基于单片机的病房呼叫系统设计-论文.doc

本科毕业设计（论文） 题 目 基于单片机的病房 呼叫系统设计 姓 名 专 业 学 号 指导教师 郑州科技学院信息工程学院 二○一五年六月 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 课题研究的背景及意义 1 1.2 国内外的研究状况 1 1.3 无线通信技术 2 1.3.1 IrDA红外无线技术 2 1.3.2 蓝牙技术 3 1.3.3 超宽频（UWB）技术 3 1.3.4 Wi-Fi(IEEE802.11)技术 4 1.3.5 Zigbee技术 4 2 系统的整体设计 5 2.1 病房呼叫系统的设计要求 5 2.2 方案论证 5 2.3 方案选择 7 2.4 整体设计思路 8 3 系统的硬件设计 9 3.1 呼叫发射终端的硬件设计与实现 9 3.2 接收显示终端的硬件设计与实现 10 3.2.1 单片机的选择 10 3.2.2 无线接收模块 12 3.2.3 显示电路 14 3.2.4 报警电路 16 3.2.5 查看、清零电路 17 4 系统的软件设计 18 4.1 主程序设计 18 4.2 数据检测模块程序设计 18 4.3 显示报警模块程序设计 19 5 系统调试及实验结果分析 20 5.1 软件调试 20 5.2 硬件调试 21 5.3 实验结果分析 23 结 论 24 致 谢 25 参考文献 26 附录1 系统总体电路图 27 附录2 元器件清单 28 附录3 实物图 29 附录4 源程序 30 基于单片机的病房呼叫系统设计 摘 要 医疗呼叫系统是提高医院医疗服务水平和质量的一个重要组成部分，医院医务人员与病人之间信息沟通是医疗呼叫系统的主要功能。无线医疗呼叫系统可在不改变病房现有布局的情况下实现医务人员与病人之间的交流。 本文介绍了一种基于STC89C51单片机的病房呼叫系统，整个系统以STC89C51单片机为核心辅以无线模块以及显示电路，能够实现病人和医护人员之间的信息传递。当有按键按下时，无线发射模块编码并发射信号，再由无线接收模块接收到信号译码后汇总到单片机，最终由LCD1602示出呼叫者的病床号并伴有蜂鸣器的报警声，从而获得医疗救治。此系统能够为医院提供一个成本低效率高、操作方便和易于安装维护的快捷系统。 关键词：单片机；无线模块；LCD1602；蜂鸣器；呼叫系统 THE DESIGN OF SICKBED CALLING SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP MICORCOMPUTE Abstract Medical Call system is used to improve the health care in hospital and its main function is to keep in touch between the doctors or the nurses and the patients. They can contact with each other by the wireless medical call system(WMCS) under unchanging existing wards layout. This paper introduces a kind of Sickbed Calling System based on STC89C51 Single Chip Microcomputer. All the system as STC89C51 Single Chip Microcomputer as core, and coupled with wireless module and display circuit, so it let the exchange between doctors and patients comes true. This project use the button replace the button beside sickbed. When someone press down the button beside the sickbed to need doctors or nurses help.Through the wireless send module to send the message, then received by wireless receive module and collected by Single Chip Microcomputer, displayed by LCD1602 indicator and accompany with alarming from buzzer at last, so that they receive the help from doctors or nurses. This equipment provide a low cost and efficient and easy to manipulate system to the hospital. Keywords：Single Chip Microcomputer; LCD1602; Buzzer; Calling System 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 病房呼叫系统是一种能够为病房护士与病人提供远程对话的辅助工具，它可以有效地加强护士与病人之间的联系，提高医疗护理水平，缓和医患之间的紧张关系。