基于51单片机的病床呼叫系统 2.docx
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基于51单片机的病床呼叫系统2
基于51单片机的病床呼叫系统
张三指导老师:
徐树山
(商丘师范学院电子电气工程学院,河南商丘476000)
摘要:
此项目为基于51单片机的病床呼叫系统,系统选取STC89C52控制器作为主控芯片。
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。
显示电路选取液晶LCD1602显示。
无线通信选择NRF24L01。
选择C语言进行软件设计,应用Keil软件进行程序设计编写。
最终实现病床呼叫系统统,完成病床远程呼叫报警。
关键词:
STC89C52;无线通信;液晶显示;病床呼叫
HospitalBedCallingSystemBasedon51SingleChipMicrocomputer
ZhangSanSupervisor:
XUShushan
(CollegeofBiologyandFoodSciences,ShangqiuNormalUniversity,Shangqiu476000,China)
Abstract:
Thisprojectisahospitalbedcallsystembasedon51singlechipcomputer.ThesystemselectsSTC89C52controllerasthemaincontrolchip.Thesystemconsistsofamotherboard(receivingsignal)whichisthehostinthefollowingpicture.Thesendingboard(sendingcallsignal)istheslaveinthefollowingpicture.Theslavehasfourkeysandfouralarmkeysforthesickbed.Communicationisrealizedthroughwirelessmodule.Whenthekeyofthehospitalbedispressedintheward,thehostisnotifiedbythewirelessmodule.Thehostdisplaystheinformationofthehospitalbednumberandgivesasoundalarm.Ifthekeyofthehostispressed,thealarmwillbecancelled.LCD1602isselectedasthedisplaycircuit.NRF24L01ischosenforwirelesscommunication.ClanguageischosenforsoftwaredesignandKeilsoftwareisusedforprogramming.Finally,thehospitalbedcallsystemisrealized,andtheremotecallandalarmofthehospitalbedarecompleted.
Keywords:
STC89C52;wirelesscommunication;liquidcrystaldisplay;hospitalbed
0引言
随着科学技术的日益发展和不断进步,流体流量和流体流速的精确控制被运用在越来越多的场合。
化学化工实现对微量元素检测、分析十分依赖于精确流量控制;机械冶炼领域,对液态稀有金属地添加同样需要流量的把控。
再有就是医疗行业,需要精确控制的场所有很所,比如手术室、病房监控。
尤其是在往患者体内输液时,可进行有效的输液控制果。
在西方发达国家,电子医疗设备的应用起步早,并经过实际临床证明,得到广泛的应用,早已形成了设备的智能化和自动化。
早期的电子医疗设备都是高、精、尖的大型设备,而且庞大的投资,使全面推广受到限制。
一家德国集团创建输液数据管理工作站主要用于在重症监护病房,重症监护病房的医生可以更方便的进行输液系统的管理。
这套设备集输液治疗监护于内输液监测设备也是逐步发展。
近年来,医疗保健制度和医疗模式不断完善。
因为静脉输液在医疗中一直以来占有非常大的比重,科研人员也对病房呼叫系统不断进行改进和更新。
中国在这方面起步较晚,很多设备都是进口产品,其价格相当昂贵。
但国内病房呼叫设备也是逐步发展。
近年来,医疗保健制度和医疗模式不断完善。
