities in social life is part of it.
4、More and more kinds of computer into social production, if the peoples social life in contact with the computer use different, own human-machine interface, computer user requirements of computer language, mastering this undoubtedly become an obstacle of people use computers. So people and computer c
5、ommunication has become set before the human beings. In audio compression processing technology and wireless remote control technology rapid development situation, people began to consider using human language as a new way for wireless remote dialogue with the computer. Optimize human-machine interf
6、ace, computer intelligence, and understand the distant human language in humans thinking mode, and get rid thoroughly sophisticated computer language and trival input method is one of the future development direction. Taiwan sunplus technology of 16 MCU SPCE061A microprocessor - DSP mix can be reali
7、zed the speech recognition, data coding etc. Function. Therefore, a new design of human intelligence, can speak, labelsspeech recognition;time automatically open medicine cabinet;SPCE061A 2 目 录 1 引言 . 3 2 多功能电子医药盒 设计概述 . 5 2.1 设计目的 . 5 2.2 设计实现总体功能 . 5 3 系统总体设计方案 . 6 3.1 设计总体功能图 . 6 3.2 功能描述 . 6 3.2
8、.1 按键功能描述 . 6 3.2.2 定时的开启 . 6 3.2.3系统硬件设计方案 . 6 3.2.4 遥控器硬件设计方案 . 7 3.3 产品使用注意事项 .10 4 主要系统芯片及功能介绍 . 11 4.1 凌阳单片机的选择 . 11 4.2 主要性能特点分析 . 11 4.3 系统主控制芯片及部件介绍 .12 4.3.1 无线语音遥控器主控制器 SPCE061A 介绍 .12 4.3.2 直流电机驱动芯片 L298N 的介绍 .14 4.3.3 无线语音遥控器中 SPCE061A 的功能 .15 5 软件设计部分及方案 . 19 5.1 凌阳 SPCE061A 单片机指令系统与开发环
9、境 . 19 5.2 ATMEGA16L 单片机指令系统与开发环境 . 20 结 论 . 21 参考文献 . 22 附录 1：电路图 . 23 附录 2： 程序 . 24 致 谢 . 43 3 1 引言 随着现代科学技术的飞速发展，数字化时代的来临，计算机和网 络已经将触角 伸入社会各行各业，渗入了城市的血液中，并且在一定程度上取代了人类繁琐的机械的劳动。世界也正面临一场大规模的新的工业革命，又称为信息革命。数字化、智能化，已经成为这场革命的主旋律。让计算机像人类一样动作一样思考，并拥有人的记忆和人的逻辑，使人类从繁琐的键盘操作和按键输入中解脱出来是电脑智能化面对的重要课题。 在现代传感器技术
10、、音频视频压缩解码技术的跨越式发展，使计算机实现了高度的集成化，功能也逐渐出现全能化、专门化以及智能化的分化发展方向。计算机的微处理器的功能也不仅仅局限于计算和处理数据，同时也 将存储和硬件解码等外围电路也集成到其中。也正是因为如此，运用单独的处理器就可以实现智能化人机对话接口，让计算机像人类一样思考，通过人类的动作和语言向计算机输入指令，使计算机的操作方式发生根本性的变革，真正拉近人与计算机间的距离。 现代计算机的性能已经相当强大，运算能力已经不可限量，而且还在飞速发展。在日常生活的诸多领域，电脑已经取代人类，从事大量繁琐的、重复性的劳动。但是在这些领域中，大型的计算机不能充分发挥自身性能，