如何利用如今先进的信息科学技术来服务于医疗领域，从而更大程度的提高医院的服务质量及利润，满足人们需求是现在医院信息化建设中的一个重要着眼点。医疗呼叫系统已经成为医院不可缺少的监护设备，是各医院现代化的标志，它对于病人和医护人员之间的信息沟通起到了至关重要的作用，能够有效地保证病人及时得到医护人员的看护和医治。 病房呼叫系统是现代化医院实现信息化、智能化以及现代化管理的重要组成部分,可以有效地提升医院的形象，强化医院的管理[1]。在当今的医疗系统中，各种电子检测仪器、治疗仪器被广泛应用，从而有效的提高了诊断的准确度以及治疗效果。医院的呼叫护理系统从传统上陪护家属们的口头呼叫到电子按铃呼叫，至今国内大多数医院仍停留在电子按铃呼叫的阶段，只有少数医院实现了电子通话的功能，医院中呼叫系统是否得力直接关系到病人的人身健康，严重时甚至会对病人造成生命威胁。随着我国信息事业的持续、快速发展，通信基础设施日臻完善，当代世界通信技术发展的总趋势是数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化[2]。病房呼叫系统是以医院为平台，综合利用无线通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将报警呼叫有关的设施集成，构建高效的病床呼叫管理系统，提升医护人员的工作效率、病人的健康安全指数以及便利程度，并且实现医务工作者及时处理病人的呼叫。 1.2 国内外的研究状况 工业革命开始于欧洲，很大程度上推动了欧洲各国经济的发展，欧洲各国在电子产品领域上自然也是领先于我国的。在欧洲较为发达的国家，其医院的病床呼叫系统非至善至美。目前最为先进的病房呼叫系统是美国研制的可视系统即按下呼叫按键后，进行呼叫的病人能够在医护人员收到呼叫报警后和医护人员进行视频对话。但我国的病房呼叫系统起步较晚，在上个世纪八十年代还在采用人工报警或者摇铃报警，之后才出现了按铃呼叫，但技术含量比较低[3]。随着电子技术的发展，呼叫系统逐步由继电器控制实现，由于继电器机械触点式结构，存在触点多，可靠性差等缺点，使得其在病房紧急呼叫系统中的应用受到很大限制[4-7]。改革开放以来随着新产品的引进，电子技术的发展，门铃式呼叫系统渐渐的在国内各医疗机构普及，但由于技术含量低，稳定性差等不足，在应用方面还存在许多隐患。当前，少数成型的无线病房呼叫系统基本上采用基于RF无线射频技术进行传输，在连接方面省去了专用线路，大大减少了施工量，而且美化了外观。但这种系统的最大缺陷是容易产生同频信号干扰，在同一频段内的其他无线设备工作时，信号将会抵消。此外，当多个节点同时发送呼叫信号至护士站时相互间抢占信道，护士站主机会丢掉其中的部分呼叫请求，可靠性相对较低。 目前国内许多医院的病房呼叫系统也只是简单地按键触发，引起医护值班室中显示出呼叫病床号并有报警铃响起，没有实现呼叫病人和医护工作人员之间的语音对话功能，好让医护工作人员清楚呼叫者的需求（病人出现不适或者患者需更换吊瓶等需求），提高医护人员的工作效率降低病患者的健康风险。 时至今日，病房呼叫系统也在日益完善并且正朝着小型化，智能化以及人性化的方向发展，相信在不久的将来，我国的无线病房呼叫产品也会站在世界同行的前列。 1.3 无线通信技术 1.3.1 IrDA红外无线技术 IrDA是红外数据协会的缩写，全称为The Infrared Data Association，是20世纪90年代初期成立的一个国际性非营利组织，负责制定和推广可以共同实用的低成本红外数据互联的国际标准。IrDA的宗旨是制定以合理的代价，来实现标准和协议，从而促使红外通信技术的发展。IrDA标准的无线设备传输速率已经从原先的115.2kbps逐步发展到了4Mkbps、16Mkbps[8] 。 红外无线通信技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。红外通信技术由于其价格低廉、使用方便，解决了有线连接的许多不便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低廉、不需申请频段及技术比较成熟的特点，但IrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。 1.3.2 蓝牙技术 蓝牙（luetooth）技术一开始就瞄准了无线局域网的市场，在10米到100米的空间内，支持该技术的移动或非移动设备可方便地建立网络、进行音频通信。蓝牙技术的最终目标是建立一个全球统一的无线连接标准，使不同厂家生产的移动计算机和便携式设备能在近距离通过无线的方式连接起来，实现交叉操作以及交互信息数据共享，各种信息化的移动便携设备通过无线的连接方式实现资源共享[9]。 