毕业设计（论文）-单片机病房无线呼叫系统.doc

编号 本科生毕业设计本科生毕业设计 病房呼叫系统设计病房呼叫系统设计 The Design of Call Ward System 学学 生生 姓姓 名名 专专 业业电子信息工程电子信息工程 学学 号号 指指 导导 教教 师师 学学 院院电子信息工程学院电子信息工程学院 20082008 年年 6 6 月月 长春理工大学毕业设计 摘摘 要要 该系统是微计算机、自动控制、无线传输等几项技术紧密结合的产物。从 机主要由无线遥控发射芯片PT2262组成，利用编码解码技术将其通过无线发射 模块把数据传送给接收器。主机由mega128单片机控制，利用无线遥控接收芯片 PT2272接收从机传送过来的信号，并且利用串口与计算机进行数据传送，通过 计算机控制系统判断呼叫病床号码。此系统基于NI公司的labview软件实现测控 功能，从机采用丰富的硬件抗干扰技术，并结合软件抗干扰，使控制系统的运 行更加准确可靠。 关键字：无线关键字：无线; ;单片机单片机; ; 虚拟仪器虚拟仪器 AbstractAbstract The system is consisted of the microcomputer software and hardware, the automatic control, wireless signal transmission and so on 。 The slave machine is made up of wireless remote control launch chip PT2262, using codec technology will launch its wireless data transmission module to the receiver. The Single-chip controls a lead plane by 89C51 , using wireless remote control receiver chip PT2272 received from the plane transmitted over signal and the use of serial and computer data transmission, Through computer control system judgement call number of hospital beds. That this system measures and controls a function owing to that the Labview of NI company software comes true ,the slave machine adopt rich anti-interference hardware technologies，and with software anti-interference, so that the operation of control systems more accurate and reliable. KeyKey words:words: boilerboiler controlcontrol system;system; MCU;MCU; virtualvirtual instrumentinstrument 长春理工大学毕业设计 I 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论.1 1 1.1 课题的背景及研究意义 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.3 研究内容 .2 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计.3 3 2.1 设计要求 .3 2.2 系统方案设计 .3 第三章第三章 系统设计及实现系统设计及实现.6 6 3.1 系统原理框图及总体设计 .6 3.2 单片机软硬件设计 .13 第四章第四章 主机系统设计主机系统设计.1818 4.1 虚拟仪器 .18 4.2 LABVIEW 语言 .20 4.3 发射数据格式.21 4.4 系统界面 .22 总总 结结.2424 参考文献参考文献.2525 致致 谢谢.2626 长春理工大学毕业设计 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 课题的背景及研究意义课题的背景及研究意义 随着电子技术的发展，特别是随大规模集成电路产生而出现的微型计算机 给人类生活带来了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得 到了质的飞跃，那么可以毫不夸张的说，单片机技术的控制系统，数据采集系 统，智能化仪器的仪表，办公自动化等在诸多领域得到极为广泛的应用，并已 走向家庭，从洗衣机，微波炉到音响，汽车，到处都是可以见到单片机的踪影， 因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之 一。 