目 录摘要 2Abstract 2引言 21 系统方案设计 31.1 系统整体方案设计 31.2 主控制器的选择 31.3 显示模块的选择 31.4 报警模块的选择 41.5 无线通信的选择 42 硬件设计 42.1 单片机最小系统设计 42.1.1 概述 42.1.2 晶振电路 42.1.3 复位电路 42.2 显示电路 52.3 报警电路 52.4 按键电路 52.5 无线通信电路 53 系统软件设计 63.1 主机系统软件设计 63.2 显示软件设计 63.3 无线通信子程序设计 63.4 按键扫描子程序设计 64 组装和测试 74.1 系统组装 74.2液晶显示上电测试 84.3系统报警上电测试 84.4无线通信上电测试 95 结语 9参考文献 10致谢 10附录一 10基于51单片机的病床呼叫系统摘要课题为基于51单片机的病床呼叫系统其控制核心为STC89C52单片机包括一个主板(接收信号)和一个发送板(发送呼叫信号) 当病房中有病床按键按下后通过无线模块通知主机主机显示病床号信息并且进行声音报警提示。如果主机的按键按下则取消报警。系统的显示电路选取液晶LCD1602显示无线通信选择NRF24L01软件设计选择C语言程序设计编写使用Keil软件。本系统通过无线模块实现通信经过硬件和软件设计、组装与调试最终实现病床呼叫系统完成病床远程呼叫报警。关键词 STC89C52液晶显示无线通信声音报警病床呼叫Hospital bed calling system based on 51 single Chip MicrocomputerAbstractThis project is a hospital-bed alarming based on 51 microcontroller, the system selects STC89C52 controller as the main control chip. The system consists of a motherboard (receiving signal) and a sending board (sending call signal), when the key of the hospital bed is pressed in the ward, the host is notified by the wireless module, and the host displays the information of the hospital bed number and gives a sound alarm. If the key of the host is pressed, the alarm will be cancelled. The display circuit of the system selects LCD1602, NRF24L01 is chosen for wireless communication, C language is chosen for software design and Keil software is used for programming. This system realizes the communication through the wireless module, through the hardware and the software design, the assembly and the debugging, finally realizes the hospital-bed alarming system, completes the hospital bed long-distance call alarm.KeywordsSTC89C52; liquid crystal display; wireless communication; audible alarm; hospital-bed alarming.引言众所周知伴随着科技的进步网络运营管理是现在优秀医院的一个重要举措特别是在医院监控的方面对一些医疗上机械设备有要求。而且因为病人和医院每个方面提出的需求现在的技术设备又达不到这就给了我们很好的发展机会所以医疗监控设备有很大的市场发展前景和需求[1]。病床呼叫是国内外我们生病住院最普遍的救护手段它可以将我们所需的液体药物利用大气压和液体静压的作用输入进我们体内看着很简单但却是一门高难度技术不是专业护理人员操作一旦出现问题会给病人造成很大伤害严重的话会危及生命。据数据显示我们中国95%的医院没有专业的监测设施保障治疗的安全性只能靠病人家属和护士人工监测用眼睛去监控不仅浪费了很多人力资源而且护理者疏忽大意的时候非常容易造成事故对病人造成伤害发生医闹事故[2]。