蓝牙列入了IEEE 802.15.1标准，其规定子包括PHY层、MAC层、网络层和应用层的集成协议栈。蓝牙的工作频率为2. 4GHz，有效范围半径约l0m。在其范围内，设备相互间可自动使用无线的方式连成一个微网，进行联络与确认。另外，蓝牙对每个微网只能配置7个节点，制约了其在大型传感器网络中的应用[10]。 1.3.3 超宽频（UWB）技术 超宽频（UWB）全称为ULTRA WIDE BAND，该技术发展于20世纪60年代，当时主要研究微波网络在面对时域脉冲时产生的瞬间行为。80年代后期，UWB技术开始被称为无载波或脉冲无线电，美国国防部在1989年首次使用“超宽频”这个词。UWB技术带宽相对较大，分辨率高，抗干扰强、保密性好、定位精确、系统容量大且传输速率高。根据最新的美国联邦通信委员会（FCC）的定义，超宽频系统的中心频率高于2.5GHz，并具有至少500MHz的l0dB频宽。UWB种类众多，因此潜在的应用也相当广泛，包括无线局域网（WLAN）、个人局域网络（PAN）、短距离雷达（如汽车传感器、防撞系统、智能型高速公路感测系统及液态物体书评侦测系统）、穿地雷达，以及应用在医疗监视与运动员训练等领域的人体局域网络[11]。 1.3.4 Wi-Fi(IEEE802.11)技术 Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一种无线通信协议。IEEE802. 11的最初规范是在1997年提出，主要目的是提供WLAN接入，是目前WLAN的主要技术标准。IEEE802. 11流行的几个版本包括：“a”（波段为5. 8GHz，带宽为54Mbps），“b”（波段为2. 4GHz，带宽为11Mbps）和“g”（波段为2. 4GHz，带宽为22Mbps）。Wi-Fi技术的工作频率为2. 4GHz，最高传输率能达到11Mbps。Wi-Fi规定了协议的物理层和媒体接入控制层，并依赖TCP/IP作为网络层。Wi-Fi技术能让无线用户得到以太网的网络性能及速率，且可无缝地将多种LAN技术集成起来，形成一种能最大限度地满足用户需求的网络，具有部署方便、通信可靠、抗干扰能力强、成本低、灵活性好、吞吐量大等特点。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电，这些特点限制了它在工业场合的推广和应用[12]。 1.3.5 Zigbee技术 2004年12月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司共同发起，加入联盟来研发名为、“ZigBee”的下一代无线通信标准[13]。目前，这个联盟已经吸引了上百家芯片公司、无线设备开发商和制造商的加入[14]ZigBee联盟正式发布了ZigBee技术的标准[15]。ZigBee（IEEE802. 15. 4）技术是一种短距离的无线通信技术，使用2. 4GHz波段，采用跳频及扩频技术。ZigBee网络具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、省电、安全及免执照频段的特点，主要应用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。ZigBee技术的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络）、医护（如无线传感器网络）、家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警等）、消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。因ZigBee产品的互操作性与厂商无关，免去每次为制定方案的重新设计，增强了产品的革新，应用工业标准和通用平台更具经济效益[16-18]。 2 系统的整体设计 2.1 病房呼叫系统的设计要求 通过走访多家医院，发现在不同规模的医院中，基本上都是除了重症监护室外，普通病房中的病床一般为2到4张，因此将病房呼叫系统设计为一个病房中有4个病床是符合实际要求的。为防止病房中出现多个病床同时呼叫导致的医疗救治不及时影响病人的生命健康，需要将床位号进行优先级设置，以达到对病人进行及时救治的目的。系统包括4路呼叫信号，按病人的病情设置呼叫优先级，有多个病人同时呼叫时，显示优先级最高的病床号，对低优先级的呼叫进行存储，处理完高优先级的呼叫，按下查看按键，则显示出被迫进入呼叫等待的优先级较低者的床位号。系统要易于安装便于操作维护，成本低廉。 2.2 方案论证 系统整体划分为两大部分，即固定在病房中的呼叫发射终端，固定在医护值班室中的接收显示终端。对于设计病房呼叫系统的可行方案中，针对是否采用无线通信技术以及采用无线通信技术的程度，制定出了以下三种方案。 方案一：整个呼叫系统是基于传统的有线方式完成的，每个元器件都是使用导线连接起来的，实现各元器件之间的信息传递。呼叫发射终端中四个呼叫按键与主机以有线方式进行连接，通过按下呼叫按键，对主机产生一个外部中断，控制调用显示报警子程序，然后由接收显示终端进行报警。