因为病房呼叫在医疗中一直以来占有非常大的比重,科研人员也对病房呼叫系统不断进行改进和更新。
1系统方案设计
1.1系统整体方案设计
论文内容主要完成硬件以及软件设计两大内容。
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所示。
图1项目架构图
1.2主控制器方案
单片机是系统设计中最为重要的方案之一,所以系统使用STC89C52处理器。
这款MCU设计了高集成化的存储时间很长的单片机设计方式去制造,此处理器可以使用MCS-51指令操作,并且在硬件接口上都是通用的。
此MCU在功耗方面表现非常优秀,功耗很小,设计中使用的是CMOS的处理器,此处理器是8BIT的,MCU中具有8K比特的存储空间,此存储空间可以进行读写操作,读写次数高达上十万次,完全满足开发需要。
STC家族的MCU在工厂制造出厂会对其进行加密设计,外接的任何技术手法都不会对STC家族的MCU完成解密工作,此处理器的运行速度非常快,处理器的最高速度能够上升到420兆赫兹,处理器在很多复杂环境下都可以正常运行,稳定性非常优秀,最为需要关注的一点是,该处理器的成本可观,价格很低,在电子市场中随处可见。
1.3显示模块方案
系统的显示方案选择LCD1602。
液晶显示效果清晰,一目了然,液晶显示的字样数量很多,包括所有的数字、字母,都可以进行显示。
此款液晶电路设计非常简单、成熟,硬件电路设计上没有问题,设计通过地址数据输入、显示数据输入就可以对液晶进行控制,显示需要显示的数据,液晶显示不用进行扫描,只要输入数据,再不进行下一次刷新的时候,是不会更新显示内容的。
最重要的是液晶的电源和系统电源一致,不用单独设计电源系统。
LCD1602。
该模块显示的内容多种多样,并且非常简单明了,价格合理,对于本设计而言,非常适用。
虽然接口线连接的比较多,后期对整个电路进行测试时,就会非常容易得到测试结果。
1.4报警模块方案
系统需要进行报警设计,蜂鸣器可以发出响亮的蜂鸣声,所以选择蜂鸣器。
系统在需要进行报警的时候,可以控制蜂鸣器蜂鸣。
蜂鸣器的声调也可以进行控制,通过软件代码既可以完成。
1.5无线通信方案
无线数据交互选用nRF24L01模块。
这个无线通信模块是要通过单片机的串口完成数据传递,开发简单。
此产品能够实现无线数据交互控制,在无线传输产品中使用很多。
产品的工作运行非常可靠,数据传输距离非常远,广泛适用于很多场合,无线数据传输准确度很高,功耗很小,成本很低,单片机控制起来也比较简单,所以很多科技公司都选择此产品作为开发方案。
nRF24L01的操作是通过SPI通信协议实现的。
SPI总线方案为同步串行外设方式,此方案能够让MCU和很多的相关设计硬件通过串行方案完成数据交互通。
SPI传输协议必需的三个寄存器,他们是:
操作寄存器SPCR,状态寄存器SPSR,数据寄存器。
硬件设备、网络操作设备、LCD显示设计、A/D处理模块以及处理器等。
四路节点的硬件电路设计一致,主要在软件上进行操作,识别四路温度各自数据。
2系统硬件设计
2.1主控制器设计
2.1.1概述
系统主控模块选用STC89C52单片机。
STC89C52是现在市场上流通最广,使用度最高的的一款微型处理芯片,十分适用于学习开发使用。
本设计对于一些外接设备要求一般,仅仅需要使用一些I/O口进行数据传输,实用化定时器用来计算经纬度信息发送间隔,同时通过蓝牙串口发送数据到上位机。
这些要求本单片机都可以轻松完成,并且性能稳定十分符合设计要求。
STC89C52内部有8K的Flash存储电路,可以存储相关的数据,此单片机应用非常广,开发简单、电路设计容易,可以加快开发团队的开发进度,缩短开发周期。
开发成本低,被很多企业所选择。
器件内部的运行速度很快,引脚数量大,是很多开发方案的首选。
输入输出数量为32个,分别设计为4组,引脚口0,引脚口1,引脚口2,引脚口3,有多个定时器,定时数据准确,中断设计也很方便,定时器和中断的结合使用,能够实现很多比较复杂的功能要求,也可以嵌套很多中断执行。
除了普通使用的输入输出接口,单片机还需要时钟接口、复位接口、电源接口。
时钟的接口是18脚、19脚,设计选择的是12兆赫兹的晶圆。
复位接口是9脚,通过单片机的9脚输入复位信号。
复位动作输入的9脚接口能够加入备用电源,这样可以保证芯片内部的数据不会因掉电消失。