目前医院里的病房呼叫系统几乎还处于很低的水平，几乎还不能满足智能 化的管理要求，这样不仅会带给病人时间上的损失，对于医院也会有经济效益 损失，并伴有一定安全隐患。同时采用有线管理，盘绕线路，存在布线复杂、 布线费用较高、易出故障、维修不便、明线不雅观等缺陷，这样会造成安全隐 患。 鉴于以上弊端，本系统采用无线管理系统，本系统既可以避开技术问题， 有效节省材料损耗，并且可以免去很多不安全隐患的存在，更重要的是，病房 无线呼叫系统是智能化的一种产品，可以及时准确的找到病人所在位置和哪位 病人有需要，及时解决病人的各种问题，从某种角度上看，这个系统不仅可以 显示病床号码，更可以为病人解决其他问题，例如：当病人有身体不适或其他 需要时，可以按下从机键，那么主机就可以显示该病床号码，医院护士或医生 可以及时找到病人，为其进行治疗。这样一来，省去了很多不必要的麻烦，更 节省了很多时间，便于管理。 由此可见，病房无线呼叫系统是一个很有开发前景的硬件设备，可以从很 大程度上减少医生的麻烦，节省病人的时间，提高医院的工作效率，自然医院 从中得到最大程度上的经济效益。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前国内的大部分医院均处在很低的管理模式上，在资源利用上采用人工 呼叫，不能做到智能一体化的管理模式，另外由于医院采用有线管理，线路盘 绕复杂，极易引起火灾，存在着很大安全隐患。另外人工呼叫麻烦且繁琐。当 病人身体出现不适或其他方面需要帮助时，通常都是呼叫医生，继而等待治疗。 在这过程中，不但浪费了病人的时间，更给医院医生带来一定的麻烦。因此， 长春理工大学毕业设计 2 国内的病房呼叫系统依旧是落后和低级的，所以病房无线呼叫系统很具有开发 潜质，发展前景应该是不言而喻的。至于国外的病房呼叫系统，无线呼叫应该 已经是很普遍的一种解决问题的方法。 1.31.3 研究内容研究内容 本文主要介绍了病房无线呼叫系统的设计过程。当病人按下病房无线呼叫 按钮时，该信号通过发射模块传递给主机，其故障代码在 PC 或 LCD 上显示出来。 本系统是一种中小型的应用系统，这套系统不单在医院中使用，也可以在 一些高级会所中使用，以提高企业形象。这些系统投资少，见效快，受到不少 企业的青睐。可以促进企业管理现代化，科学化，也是企夜创造品牌效应的途 径。 长春理工大学毕业设计 3 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.12.1 设计要求设计要求 根据上述分析，本系统设计要求包括以下几个方面： 1、以 51 单片机为核心控制器件，构成硬件系统。 2、利用无线数据收发模块实现数据传输。 3、最少有 100 台从机由主机控制且可以同时工作，实现最小控制距离为 50 米。 4、在主机上显示出病床号码，以便于医院医生可以及时解决病人的一切 需要和身体问题。 5、用 LabVIEW 制作主机显示界面。 2.22.2 系统方案设计系统方案设计 2.2.12.2.1 主机选择主机选择 方案一：采用 89C51 为核心的单片机，成本较低，处理速度较快，增加多 路也易于实现2。在设计时，可以通过串口在显示器随机产生十以内加、减法 题目。采用语音报警，可使医生或护士听到报警信息，并可通过主机直接解警。 通信接口可利用 MAX485 芯片实现半双工通信，其通信传输线少，从而更满足设 计需要。 方案二：采用 PC 机对该系统进行控制，其优点在显示界面和方法多，编程 格式灵活，如采用 JAVA、VB 或用 LabVIEW 等，比较美观。通信接口需采用机内 的 RS-232，实现与下位机的实时数据传输。 相比较而言，方案一比较有利于从机设计，方案二比较有利于主机设计。 2.2.22.2.2 无线收发模块选择无线收发模块选择 方案一:采用美国 ACM 公司生产的新一代高性能、低成本的单片发射芯片 ACMTX16,可工作于 400460MHZ 频段，性能优良，外围电路简单，是专为遥控、 数据传输、无线标签、小型寻呼系统等应用设计的3。ACMTX16 是大规模集成电 路，设计独特，内部采用 PLL 合成技术，因此只需外接廉价的低频率晶体和少 数外部元件即可得到所需频率。 方案二:采用无线调幅发射模块 YCF500-1,具有稳定性高、抗干扰能力强、 长春理工大学毕业设计 4 灵敏度高等优点，采用 SMT 贴片元件工艺，选用优质名牌阻容件，以及用其表 面谐振器稳频, 使其性能在恶劣的环境下更能显示出其优势所在，主要芯片采 用目前世界上最先进的超外差接收芯片技术。接收灵敏度为-105dBm。主要用在 工业控制，数据传送, 计算机通讯等方面。 