其中，医护值班室的报警系统和主机之间也是采用有线的方式进行连接的，使用电线的长度取决于病床与医护值班室距离的实地测量值，方案一的系统框图如图2.1所示。 显示器 1号床 单 片 机 2号床 3号床 蜂鸣器 4号床 图2.1 方案一系统框图 方案二：该方案就是将病床呼叫系统进行完全无线化设计，即采用无线模块代替繁琐的逻辑电路，简化系统的电线连接。 将每个呼叫按键各与一个无线发射模块连接封装成遥控器形式，病人能够在病房中任意走动，病房中随处感觉不适时按下呼叫按键的进行呼叫，无线发射模块将信息发射出去，而后由无线接收模块接收信号，并将该信号传递给单片机，进而控制显示器和蜂鸣器发出呼叫信号。方案二的系统框图如图2.2所示。 1号床 无线发射模块何必 2号床 无线发射模块何必 3号床 无线发射模块何必 4号床 无线发射模块何必 单 片 机 显 示 器 蜂 鸣 器 无线发射模块何必 图2.2 方案二系统框图 方案三：将有线通信技术和无线通信技术有机的结合起来，应用在病房呼叫系统的设计当中，也就是说，在整个病房呼叫系统当中，既有利用电线进行连接的有线电路，又有使用无线技术建立起来的无线通信模块。 呼叫发射终端由4个呼叫按键通过导线与一个无线模块相连，报警显示终端由无线接收模块、一片单片机、一个液晶显示器、一个蜂鸣器以及复位按键连接而成。当有人按下呼叫按键时，由无线发射模块将信号发射出去，无线接收模块接收到该信号，通过单片机来控制液晶显示器和蜂鸣器进行显示报警。基于方案三设计的系统框图如图2.3所示。 呼 叫 发 射 终 端 接 收 报 警 终 端 无 线 发 射 模 块 无 线 接 收 模 块 图2.3 方案三的系统框图 2.3 方案选择 综合以上三种方案进行分析如下： 方案一的系统设计思路明确，完全可行，只是因为整体系统采用有线方式进行连接，在安装时要对并房屋中各个病床和医护值班室之间的距离测量，来准确的拉扯电线，非常的不方便，而且对于规模略大些的医院而言，更是实用性不强，由于医院规模较大，病房很多，避免不了有很多病房距离医护值班室较远，这使得安装更加麻烦。而且由于整个装置都是有线连接方式，电路走向复杂，如若后期系统不能正常工作而需要维修时，维修人员检查故障都是一件非常不易的事情。 与方案一的有线型病床呼叫系统相比而言，方案二的无线病床呼叫系的实用性会更强大些，更接近现代化、智能化、自动化，但是由其设计原理及其系统框图可以明确得知，此方案下设计出来的病床呼叫系统使用到的元器件比较多，不仅在焊接以及调试时带来了一定的难度，并且使得系统因使用元器件繁多而增大成本，这不符合我们的设计理念。 与前两种方案相比较而言，第三种方案综合运用有线技术和无线技术的病床呼叫系统的设计更符合目前社会和人们的需求，该设计方案不仅使用无线模块简化了电路，便于安装和日后维修，而且使用方便、成本较为低廉能够让更多的医院接受，便于推广。虽然基于该方案的呼叫系统没能达到人们理想中的完全智能化、信息化、自动化，但是也很大程度上满足了现代人们的需求。 综上对三种设计方案的分析与比较，再结合现阶段的人们地生活水平和对医疗辅助装置功能及质量的要求，以及各方案下系统的可推广性，方案三是最佳方案。 2.4 整体设计思路 设同一病房内有四个病人，并将病床分别记为1号床、2号床、3号床和4号床，根据病情的严重性设置优先级，优先级从高到低的顺序依次为1、2、3、4即1号床、2号床、3号床和4号床的病人的病情由重到轻。当有病人按下呼叫按键时，无线发射模块就会发出相应的信号，待无线接收模块接收到信号后，汇总到单片机，然后通过单片机控制显示器显示出呼叫病人所在的病床编号并伴有蜂鸣器的报警声。当有两个或两个以上的病人同时按下呼叫按键时，呼叫系统则会根据其优先级进行床位号的显示，优先级高的先显示，优先级较低的则进入到呼叫等待中，等医护人员处理完高优先级病人的呼叫后才会显示出低优先级的床位号。系统的整体框图如图2.4所示。 无线发射模 块 1号床 2号床 3号床 4号床 单 片 机 无 线接 收模 块 显 示 器 蜂鸣器 图2.4 系统整体框图 3 系统的硬件设计 3.1 呼叫发射终端的硬件设计与实现 呼叫发射终端是安装在病房之中的，由编码芯片PT2262、发射头、呼叫按键、按键指示灯以及一节12V干电池组成。当有呼叫按键按下时，按键指示灯会闪烁，编码芯片会对该信息进行编码并由发射头将编码好的信息发射出去。PT2262是低功耗低价位通用编码电路，其引脚图如图3.1所示。 图3.1 PT2262引脚图 PT2262PT2262最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空、接高电平、接低电平)，任意组合可提供312个地址码，PT2262 最多可有6位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。PT2262 管脚说明如表3.1所示。 表3.1 PT2262管脚说明 名称 管脚 说明 A0-A11 1-8 10-13 地址管脚，用于进行地址编码,可置为“0”、 “1” 、“悬空”。 