所以设计它就是更好的避免这些情况合理去运用资源造福国人这是必然的发展。对于类似的病床呼叫设备在国外还是不少的而且最开始在一九八几年的时候许多发达的技术强国已经开始研发了二十一世纪初期这些国家已经开始普遍应用这些病床呼叫设备而我们中国只有在一些最顶端的医院才有并且我们中国制造的寥寥无几几乎都是引进的国外产品所以在我们中国这个世界上最大的市场中这个产品的研发是非常具有价值和意义的。1 系统方案设计1.1 系统整体方案设计论文主要完成硬件以及软件设计两大任务。系统包括一个主板(接收信号)也就是下图中的主机发送板(发送呼叫信号)也就是下图中的从机从机设计4个按键为4个病床报警按键。通过无线模块实现通信。当病房中有病床按键按下后通过无线模块通知主机主机显示病床号信息并且进行声音报警提示如果主机的按键按下则取消报警。项目架构图如1-1所示。图1-1 项目架构图1.2 主控制器的选择单片机作为系统核心的控制器是其他所有模块的连接枢纽设计选用STC89C52。单片机内部有存储模块内部的存储模块具有超长时间的存储能力单片机软件设计时通过MCS-51指令完成的此指令标准在很多器件上都可以使用通用性很强[3]。这款单片机的能耗也很小在低功耗方面表现优异单片机内核是51内核现在很多单片机都是使用此内核单片机是最基础入门级8位单片机在开发设计上也是最简单的此款单片机内部可完成8K的代码量如果代码量超过了8K还可以设计外围代码存储方案设计满足所有设计需要。单片机在设计出厂后做了加密处理后期产品中使用后不会被盗取设计文件通过任何技术手段也无法进行解密。单片机的执行速度也很快一般搭配的晶振是11.0592Mhz晶振单片机的稳定性很强在很多复杂场景下都可以稳定运行。此单片机最大优势就是成本方面成本很低这对于很多设计来说也是最重要的一点所以这就是为什么在很多产品设计中可以看到它的声影。所以不管是从能耗还是价格等方面都有着很大的优势运行稳定性价比高价格相对便宜且功耗低加密性强此外在系统核心模块的选择上采用STC系列能够有效提高系统的工作效率能够在工作状态下进行在线运行让系统工作更加便捷。1.3 显示模块的选择选取LCD1602液晶显示项目中的参数。LCD1602液晶显示屏和单片机的连接设计比较容易程序设计容易上手。将想要显示的内容对液晶进行读写、使能以及数据接口就可以使任意位置内容的显示实现操作。此液晶能显示32个字符但此液晶不能显示汉字[4]。LCD1602液晶的电源要求和系统单片机一致都为5V。在本次设计中液晶显示屏起到了很大的作用它用来显示我们想要测量的数据以及我们想要改变的数据。液晶显示器的发展十分迅速以前还是黑白的现在科技中使用的都已经是液晶的了而且再现在的家居中十分的常见我们用它来显示数字信息图片信息甚至其他的视频信息。1.4 报警模块的选择声音报警系统要求设计报警功能选择蜂鸣器实现报警功能蜂鸣器能够进行蜂鸣完全可以满足报警功能的需要。单片机通过一个接口就可以对蜂鸣器进控制。单片机通过PWM波就可以对蜂鸣器进行控制实现报警功能。1.5 无线通信的选择无线数据交互选用nRF24L01模块。此模块可以进行无线数据传输接收端和发送端可以进行双向通信各自搭配一个nRF24L01模块就可以通过此模块实现无线数据通信单片机和模块之间通过SPI通信完成对无线模块的控制无线通信距离20到50米非常适合在此设计中使用很适合此应用场景。此模块的能耗很低对于低功耗的应用是一个优势模块的体积非常小对于集成化的设计也是一个优点[5]。2 硬件设计2.1 单片机最小系统设计2.1.1 概述STC89C52可以存储8K的代码量对于大多数项目是够用的此款单片机在产品中使用频率很高主要因为单片机的开发设计更容易上手对于工程师而言难度较小。所以很多产品都使用它来作为主控制器方案。这对于产品的成本很有优势而且时间成本也会大大减小。此款产品常用接口有32个包括P0、P1、P2、P3四组接口每组8个接口这样数量的接口对于大部分设计都可以满足要求而且有的IO口还配备有第二功能既可以作为常用IO也可以作为特殊功能使用比如P3.0为串口通信的输入端P3.1为串口通信的输出端P3.2为定时器0的中断信号输入口P3.3为定时器1的中断信号输入口这4个IO为特殊功能也可以作为普通IO使用[6]。2.1.2 晶振电路单片机可以运行代码必须要有晶振电路的支持每一句代码的运行每一条指令的运行都是按照晶振电路的时钟信号运行得到所以晶振的频率就代表了单片机的运行速度。如果没有晶振电路或者晶振电路异常单片机的运行将会停止甚至无法烧写程序所以晶振电路是比不可少的电路。单片机的定时器相关设计都是建立在晶振的基础上定时器的时间计时定时器初始值等都需要晶振电路的支持综上所述晶振电路的重要性可想而知。