单片机的31脚接口是EA,这个引脚是可以确定处理器代码的存放位置,是内部还是外部,将高电平输入到31脚,这样就表示单片机使用的是内部存储的代码,如果将低电平输入到31脚,这样就表示单片机使用的是外部存储的代码。
具体引脚图如图2单片机引脚说明所示。
图2单片机最小系统电路
2.1.2晶振电路
单片机的运行离不开晶振电路,此电路是单片机系统必不可少的外围硬件,如果此电路出现异常情况,单片机系统必定会瘫痪,无法运行,导致整个系统出现故障。
单片机的所有程序都在烧写的时候写入到只读存储器里,单片机系统在启动的之后必须要进行程序的读取。
处理器读取一条代码的用时,这个时长就是处理器的一个机器周期,这个时长对于处理器就是节拍。
处理器设计了晶振,这样就产生了时钟,整个系统都需要时钟的存在才可以启动运转。
因此,晶振电路是处理器运行的核心外围电路。
本设计选择的是12兆赫兹的振源。
单片机的内部带有振源,但是由于设计需要,这里选择了外部振源。
电路图入图3所示。
晶振的作用就是给处理器节拍信号,也就是脉冲,处理器就是按照这个节拍进行工作,所以此节拍就是处理器的工作速度。
此方案选择12兆赫兹振源,所以处理器就会进行每秒12兆的速度工作,每个处理器的运行速度都是有限的,不能太高,此处理器的最大速度是420兆赫兹,如果振源选择的太大,单片机无法按照此速度进行工作。
振源的两个引脚与单片机的XTAL0、XTAL1相接,这样就可以给处理器输入节拍,此电路的设计必须要防止干扰,特别是在器件布局上要特别注意,如果电路设计不好,单片机获取不到节拍信号,系统运行肯定瘫痪。
晶振工作的时候可能有偕波,这种信号不会影响到单片机对节拍信号的获取,但是也会造成稳定性的影响,晶振的设计厂家都给出了设计方案,在振源的输出到单片机的输入之间各接入两个电容,电容的大小在10pf到50pf之间,电容的另一端接GND,此设计就可以消除偕波的影响。
图3晶振电路
2.1.3复位电路
处理器设计了复位功能电路,就是在系统想要重回到从新启动的状态之后,就可以通过此功能电路对系统进行复位。
其实处理器在开始上电运行的时候,就是一个复位的状态,所以处理器启动就是需要进行复位的。
单片机的重启需要复位电路对复位接口输入一定要的信号脉冲,要求的有效脉冲信号是5ms时间。
大部分设计的方案是选择上电复位。
但很多时候需要进行手动复位,所以设计了按键复位设计,这样可以非常方便的进行系统复位操作。
在开发和使用中都非常有用。
如图4所示。
复位电路中有电容、电阻、按键3中器件,电容电阻的参数也是至关重要的。
厂家给出来电容的大小为10微法,电阻的大小是1000欧姆。
通过阻容充电就可以计算出来,电容充电到3.5伏,即为电源电压的70%,还可以得到充电时间10K*10UF=0.1S。
在处理器系统启动到100毫秒内,电容就会进行充电一直到3.5伏。
然而1000欧姆电阻的电压就会下降,减小到1.5伏。
所以在系统启动的100毫秒内,复位接口的电压会从5伏下降到1.5伏。
处理器输入1.5伏以下就是低电平,所以在系统启动的100毫秒里,处理器就会产生复位。
图4复位电路
2.2主机显示电路
本设计中,加湿器在工作中需要对当前检测到温湿度值及设定的工作湿度值进行显示,因此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。
从内容与形式上看,液晶显示器能够对多种数据信号进行显示而不像LED显示器那样只能显示数值,同时在对显示器进行电路设计的时候也比较简单,数据信号的转化更便捷。
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。
液晶显示器在工作状态下也有着一定的缺点,例如对电能的消耗很大,液晶芯片的驱动需要靠电机来完成,这就使得液晶显示器不但驱动芯片需要电能,同时电机的工作也需要耗费很多电能。
电路如图5所示。
图5液晶显示电路图
2.3主机报警电路
蜂鸣器是我们现实生活中比较常见的一种发声器件,它的应用范围也是比较广泛。
通常情况下蜂鸣器可以按照电源驱动的方式来分成有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。
其中无源蜂鸣器类似于扬声器,它是依靠外围振荡电路来进行驱动发声;有源蜂鸣器的结构特殊在于它是在无源蜂鸣器的基础上内置了一个振荡器,它在工作室只需要接通外部提供的直流电源就能够被驱动。
两种蜂鸣器之间各有特点,这里考虑到成本问题,本系统选用的是无源蜂鸣器进行工作,它由单片机提供的PWM方波进行驱动发声。
报警选用蜂鸣器进行报警提示。