11、而且在成本方面也毫无经济性可言。所以，针对不同领域不同功能的专门性计算机应运而生，其运算处 理能力并不一定非常强大，而是对于特别的应用场合在其中整合特殊的功能，使其在特定的场合发挥最大的作用。嵌入式计算机应运而生，嵌人式计算机作为计算机的一个重要分支，得到了越来越广泛的应用。随着信息技术发展所带来应用需求的增多，嵌人式计算机的应用范围和需求越来越广，性能不断改进，新的架构不断出现，各种单片机和数字信号处理器相继面世。嵌人式操作系统与 PC 操作系统相比，嵌人式操作系统不要求全能，但必须能够依据系统设计规格，高效率地发挥硬件的运算能力，使产品达到效率价格比的优化。 本次设计是在运用成品嵌入式计算
12、机的基础 上，实现用人类的语言无线遥控单片机的运作。为了更明确的显示声音对单片机的遥控作用，使单片机控制 远 处可 开启的药盒 ，体现声控单片机的运行情况。 对于 多功能电子医药盒 的设计，关键在于语音识别 ， 语音处理技术是一门新兴的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识别等各种处理技术。以往做这方面的设计，一般有两个途径：一种方案是单片机扩展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加 很多的外围器件。专门的语音处理芯片也比较多，像4 ISD 系列、 PM50 系列等，但是专门的语音处理芯片功能比
13、较单一，想在语音之外的其他 方面应用基本是不可能的。而无线通信技术现在多采用无线数字通信模块，其通信协议可以自己设定，通信频率可以在一定范围内可以改变，使传输数据的可靠性、安全性都大大提高。 基于上述要求本次设计拟采用三种设计方案。在芯片方面， ATMEGA16L 微处理器和凌阳 SPCE061A 微处理器以及二者的组合应用是三种备选方案。两种微控制器都具有丰富的片上系统资源，可以通过外加辅助电路的方式实现语音辨识功能，从而满足对控制指令的语音采集、压缩、存储、解压 和辨识等一系列功能的要求。在指令系统方面，两者都支持 C 语言，省去了繁琐重复的堆栈操作，方便了程序员的编写，和读取。 在确定设
14、计使用单片机后，还应对单片机加装部分外围电路才能使用，其中包括：电源电路、音频电路、 I/O 电路等。使其保证单片机各项功能的实现。此外还有部分必须的功能电路，如：复位按键，状态指示灯等等。 在 药盒仓体方面，采用三个直流电机 驱动，动力来自驱动后轮的直流电机，驱动器采用意法半导体生产的 L298N 直流电机驱动器， 整个 药盒由电源供电 。 语音指 令的识别过程是利用单片机的特定人语音识别功能来实现的。 首先对电子药盒 进行训练，将语音命令转换为数字信号存储在单片机 FLASH 存储器中。在需要控制药仓开启 的时候，单片机通过采集声音信号，并量化处理为数字信号后，与存储器中预先存储的控制命令
15、进行辨识，结果以字节数据方式 从无线模组发出，药盒接收到控制指令后，控制驱动芯片和舵机，使电子药盒 完成响应动作。这些操作都是由预先编写并烧录在单片机中的 C 语言程序控制的。 在整个设计中，两个难点在于单片机外围电路的设计和控制程序的编写。如果能很好的解决这两个方面的问题， 电子药盒的工作 应该会比较顺利。 5 2 多功能电子医药盒 设计概述 2.1 设计目的 随着我国 国民经济的发展，针对生活节奏的加快和 社会老龄化的趋势，结合产业发展需要，设计出了多功能语音电子医药盒。 使用多功能电子医药盒提高了人们的生活效率：针对年轻人，可以在忙碌的工作时提醒吃药的时间；针对老年人，可以提醒按时吃药、
16、安全吃药。 2.2 设计实现总体功能 采用凌阳单片机的语音技术，传动技术，记忆与存储技术。 性能指标： 1 语音提示后， 仓盖开启和闭合的时间： 1 2s； 2 药仓数量： 4 仓设计 ； 3 能根据人的提示进行药物的选择； 4 人性化设计与友好的人机界面； 5 24 小时内任 意设定 药物服用 提醒 ； 6 语音互动，可以实现人机对话，具有小型机器人的识别能力； 7 四仓设计，分为底仓、固定仓与常动仓，介绍如下： 底仓：为药物备用仓； 固定仓：针对家庭中常常需要服用药物的人所设计，服药时间、数量等可进行自行设定。 常动仓（分两层）：针对生活中的易发性疾病所设计，服药时间、数量等可进行自行设定
17、，具备语音识别功能，可根据语音提示，自动进行药物的选择。 8 具有时间的记忆功能 。 6 3 系统总体设计方案 3.1 设计总体功能图 3.2 功能描述 3.2.1 按键功能描述 时间调整键：可对现在 时间及设定时间进行调整，可实现 5 路定时提醒：对于时间调整，可进行年月日小时分的设定 。 设定药物键：通过此键可进行服药位置、时间及数量（最大为 4）的设定，对于服药位置，可进行层数（最大为 3）与格数（最大为 6）的设定 。 采用默认键：通过此键无需设定，即可享用标准方案：位置：一层 2 格；时间：早上 8 时，数粒： 2 粒 。 3.2.2 定时的开启 当时钟计时达到预定时间，液晶自动显示