方案三： PT2262/PT2272 是台湾普城公司生产的一种 CMOS 工艺制造的低 功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272 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 531441 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。 相比较而言,第三种方案更有利于我们的测量。 2.2.32.2.3 显示模块显示模块 方案一:发光二极管显示器 LED 是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。 它是由若干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔 划发光，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符，常用为七段显示 器结构。 方案二:显示采用图形 LCD，它是一种被动式显示器，由于其功耗极低、抗 干扰能力强，因而在低功耗的单片机系统中大量使用。LCD 本身不发光只是调 节光的亮度，目前市场上销售的 LCD 显示器都是利用液晶的扭曲向列效应制 成，这是一种电场效应，夹在两片导电玻璃电极间的液晶经过一定处理，它内 部的分子成 90 度的扭曲，当线性偏振光透过其偏阵面便会旋转 90 度。当在玻 璃电极上加上电压后，在电场作用下，液晶的扭曲结构消失，其旋光作用也消 失，偏振光便可直接通过。当去掉电场后液晶分子又恢复扭曲结构。它与 PC 机 相比，成本较低，可以实现汉字和数据的直观化，增加多路也易于实现。 所以本系统采用 LCD 显示。 2.2.42.2.4 主机显示界面主机显示界面 方案一:在实践中，使用 PC 机对 Inprise 公司推出的 Delphi 是一种功能强 大的高级编程语言，其具有可视化面向对象的特征，特别适合 Windows 平台下 的图形界面和用户程序的编制, 在 Windows 平台下，Win32 API 支持同步和异 步两种 I/O 操作。同步操作的方式的 java/j2me/code/ target=_blank程 序设计相对比较简单，但是 I/O 操作函数在 I/O 操作结束前不能返回，这将挂 起调用线程，直到 I/O 操作结束；异步操作方式要相对复杂一些，但是可以让 I/O 操作在后台运行，而不会挂起调用线程，这在大数据量通信情况下对改善 调用线程的响应速度是相当有效的。同时由于 Win9x 和 WinNT 下对串行通信的 处理不同，这就导致了在 Win9x 下开发的同步方式串行通信程序在 NT 下会发生 工作线程之间的协作阻塞，即当读线程在等待 WaitCommEvent 的时候，写线程 长春理工大学毕业设计 5 不能正常工作，停在那里，整个程序处于瘫痪状态。这个问题是 Windows 的 API 函数处理串行通信的一个 BUG，所以对于适应性强的程序都是选择异步方式。 方案二:LabVIEW 是实验室虚拟仪器工程工作台（LabVIEW Virtual Instruments Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司开发的虚 拟仪器开发平台软件，它的功能强大灵活，可以广泛应用于自动测量系统、工 业过程自动化、实验室仿真等各个领域。 LabVIEW 使用图形化编程语言编程，简单直观，极大节省程序开发时间， 同时 LabVIEW 可提供丰富的库函数和功能模块，可完成各种各样的复杂编程任 务。 鉴于此，本系统采用第二种方案。 长春理工大学毕业设计 6 第三章第三章 系统设计及实现系统设计及实现 3.13.1 系统原理框图及总体设计系统原理框图及总体设计 3.1.13.1.1 系统原理框图系统原理框图 根据设计要求，我们设计的系统原理框图如图 3-1 所示。 图 3-1 系统原理框图 如上图所示，本系统由直流电源、无线发射接收模块、显示存储电路和语 音报警电路等组成。 1、 直流电源 电源电路由变压器和整流稳压电路组成。变压器用于将 220V 交流电压转换 为正、负 9V 低压交流电压；整流电路用于将低压交流电压整流为脉动电压。该 脉动电压与滤波电容相连，形成较平滑的直流电压。将两路直流电压分别送入 三端稳压器 MC7805 的输入端 Vin后，在输出端形成+5V 直流稳压电压，供单片 机和测量电路使用。后接电容起到滤波的作用，用于滤除导线上的干扰。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比 长春理工大学毕业设计 7 率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的 增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而 高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关 电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关 电源提供了广泛的发展空间。 