D0-D3 10-13 数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉。 VCC 18 电源正端（＋） GND 9 电源负端（－） TE 14 编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效； OSC1 15 振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率； OSC2 16 振荡电阻振荡器输出端； DOUT 17 编码输出端（正常时为低电平） 在通常使用中，一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码芯片PT2262和解码芯片PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，38即6561（8个引脚，3种状态），所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，一般生产厂家都把地址编码端悬空，用户可以自己设置编码。设置地址码的原则是：同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。 发射头是一块集成电路，有3个引脚，分别是：数据引脚（DATA）、电源引脚（VCC）以及接地引脚（GND）。呼叫发射终端的连接示意图如图3.2所示。 PT2262 VCC DOUT TE D0 D1 D2 D3 发射头 VCC DATA GND 1号按键 2号按键 3号按键 4号按键 图3.2 呼叫发射终端连接示意图 3.2 接收显示终端的硬件设计与实现 接收显示终端是由STC89C51单片机、无线接收模块、LCD1602、蜂鸣器组成。由无线接收模块接收来自呼叫发射终端的无线信号，并由STC89C51单片机控制进行报警显示，即由LCD1602显示出呼叫病床的床位号，同时伴有蜂鸣器的报警声。 3.2.1 单片机的选择 单片机系统是以单片机为核心，配合适当的外围设备和软件构成的应用系统，其基本硬件结构如图3.3所示。 输入设备 输入接口电路 输入接口电路 输出设备 控制器 存储器 运算器 表示控制信息流 表示数据信息流 图3.3 单片机的硬件结构 STC系列单片机是由深圳宏晶科技公司开发、台湾积体电路制造股份有限公司生产的增强8051内核单片机，在片内资源、性能以及工作速度上都有很大的改进。STC单片机产品系列化、种类多。STC单片机按照工作速度和内部资源的配置不同，可以分为若干个系列产品。STC89、STC90和STC11/10系列属于基本配置，而STC12/15系列产品增加了PWM、A/D和SPI等接口模块。每个系列产品的差异主要是片内资源数量上的差异。 在单片机选型时，应根据控制的实际需要，选择合适的单片机，即单片机的内部资源要尽量满足控制系统需求，而减少外部接口电路，保证单片机应用系统的高可靠性和高性价比。STC89系列单片机性能优、价格低廉、编程方便，满足系统需求。故此，在本课题的研究中选择了STC89C51单片机。 STC89C51单片机最小系统包括单片机及其所需的必要的电源电路、时钟电路、复位电路等，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。单片机最小系统电路图如图3.4所示。 图3.4 单片机最小系统电路图 3.2.2 无线接收模块 无线接收模块包括接收头和译码芯片PT2272。PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，一般要求译码器振荡频率要高于编码器振荡频率的2.5～8倍，否则接收距离会变近甚至无法接收，随着技术的发展市场上出现一批兼容芯片，在实际使用中只要对振荡电阻稍做改动就能配套使用。在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发一帧码的时间越长。PT2272的引脚图如图3.5所示。 图3.5 PT2272引脚图 接收头将接收到的信号输入PT2272的14引脚（DIN），由PT2272对接收到的信号进行解码，然后将解码后得到的信号输出。PT2272管脚说明如表3.2所示。 表3.2 PT2272管脚说明 名称 管脚 说明 A0-A7 1-8、10-13 地址管脚，用于进行地址编码，可置为 “0”，“1”，“f”(悬空)，必须与2262一致，否则不解码 D0-D5 7-8 10-13 地址或数据管脚，当作为数据管脚时，只有在地址码与2262一致，数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平，否则输出为低电平，锁存型只有在接收到下一数据才能转换 VCC 18 电源正端（＋） VSS 9 电源负端（－） DIN 14 数据信号输入端，来自接收模块输出端 OSC1 16 振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率； OSC2 15 振荡电阻振荡器输出端； VT 17 解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态） 编码芯片PT2262 发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。