电路搭配的是11.0592Mhz的晶振所以定时器的各项参数都需要通过这个频率进行计算晶振是无源晶振所以必须搭配两个起振电容没有起振电容晶振是电路无法工作。电路图如图2-1所示。2.1.3 复位电路晶振电路很重要但是单片机光有晶振电路还不行复位电路同样重要复位电路顾名思义就是复位可以回到原位对于电子系统而言就是重新运行单片机在启动时会复位叫做上电复位也是因为复位电路提供了复位信号同时设计的复位按键可以通过按键进行复位复位在系统调试时起到了很关键的作用在数据手册中要求的复位信号持续时间为5毫秒只要满足要求并且输入到复位引脚脚单片机就会复位。在设计调试时尤其软件调试复位可以让工程师了解软件设计的问题所在不光是在产品使用中起作用。如图2-2所示。2.2 显示电路本设计中选择能显示内容较多的性价值比的LCD1602液晶显示屏。LCD1602液晶显示器性价比高、接口多、功能丰富这使得它具有有极广的应用范围。在系统设计当中选用液晶显示器来进行数值的显示有着诸多的优点从显示的效果上看液晶显示的稳定性要更高而且非常清晰在接收到从单片机传来的信息后显示器的屏幕会被自动点亮且亮度会一直保持不变而在不需要显示的时候又会对屏显进行刷新直到接收到其他的显示命令为止[7]。在液晶显示器的内部液晶分子的状态会随着显示内容的不同而发生改变而且价格比较低质量很轻有着比较高的安全性。2.3 报警电路蜂鸣器实现系统报警功能蜂鸣器的控制需要的电流比较高单片机的IO口并不能满足需要外围驱动电路的支持三极管是最基本的驱动型器件选择PNP三极管8550三极管的发射机接电源基极接电阻后接单片机集电极接蜂鸣器的正极蜂鸣器负极接地单片机控制三极管的基极就可以实现对蜂鸣器的控制。设计通过单片机的P1.0进行控制。它们的驱动设计图如图2-3所示。2.4 按键电路系统的人机交互通过按键实现用户通过按键来设置系统数据在结合软件上的设计实现数据的输入。由于系统设计的按键数量不多所以通过独立按键就可以实现数据输入。在按键设计时硬件电路比较简单主要通过软件进行识别设计选择的是独立按键单片机接口默认是高电平所以按键设计的有效电平是低电平也就是说按键按下后低电平就输入到单片机的接口如果按键按下低电平就输入到单片机按键松开单片机默认就是高电平这样就可以识别到按键的动作。搭配软件的扫描人机交互的数据就可以输入到系统[8]。从机设计4个按键为4个病床报警按键。按键电路图如图2-4所示。2.5 无线通信电路对于通信模块则采用的是NRF24L01模块。单片机和模块连接所采用的协议是SPI协议。它是一种串行接口的通信方式可以自己设置主从模式本设计中使用了两个24l01模块其中一个设置成主模式用于发送例外一个的协议模式则是设置成从机模式用于接收[9]。当从机中采集到外部数据是通过单片机处理再利用从机的24L01进行传输到主机中之后主机的单片机读取到从机发送过来的指令并进行相应的处理同时有效数据还可以存储在FLASH中。SPI 接口一般使用4条线通信。SPI电路接口如图2-5所示。图 2-1晶振电路 图 2-2 复位电路 图 2-3蜂鸣器报警电路图 图 2-4 按键电路 图 2-5无线通信电路3 系统软件设计系统的软件通过C语言进行设计C语言的关键词通俗易懂受很多工程师欢迎。软件开发上手快C语言为了更快的让工程师上手设计了很多便于工程师理解的语法和汇编比起来C语言更贴近我们认识的语言可以说是一目了然在后期代码的理解上也更容易现在基本上所有的项目产品都是通过C语言完成的代码设计。编译环境选择Keil对C语言代码进行编译。3.1 主机系统软件设计系统设计代码开发涵盖软件初始化、按键扫描、无线通信、显示控制、报警控制等。通过无线模块实现通信。当病房中有按键按下后通过无线模块通知主机有报警信息。主机显示床位报警信息并且进行声音报警提示。见图3-1所示。3.2 显示软件设计数码管的选择是一个4位集成数字管, 它需要扫描位选择信号, 并在选择相应的位信号时输出相应的数据信号。LED数码管的动态显示是每个数码管的端发光二极管, 因此应考虑每个点的保留时间和间隔时间[11]。如果保持时间太短, 发光就会太弱, 人类的眼睛看不到;如果保持时间过长, 间隔时间将过长 (假设N位, 间隔时间保持时间X (N-1)), 使数字闪烁被人的眼睛看到。在程序中, 我们应该合理地选择合适的保留时间和间隔时间。周期的数量与显示的变化速度成正比。如图3-2所示。3.3 无线通信子程序设计系统的无线通信包括发送数据和接收数据。需要进行数据发送时将nRF24L01控制在待机工作状态IO设计状态工作状态选择完成后可以对寄存器进行操作若此时单片机要传输数据就可以按照数据手册要求时序对无线模块进行操作。给定需要传输的地址数据这个地址就是要发送的地址接收端和发送端数据的宽度以及参数必须要一致否则不能进行通信[12]。以上工作完成后单片机可以进行数据传输。