开关电源工作效率高，一般可达到 80%以上，故在其输出电流的选择上， 应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的 性能价格比。我们选用 DC-DC 直流隔离电源 DCMD5D9,将单一直流电源+5V 隔离 变成所需的9V 直流电源输出，简化了电路设计,排除了电源回路与地线之间 的干扰,起隔离栅的作用。 2、无线发射接收模块 PT2262/2272 是台湾普城公司生产的一种 CMOS 工艺制造的低功耗低价位通 用编解码电路，PT2262/2272 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 531441 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。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，如果发送端一直按 住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，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 得电工作，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（ASK 调制）相当于调制度 为 100的调幅。 其中发射芯片 PT2262-IR 将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身， 使发射电路变得非常简洁。 接收芯片 PT2272 的数据输出位根据其后缀不同而不同，数据输出具有“暂 存”和“锁存”两种方式，方便用户使用。 （1）PT2262-IR 引脚功能说明： Pin1-Pin6（A0-A5）: 地址输入端，可编成“1” 、 “0”和“开路”三种状 态。 Pin7、Pin8、pin10-Pin13（A6/D0-A11/D5）: 地址或数据输入端，地址输入时用 Pin1-Pin6，做数据输入时只可编成 长春理工大学毕业设计 8 “1” 、 “0”两种状态。 Pin14（TE）: 发射使能端，低电平有效。 Pin15、Pin16（OSC1、OSC2）: 外接振荡电阻，决定振荡的时钟频率。 Pin17（Dout）: 数据输出端，编码由此脚串行输出。 Pin9、Pin18（VDD，Vss）: 电源+，-输入端。 （2）PT2272 引脚功能说明： Pin1-Pin6（A0-A5）: 地址输入端， 可编成“1” 、 “0”和“开路”三种状态。 要求与 PT2262 设定的状态一致。 Pin7、Pin8、pin10-Pin13（D0-D5）: 数据输出端，分暂存和锁存两种状态。 Pin14（DI）: 脉冲编码信号输入端。 Pin15、Pin16（OSC1、OSC2）: 外接 振荡电阻，决定振荡的时钟频率。 Pin17（VT）: 输出端，接收有效信号时，VT 端由低电平变为高电平。 Pin9、Pin18（VDD，Vss）: 电源+，-输入端。 （3）PT2262/PT2272 工作原理： PT2262-IR 发射芯片地址编码输入有“1” 、 “0”和“开路”三种状态，数 据输入有“1”和“0”两种状态。由各地址、数据的不同接脚状态决定，编码 从输出端 Dout 输出，通过红外发射管发射出去。其编码时序波形如图 3.2 所示。 Dout 输出的编码信号是调制在 38kHz 载波上的，OSC1、OSC2 外接的电阻决 定载频频率，一般电阻可在 430k470k 之间选择即可。 PT2272 的暂存功能是指当发射信号消失时，PT2272 的对应数据输出位即变 为低电平。而锁存功能是指，当发射信号消失时，PT2272 的数据输出端仍保持 原来的状态，直到下次接收到新的信号输入。图 3.3 和图 3.4 是红外发射和接 收的典型应用原理图，为了能正确解调出调制的编码信号，接收端需加一级前 置放大级，保证输入 PT2272 的信号幅度足够大。PT2272 各个输出端通过各种 接口即可控制相应的负载。 长春理工大学毕业设计 9 图 3-3 PT2262 构成 6 位发射电路 图 3-3 是 PT2262 构成 6 路发射电路，图中 PT2262-IR 的 VDD 是通过按键接 通后向芯片供电，这样静态时，PT2262-IR 并不耗电，特别适合电池供电的场 合。如果使用电源电压较低（如 3V） ，二极管应选用低压差的型号（如 1N60 等） 。 图 3-4 PT2272 构成无线接收电路 （4）PT2262 编码方式及时序分析 要对一编码进行解码，首先应了解其编码方式及时序，在 PT2262 的各种芯 片中，使用得最多的是 4 位数据码、8 位地址码的通信方式，其地址编码端口 为 A0A7，当控制端接低电平时，PT2262 就通过 17 脚不断地串行输出其编码 长春理工大学毕业设计 10 串，对于传送一组编码都自动连发四次，编码器用不同的占空比及组合表示不 同的状态。 （5）单片机解码分析 根据对 PT2262 编码方式的分析可知，每按一次发送键都发送四次编码，每 一次间都有同步码进行分隔，而无线信号一般头几个码位容易受外界干扰而丢 失，结合这些特点，在用软件进行解码时，可先检测有没有接收到信号，当有 的时候就去掉第一次编码信号，然后检测 5ms 的同步信号，从这里作为信号的 开始，进行解码5。具体的单片机译码的方法如下：首先检测同步码，当同步 码结束后就延进 300us，读取接收的状态记为 A0，然后再检测下一个上升沿， 上升沿开始后又延时 300us，读取接收的状态记为 A1。这样就把一个编码给译 出来了。 3、显示设计 数字化显示是智能仪器中不可缺少的部分，它使显示更加直观. 有线监控 系统的主机用 LCD 显示，便于同时用汉字显示相关的数字信息，而从机则用 LED 显示，它的优点在于可以用多个数码管来模拟不同的从机号，从而显示不 同的从机信息6。液晶显示单元以往的控制系统多采用七段数码管显示，当显 示信息量较多时，该种显示方式给使用者带来了极大的不便，而液晶显示器 (LCD)具有功耗低，体积小，重量轻等诸多其他显示器件无法比拟的优点，被广 泛应用于便携式仪器仪表和低功耗电子产品中。LCD 可分为段位式、字符式和 点阵式。其中，段位式 LCD 和字符式 LCD 只能用于字符以下的简单显示，不能 满足图形曲线及汉字显示的要求。而点阵式 LCD 不仅可以显示字符和数字，还 可显示各种图形、曲线及汉字，便于实现人机对话操作，测量处理结果显示， 并且可以实现屏幕的上下左右滚动、闪烁等功能，用途十分广泛。 本系统采用的是深圳市瑞特电子有限公司生产的12232F型的液晶显示器。 内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器,它 主要由行驱动器/ 列驱动器及12832全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也 可以显示7.52个(1616点阵)汉字.与外部CPU接口采用并行方式控制。 12232F 点阵液晶显示模块和 AVR 单片机接口电路有两种：直接控制方式和 间接控制方式7。间接控制方式一般不需要在液晶显示模块和微处理器之间添 加其他硬件电器 ，时序转换与适配是由微处理器利用软件仿真 T6963C 的时序 来完成的 ，灵活性较好，不限制微处理时钟频率 ，但程序效率稍低 ，占用微 处理器口线较多 ，一般常常应用于较简单的微处理器系统中。间接控制方式的 典型接口电路如图 3.5 所示 。其中 12232F 的数据线 DB0DB7 与 Atmega16 的 长春理工大学毕业设计 11 PB 口相连，RS 控制引脚与 PC0 脚相连，RS=“H”,表示 DB7DB0 为显示数据； RS=“L”,表示 DB7DB0 为显示指令数据。R/W 控制端与 PC1 脚相连，R/W=“H”, E=“H”,数据被读到 DB7DB0，R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0 的数据被写到 IR 或 DR 中。E 端为使能信号，由单片机的 PC2 引脚控制。 ，该电路中的点阵液 晶显示模块独占 Atmega16 的相应口线 ，与其他硬件电路及地址无关 ，所以 ：CS 端可直接接地 ，RP 为对比度调节电位器 ，R1、C1 组成上电复位电路， C2、C3 为电源滤波。 图3-5 12232F与单片机的典型接口电路 12232 型 LCD 显示器软件设计从底层写起，逐步提高，最后完成显示一个 code 区域的数据功能。即先从向 LCD 液晶显示器发送一个字节数据或指令写起， 逐步上升，最后画到一个指定开始列，图形指针固定高度的图。汉字和数字字 符都是通过“画”这种图形来得到的。 a. 初始化程序 长春理工大学毕业设计 12 图 3-6 液晶显示初始化流程图 图 3-7 液晶判忙流程图 液晶驱动程序主要通过对单片机口线的操作来满足液晶显示模块对时序的 要求，在液晶块显示信息之前，必须对它进行初始化。其程序流程图如上图 3- 6 所示。 b.芯片判忙子程序 芯片判忙是本系统唯一读 LCD 液晶显示器的一个子程序。读取当前 LCD 的 状态，以判断 LCD 是否忙，用到的是读状态指令。芯片判忙流程如图 3-7 所示。 读出数据和 0X80 相“与” ，直到结果为 0 为止（不忙） ，也就是在等待读状态指 令里面读出的 BUSY 位（D7）为 0 为止，说明芯片不忙。 4、语音报警电路 语音采用台湾公司最新推出的单片 60 秒模拟语音录放芯片 APR9600 报警， 它是一种音质好低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，可录放 60 秒，它 的操作模式为串行控制和并行控制，串行控制时可分 256 段以上，并行控制时 最大可分为 8 段，且具有分段管理方便、多路控制电路简单、采样速度及录放 音时间可调等多种功能8。