系统控制蜂鸣器进行声音报警提示。
在具体的电路实现过程中,只有蜂鸣器对电路的要求颇高,要想使其能够正常使用必须要在电路当中接入一个三极管来对电流进行控制。
电路中的三极管采用三线连接的让是接入,分别与蜂鸣器、单片机、GND相连接。
蜂鸣器的设计成本很低,通过软件的设计即可完成要求的功能。
通过单片机的P1.0进行控制。
它们的驱动设计图如图6所示。
图6蜂鸣器报警电路图
2.4从机按键电路
按键有独立式和行列式两种不同类型的键盘之分,行列式键盘又没人们称之为矩阵式键盘。
而在本设计当中,本次选择独立式键盘,是通过判断按钮按下时单片机引脚电压变化情况来控制的。
这种方法简单有效,非常适用于此系统。
在系统设计中,人机之间的交互需要借助于按键来得以实现,而对于按键的电路设计需要与软件相结合,同时还需根据实际使用中所出现的问题来进行分析,单纯扫描键盘的方式是无法实现的。
系统中的单片机键盘在实际使用时是独立的,同时还要对按键的矩阵进行设计,这两个方面有着很大的区别。
对键盘电路的设计还有一个比较好的功用,那就是能够有效节约端口的资源,因此在键盘电路设计中人们通常会选择矩阵键盘这样可以更好地对多按键电路进行优化。
从机设计4个按键,为4个病床报警按键。
图7按键电路
2.5无线通信电路
无线通信方案选取nRF24L01模块。
单片机通过SPI通信协议与无线模块进行通信。
SPI顾名思义就是串行外围设备接口。
SPI接口一般都使用与存储设备的通信,FLASH的操作,实时时钟系统,AD处理模块,以及数字信号处理设备和数字信号解码设备。
SPI的数据传输速度很快,同步的数据传输方案,而且和单片机的使用,仅仅需要单片机的四个引脚既可以完成通信,省去主控制器很多的接口,在电路设计上非常简单,这就是此方案的优势,由于这种优势,很多的产品方案都是选择这种方案进行数据传。
SPI接口一般使用4条线通信:
MISO为主控制器的输入接口,相当于设计中的投票端。
MOSI为主控制器的输出接口,相当于设计中的终端显示。
SCLK时钟信号,由主设备产生。
CS为从设备的片选信号,由主设备控制。
SPI的特点是:
能够同一时间进行数据发出以及接收;功能角色包括了主机或从机模式;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。
SPI含有总线四种运行模式,SPI能够完成与其他设备的数据交互,按照系统功能需求,利用程序可以有效的控制输出串行同步时钟极性和相位,系统的传输协议不会因为时钟的极性标志(CPOL)而产生较大的影响。
若CPOL为0,串行同步时钟的空闲标志即0;若CPOL为1,串行同步时钟的空闲标志即1。
时钟相位(CPHA)实现传输协议的选择,实现数据传输。
若CPHA为0,在串行同步时钟的第一个电平变化(上升沿或下降沿)的时候数据将会被传输;若CPHA为1,在串行同步时钟的第二个电平转换(上升沿或下降沿)数据将会被传输。
电路接口如图8所示。
图8无线通信电路
3系统软件设计
C语言是目前使用最多的一门单片机开发语言,它的语言设计简单易懂。
开发语句容易理解,很想英文,有的关键词完全可以和英文含义对上号。
很多复杂的逻辑可以用C语言中简单的语句实现。
相比于汇编语言,C语言的优势非常明显,汇编语言非常难以理解,对于开发非常不适合,C语言的出现,让开发者更容易去完成软件设计。
开发环境是Keil,专用单片机开发工具。
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9系统软件设计流程图所示。
图9系统软件设计流程图
3.2显示软件设计
数码管选择的是4位一体数码管,需要对其的位选信号进行扫描,在选择对应的位信号的输出对应的数据信号。
LED数码管动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管的,因此要考虑每一位点亮的保持时间和间隔时间。
保持时间太短,则发光太弱而人眼无法看清;时间太长,则间隔时间也将太长(假设N位,则间隔时间=保持时间X(N-1)),使人眼看到的数字闪烁。
在程序中要合理的选择合适的保持时间和间隔时间。
而循环次数则正比于显示的变化速度。
如图10所示。
图10显示软件设计流程图
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,这个地址就是你要发送的地址,接收端和发送端数据的宽度以及参数必须要一直,不然不可以进行通信。