当呼叫发射终端没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262接通电源，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控相当于调制度为100％的调幅。 接收头是一块集成电路，有4个引脚，分别是：两根数据引脚（DATA）、电源引脚（VCC）以及接地引脚（GND）。接收头与PT2272的连接方式连接方式示意图如图3.6所示。 接收头 DATA DATA VCC GND PT2272 DIN VCC VSS 图3.6 接收头与PT2272连接方式示意图 无线接收头接收到PT2262发射出的无线信号后，由PT2272对该信号进行解码，并输送给单片机，通过51单片机进行控制显示报警电路，进而发射出相应的报警信号。PT2272与51单片机的连接方式如图3.7所示。 PT2272 D0 D1 D2 D3 STC 8 9 C 5 1 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 图3.7 PT2272与单片机连接方式示意图 3.2.3 显示电路 当有呼叫按键按下时，由无线发射模块将对应的信息发射出去，由无线接收模块接收到信息并将信息解码后，然后由单片机控制LCD1602和蜂鸣器进行显示报警。本呼叫系统的显示电路采用的是LCD1602来显示报警信息。 LCD1602可以显示两行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5v，工作电流为2.0mA(5.0V)；字符尺寸为2.954.35(WH)mm并且带有字符对比度调节和背光。该模块也可以只用D4-D7作为四位数据分两次传输。这样的话是可以节省MCU的I/O口资源。 LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚功能如表3.3所示。 表3.3 LCD1602显示模块的引脚功能表 引脚号 名称 状态 功能 1 VSS 电源地 2 VDD 电源 3 VL 液晶驱动电源 4 RS 输入 寄存器选择1：数据；0：指令 5 R/W 输入 读/写操作选择1：读；0：写 6 E 输入 使能信号 7 DB0 三态 数据总线（LSB） 8 DB1 三态 数据总线 9 DB2 三态 数据总线 10 DB3 三态 数据总线 11 DB4 三态 数据总线 12 DB5 三态 数据总线 13 DB6 三态 数据总线 14 DB7 三态 数据总线（MSB） 15 E1 输入 背光调节 16 E2 输入 背光调节 VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；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；R/W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和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读写信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据；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；DB0～DB7为8位双向数据线；DB0背光源正极；DB1背光源负极。显示电路如图3.8所示。 图3.8 显示电路 3.2.4 报警电路 报警电路的作用是在有病床按下呼叫按键时，医护工作人员很有可能会忽略液晶显示屏显示出来的呼叫病人的床位号，这一视觉上的报警信号，于是引入了蜂鸣器，利用蜂鸣器的响声进行报警，当有病人按下呼叫按键时，液晶显示器显示呼叫者的床位号的同时，蜂鸣器便会发出响声，因此就会给医护工作人员一个听觉上的报警信号，避免医护人员较忙的时候，病人长时间呼叫而得不到响应。 报警电路如图3.9所示，当有病人按下呼叫按键时，单片机经P3.4输出一个低电平，再经过一个阻值为2.2K的限流电阻将PNP型三极管导通，随后蜂鸣器发出报警信号。 图3.9 报警电路 3.2.5 查看、清零电路 查看、清零电路即查看按键电路和清零按键电路。当有病人呼叫时，显示器会显示出呼叫病床的床位号，蜂鸣器也会发出报警响声，医护工作人员接收到呼叫信息时，按下清零按键对此呼叫信息进行清除；当有两个或两个以上的病人同时按下呼叫按键时，液晶显示屏显示出优先级较高的病床号，医护工作人员按下查看按键，优先级较高的病床号被清除，同一时间发出呼叫请求的优先级较低的病房的病床号被显示。查看、清零电路的电路图如图3.10所示。 