18、药品位置 、种类及服用量，语音播报液晶屏上显示的信息。同时，单片机控制直流 电机迅速转动，自动开启药盒。3.2.3 系统硬件设计方案 根据需要，系统硬 件拟使用两块 PCB 板设计。其中一块为语音遥控器，用7 于搭载凌阳 SPCE061A 单片机、电源电路、音频电路、 I/O 电路等外围电路。另一块为车体控制板，用于搭载接口电路，电源电路及电机驱动。 调 整 “ 现在时间 ” 及定时 ： 1） 接通电源时为 默认状态 ； 2） 当前时间 显示 ：12： 00； 3） 定时 显示 ： 08： 00； 4） 数量 显示 ： 2 粒 ； 5） 当前 位置 显示：第一层 。 3.2.4 遥控器硬件设计
19、方案 在无线语音遥控智能电子医药盒 的设计中，凌阳 SPCEO61A 单片机作为遥控器的主控制器，需要增加一系列的外围电路的支持才能实现音频输入输出和识别，以及语音命令的输出等功能。需要增加的外围电路有：电源电路、 MIC 输入电路、音频输出电路、无线传输电路、复位电路、 I/O 接口电路。 1.电源电路 凌阳 SPCE061A 单片机内核电源电压要求为 3.3V，其他逻辑器件要求 5V 供电，设计中采用 DC9V 供电，直流电压先通过 LM7805 得到 5V 直流电源为逻辑电路供电，然后通过 SPY0029 稳压到 3.3V，为整个单片机内核供电。另外，在LM7805 的前端入一个二极管，
20、目的在于防止电源接反而对整个电路造成损坏。电路如图 3-1 所示。 图 3-1 电源电路 电源开关S1SW-PBD1DiodeVIN3GND1VO2U2 11173.3V123J1PWR2.5VIN1GND2VO3U4 LM7805470R10DS1300R11DS2VCC8 2.音频电路 1)MIC 输入电路 在使用 SPCE061A 的语音训练和声音控制的时候，需要使用 MIC 输入电路将语音信号接收，并传送至 SPCE061A 进行处理。为提高输入的声音质量， MIC输入电路还应具备一定的滤波降噪功能。电路中的 性滤波器就能很好的实现这个功能。同时使入电路可以实现自动增益（ AGC）控制
21、。原理如 图 3-2 其中 X1是语音的 MIC 输入端。 图 3-2 MIC 输入电路 2)DAC 输出电路 在语音训练的过程中， 凌阳 SPCE061A 需要输出信号提示音 ，以让训练者了解其工作状态，方 便进行语音训练。另外还要播报药盒 的工作状态。 SPCE061A自带双通道 DAC 音频输出， DAC1、 DAC2 转换输出的模拟量电流信号分别通过 DAC1 和 DAC2 管脚输出， DAC 输出为电流型输出，所以 DAC 输出经过SPY0030 音频放大，以驱动喇叭放音 。 这为单片机的音频设计提供了极大方便。原理图如图 4.3。 在 P9 上 接一个 2pin 的插针外接喇叭 ，
22、 即可实现提示语音输出功能。 DAC 电路中， SPY0030 是凌阳的一款音频放大芯片，相当于 LM386，但是它比 LM386 音质好，可以工作在 2.4-6.0V 范围内，最大输出功率 可达 700mW。 1KR2220uFC4MK13KR33KR4224C5224C6MICN MICP VMIC10KR510KR6VADREF104C747uFC84.7uFC9470KR7AGC9 图 3-3 DAC 输出电路 3.I/O 接口电路 接口电路 凌阳 SPCE061A 的两路 16 位 I/O 接口引出，因为一般逻辑电路都是 8 位并行总线，所以 SPCE061A 的 I/O 接口分为
23、4 组，每组 8 个端口加两个电源线，电源电压可由双刀双掷选择为 3.3V 或 5V。另外，串口和 IOB7 及 IOB10复用，在此设计中用该资源将语音命令传输给串口 nRF2401 模组进行无线发射。原理图如图 3-4。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10P21 2 3 4 5 6 7 8 9 10P31 2 3 4 5 6 7 8 9 10P41 2 3 4 5 6 7 8 9 10P5IOA0IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7IOA8IOA9IOA10IOA11IOA12IOA13IOA14IOA15IOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB7IOB8IOB9IOB10IOB11IOB12IOB13IOB14IOB15S20S21+ +- +VCC3.3VTX RXIOB10 IOB7图 3-4 I/O 接口电路 4.复位电路 在一些情况下，需要对 SPCE061A 进行硬件复位， 有阻容电路完成上电复位+5-4217 836U7SPY0030104C18224C211KR331KRP2VCC12P9DAC100pFC19