以上工作完成后,单片机可以进行数据传输。
SPI含有总线四种运行模式,SPI能够完成与其他设备的数据交互,按照系统功能需求,利用程序可以有效的控制输出串行同步时钟极性和相位,系统的传输协议不会因为时钟的极性标志(CPOL)而产生较大的影响。
若CPOL为0,串行同步时钟的空闲标志即0;若CPOL为1,串行同步时钟的空闲标志即1。
时钟相位(CPHA)实现传输协议的选择,实现数据传输。
若CPHA为0,在串行同步时钟的第一个电平变化(上升沿或下降沿)的时候数据将会被传输;若CPHA为1,在串行同步时钟的第二个电平转换(上升沿或下降沿)数据将会被传输。
此设计选用的主要处理器是STC89C52,因此需要通过单片机的IO口完成SPI通信。
SPI进行读操作时序图如图11。
图11SPI读时序图
图12SPI写时序图
3.4按键扫描子程序设计
独立按键的扫描,首先需要对按键有效信号进行检测,当第一次检测到按键有效信号后,需要进行消抖,也就是延时一段时间,再次判断按键信号是否有效,这样的设计是为了避免有干扰信号,所以必须进行按键消抖,这样可以保证按键扫描的稳定性。
独立按键软件设计流程图如13图所示。
图13按键软件设计流程图
4原件列表
4.1系统组装
我们在进行系统实物的制作前需要根据系统要实现的功能以及电路设计原理图来进行系统实物的制作,然后根据我们要实现的功能来分别对其进行相应的测试,以检验其功能是否能够实现。
在此之前我们需要做好充分的准备工作,检查我们的电子元器件的数量、规格、型号以及元器件是否完好,这是确保硬件实物焊接的基础。
上电前调试,首先需要完成实物的焊接,组装,需要有详细的器件清单。
我们在采购电子元器件时应尽量每种电子元器件多备份至少一个,以防止出现问题时有替代品可以进行更换。
然后利用万能表或者其他的电子仪器来检测电子元件的好坏,避免在使用过程因为某个元器件坏掉了而影响到系统的正常工作;最后我们需要按照实物连接顺序来进行硬件电路的焊接,焊接时我们需要小心不要损坏到电子元器件和硬件电路,并且在要做好电路连接的调试工作,防止出现焊接松动、脱落等问题导致系统出现接触不良或者影响系统的正常工作。
在实物连接完成后上电前需要再次检查硬件电路有没有问题,确认无误之后通过下载器与引出来的单片机引脚进行连接完成程序的下载,并上电进行初始化测试。
在做开发的时候一般是完成项目设计,然后对所有功能进行方案设计,硬件和软件的设计需要先进行硬件开发,硬件设计没有一点问题,才可以开始软件开发,单片机系统无误后,进行为他外围设计的开发,可以借助单片机系统调试外围设备,可以设计简单的电路帮助我们进行开发,比如按键、指示灯作为开发指示作用。
如果系统不工作了,首先要测量系统电源是否正常,在确认这个信息的情况下检查其他电路数据才是有意义的。
如果电源正常,则就需要检测系统的核心部件,单片机的电源是否正常,检测电源需要在所以测量器件本身的电源处,越近越好,排除其他因素的干扰。
如果单片机的电源正常,则需要测量他的核心电路,也就是晶振电路,晶振电路有问题,单片机也是无法工作的。
晶振的测量除了需要检测电源,还可以使用示波器,观察晶振输出的脉冲信号是否有效。
准备烙铁、焊锡、吸抢、高温棉、镊子等常用工具。
进行实物焊接组装,按照设计的电路图连接关系,对实物进行焊接,首先完成最小系统的焊接,焊接完成每一部分功能电路都要对该部分的电路进行短路检测,防止在焊接过程中有短路出现,等所有电路焊接完成,检测短路就比较困难。
组装完成后不可立即上电,首先需要用万用板测量电源正负是否短路,防止在焊接过程中有虚焊,造成电源短路,上电是烧坏电路板。
电源不短路后。
整改系统设计需要现对系统进行分析,具有哪些功能,按照功能给出各自之间的关系,对各个功能选出合理的方案,详细的器件方案,按照方案绘制出系统电路图,硬件就确定下来了,按照硬件连接关系,编写代码,设计所有流程中,都需要没有误差,如果哪个环节有问题,都需要回去进行从新修改,这样反复最终确定系统设计的各个环节。
图14实物组装
4.2液晶显示上电测试
经过上电前的短路测试,保证板子没有短路异常,进行上电,上电后观察电源指示灯是否正常,电源指示灯正常,这是可以注意下单片机是否有发热迹象,测量各部分电源端是否正常,下一步需要检测单片机最下系统是否正常,可以对单片机的电源端进行测量,判断是否为5V,再进行程序
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