图3.10 查看、清零电路 4 系统的软件设计 4.1 主程序设计 系统通电后，首先进行初始化操作，然后接收数据，并对接收到的数据进行数据检测，系统调用显示子程序和报警子程序，随后进行报警呼叫显示，在医护工作人员接收到呼叫信息后，按下复位按键，则系统又返回到了初始状态。本病床呼叫系统的主程序流程序如图4.1所示。 接收数据 系统初始化 开始 数据检测 显示报警 呼叫处理 图4.1 主程序流程图 4.2 数据检测模块程序设计 当系统通电后，对与主机相连的PT227的D0-D3引脚进行扫描，判断各引脚电平的高低情况，系统就数据进行类型分析，判断数据类型，从而进行相应的显示报警。数据检测模块的程序流程图如图4.2所示。 有低电平？ 分析信号编号 扫描D0-D3引脚 开始 返回 N Y 图4.2 数据检测模块程序流程图 4.3 显示报警模块程序设计 显示报警模块由主机控制蜂鸣器以及LCD1602进行报警。LCD的显示速度比较慢，在执行每一条自己另之前一定要确认LCM的标志BF是否为0，如果BF等于1，数据或命令不能传送，因此，数据的读写必须先判定“忙标志”，显示报警程序流程图如图4.3所示。 指令输出 BF=0？ 指令输入 P3.4=0 开始 返回 Y N 图4.3 显示报警程序流程图 5 系统调试及实验结果分析 5.1 软件调试 系统的软件调试是基于Proteus仿真软件完成的。Proteus仿真软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。Proteus是世界上著名的EDA工具表，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。在Proteus绘制好原理图后，调入已经编译好的目标代码文件，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 本病床呼叫系统采用无线模块完成的，无线模块在系统中的应用极大的提高了装置实用性和安装以及后期维修的便利性。但是，在使用Proteus软件进行仿真实验时，无线模块不能进行仿真实验，为了能够测试系统的显示效果，在仿真时采用了有线的连接方式，并将相应的程序导入。图5.1是在接通电源后，系统的待机状态图，图5.2系统的调试效果图。 图5.1 系统的待机状态图 图5.2 系统调试效果图 5.2 硬件调试 系统的硬件调试是一个非常复杂的过程。给系统供给所需电源，观察系统能否正常工作，如果实现了预期的功能，则证明系统焊接没有问题。如果，接通电源后没能正常工作，则系统在焊接时出现了故障，或者是在给系统导入程序时出现了错误，这也是导致系统不能正常工作的一个重要原因。在对系统进行排查故障时，要对系统的每个部分进行逐步排查，找出引起故障的原因所在，并解决问题，直至系统调试成功。 系统硬件调试结果：无人呼叫时的系统待机状态图如图5.3所示；1号病床呼叫时系统工作状态图如图5.4所示；系统对呼叫病人的回应状态图如图5.5所示。 图5.3 待机状态图 图5.4 系统工作状态图 图5.5 处理呼叫状态图 5.3 实验结果分析 经过对系统软件以及硬件的细心调试，本病床呼叫系统基本实现了预期功能。 对系统接通电源后，显示屏被点亮并显示出“Happy Every Day!”的字样；当有病人按下呼叫按键时，显示屏则显示出呼叫病床的床位号，并伴有蜂鸣器的报警声，处理完报警后即按下清零键后，显示屏会显示出“I Know!”字样，并持续1秒钟的时间，随后转为“Happy Every Day!”字样；当有两个或者两个以上的病人同时按下呼叫按键时，显示屏则显示出同时呼叫的几个病床中，优先级较高者的病床号，并伴有蜂鸣器的报警声，当医护人员收到报警并处理完呼叫后，按下查看按键，显示屏则显示出同时呼叫的优先级次之的病床的床位号，再次按下查看按键直至将同一时间按下呼叫按键的所有病床的床位号显示完全为止，此时1602液晶显示屏显示的则是“Happy Every Day!”字样，以此类推的进行报警。 结 论 在老师的辛勤指导下，本病房呼叫系统最终成功的完成了，实现了预期的功能。系统设计的顺利完成归功于成功的方案设计、系统规划以及可靠的软、硬件支持，在整个设计过程中学会了从一个系统的角度去分析考虑其中的问题，如何将一个系统规划好，协调好，让它正常的工作起来，这是一个贯穿整个设计过程中的关键问题。本系统分为多个模块，不但系统规划、方案设计复杂，其硬件、软件的设计工作量也相当大，在整个系统设计过程中，查阅大量的相关资料，了解系统各模块的元器件功能。 与传统的病房呼叫系统相比，本病房呼叫系统具有优先级判断功能，解决了同一时刻出现多人呼叫的紧急情况，提醒医护工作人员按照呼叫病人的病情严重程度进行救治和护理，提高工作人员的工作效率，有效的保障病人的生命健康。在功能上面有了较大的突破，使得电子产品在医疗领域中进一步发挥了其抢答的功能，给病人、医疗工作人员以及陪护人员带来了极大的便利。本病房呼叫系统采用了无线通信技术，很大程度上简化了复杂的逻辑电路，便于安装和维护。但是，本系统还是不够完善，还有可以改进的地方，比如说，在此病床呼叫系统的设计基础上，加上呼叫视频通信技术，即在病人按下呼叫按键，医护人员接收到呼叫后，可与病房中的病人或者其陪护进行视频通话，医护人员能清楚的知道发出呼叫信息的病人所需要的帮助是什么（例如：病人病情突变导致病人感觉不适、陪护人员向医护人员咨询照顾该病时的注意事项或者病人正在输的吊瓶中没有药了，需要换吊瓶等不同的请求），从而对症下药，节省不必要的时间，提高医护工作人员的工作效率。 相信随着科学技术的不断向前发展，电子技术的逐步成熟，会有更多的现代化技术应用到医疗领域，使得系统的设计更加现代化、智能化，给医疗领域带来更大的便利，使得病人和医护工作者都更加受益！ 致 谢 耗时几个月的时间，终于完成了这篇论文，在论文的写作过程中遇到了很多的困难和障碍，在老师和同学的帮助下克服过去了。尤其是在之前的系统设计、方案制定、系统仿真以及元器件焊接过程中可谓是困难重重，多亏指导老师——XXX老师，她对我进行了无私的指导和帮助，耐心的帮助我制定整体系统方案，指导系统的仿真以及焊接，不厌其烦的帮我指出论文中的不当之处，并且热心的帮助我指导修改论文。在此，向给予我莫大帮助的刘筠筠老师表示最衷心的感谢！ 感谢这篇论文所涉及到的各位作者。本文在写作的过程中参考和引用了数篇文献，如果没有各位文献作者研究成果的启迪和指导，那么，我将会很难完成这篇论文的写作。 感谢在完成毕业设计以及论文写作的过程中给予过我帮助的同学和朋友，在我遇到困难时，他们都伸出了热情的双手，给我传授了许多专业性的知识，给我提供了许多与本研究项目相关的一些素材，帮助我克服了毕业设计和论文写作过程中遇到的种种困难。 由于我的学术水平有限，所写的论文难免会有不足之处，恳请各位老师和同学批评指正！我定会虚心接受批评和建议，进一步的修改我的论文，使之变得更加完善！ 参考文献 [1] 医院和福利院如何正确选用护理呼叫系统[EB]. http:// www.kingbell.net [2] 王锦. 电话机原理、装调与维修[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005, 125-132. 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Wireless sensor networks. Computer Networks,2002. [16] 金东勇. ZigBee技术在智能家居控制系统中的应用研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2008. [17] Feng Zhao, LeonidasJ. Guibas sensor networks. Morgan Kaufman,2004 [18] 葛晓宇, 王庆辉, 魏立. ZigBee技术及其在矿山中的应用[J]. 微计算机信息, 2007, (23), 5-2, 44-45. 附录1 系统总体电路图 附录2 元器件清单 序号 名称 型号规格 数量 序号 名称 型号规格 数量 1 单片机 STC89C51 1 14 发光二极管 红 2 2 编码芯片 PT2262 1 15 电源 12V 1 3 译码芯片 PT2272 1 16 插针 4 4 发射头 集成电路 1 17 USB电源线 1 5 接收头 集成电路 1 18 按键 6 6 电阻 10K 10 19 外置天线 1 2.2K 6 20 导线 若干 4.7M贴片 1 820K贴片 1 7 排阻 10K 1 8 蜂鸣器 1 9 液晶显示屏 1602 1 10 电位器 10k 1 11 三极管 S9012 1 S9013 4 12 电容 30pf 3 10uf 1 13 万用板 5*7 1 7*9 1 附录3 实物图 附录4 源程序 #include #include sbit k0 = P2^2; sbit k1 = P2^3; sbit k2 = P2^1; sbit k3 = P2^0; sbit k4 = P2^4; sbit k5 = P2^5; sbit buzz = P1^3; bit key0 = 1; bit key1 = 1; bit key2 = 1; bit key3 = 1; bit key4 = 1; bit key5 = 1; bit a1 = 0; bit a2 = 0; bit a3 = 0; bit a4 = 0; extern void Initlcd1602(); extern void Lcdshowstr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *stc); extern unsigned char IntToString(unsigned char *str, int dat); extern void LcdFullClear(); unsigned char T0RH = 0,T0RL = 0; void timer0(unsigned int ms); void ANJIAN(); void YOUXANJI(); void delay1s(void) //误差 0us { unsigned char a,b,c; for(c=167;c>0;c--) for(b=171;b>0;b--) for(a=16;a>0;a--); _nop_();