我们选用它来作报警系统,可清晰的听见报警信号。 3.1.23.1.2 各站原理框图各站原理框图 1、主机原理框图 图 3-8 中说明 AT89C51 由键盘 1 控制，当有键下时传送给 AT89C51，同时 AT89C51 接收到无线信号接收系统传来的信号，此时 AT89C51 将信号传递给 LCD 进行显示，通过 RS-232 接口送给 PC 机，并且可以送给语音报警电路进行报警。 长春理工大学毕业设计 13 图 3-8 主机原理框图 2、从机检测原理框图 图 3-9 中 AT89C51 由键盘 2 控制，当有机器发生故障按下按钮，将送给 AT89C51，此时 AT89C51 将进行三部分工作，一部分送给 LED 进行显示，一部分 进行无线信号发射，另一部分则可以进行蜂鸣器报警 图 3-9 从机原理框图 3.23.2 单片机软硬件设计单片机软硬件设计 3.2.13.2.1 从机设计从机设计 硬件电路设计如图 3-10 . 键盘 1 控 制 无线信号接收系统 AT89C51 LCD 显示手持 器的数字 键盘 2 控制AT89C51 无线信号发射 电路 LED 显示 RS-232 接口 语音报警电路 蜂鸣器报警 P C 机 长春理工大学毕业设计 14 图 3-10 硬件电路设计 注：从机部分三路采集信号，硬件电路基本相似。 1、软件部分设计 本系统从机部分主要采用 89C51 单片机控制无线信号的采集及发射。软件 流程如图 3-11 所示。 2、采样数据滤波算法 本次设计中无线数据信号采集，软件采用采样次数可变的算术平均滤波算 法。根据我们实验测试表明，当按键反应变化较大时，信号检测值的测试误差 较大；当按键反应变化较小时，测试的误差不大。因此，我们在测试软件编程 时，采用采样次数可变的数字滤波技术。即所测数据变化大的时候采用采样次 数多的算术平均算法，而在数据变化小的情况下采用采样次数少的算术平均算 法，从而获得较准的键值及较快的检测速度，为控制提供了准确的依据。提高 了控制的精度。 3.2.23.2.2 主机设计主机设计 主机采用 89C51 单片机实现监控功能。通过无线接收模块，接收检测到的 实时数据信息。显示采用点阵式 LCD（240 128） ，可进行汉字显示。它的工作 模式有定点和巡回检测两种工作方式，可显示从从机传输来的从机号和回答的 长春理工大学毕业设计 15 数据。在巡回检测时，能任意设定要查询的从机数量、从机号和各从机的数据 值；当收到从机报警信号时，可以语音报警并显示相应的从机号并可解警。硬 件方面扩展了一片 74LS244，用于键盘输入，扩展了一片 74LS273，用于控制语 音芯片根据不同的要求用语音提示。74LS138 为地址译码电路。打印采用荣达 MP 系列汉字微型打印机，具有超小体积、超低功耗，工作稳定可靠，打印速度 快，操作简单，连接方便等优点10。 主机电路包括高频发射模块、超载波接收模块、数码显示驱动模块、键盘 扫描、声光报警、复位电路等。待机情况下，数码管显示全零，声光报警电路 均不工作。当病按动安装在床头的从机按键时，安装在护士站的主机收到信 号后发出 3 声“嘀”的提示音，同时发光二极管亮，数码管显示呼叫病人的床 位号和呼叫次数，医生或护士根据显示床位号进行治疗与服务。主机具有记忆 最近呼叫的 9 组床位号及其呼叫次数的功能。 AT89C51 中有一个全双工异步串行通信接口，可用作 UATR(通用异步接收和 发送器)，也可用作同步移位寄存器。在本系统设计中，UATR 为串行工作方式 1。单片机以串行通信方式工作时，串行口检测到 1 个由“l”到“0”的跳变时 开始启动串行接收，且单片机在非串行通信时段内的输出为“1”，所以在发射 电路之前和接收模块之后均需再加 1 个非门，防止发射电路在非通信时一直处 于发射状态，同时满足单片机串行通信要求，保证单片机能够正常收发数据。 需要发射的数据信号从 AT89C51 的 11 引脚输出经反相后送到 433MHz 高频发射 电路发射。该高频发射电路采用声表面波(SAW)谐振器稳频，性能稳定，无需任 何调试即可正常工作。因为高频接收电路易受干扰，不易调试，而市售成品接 收模块性能稳定，价格低，故本系统中采用成品接收模块，该接收模块收到的 信号经反相后送入 AT89C51 的 10 引脚进行解码。 长春理工大学毕业设计 16 图 3-11 系统流程图 具体硬件电路如图 3-12 所示。 图 3-12（a）系统整体框图 长春理工大学毕业设计 17 图 3-12（b） APRR9600 封装模块 主机和从机之间的通信方法采用无线信号发射接收模块，具有稳定性高、 抗干扰能力强、灵敏度高等优点，采用贴片工艺，选用优质名牌阻容件， 以及用声表面谐振器稳频, 使其性能在恶劣的环境下更能显示出其优势所在。 满足了设计要求11。通信协议如下： 9BH-FFH 主机接收 1-100 号从机数据信息 00H-64H 1-100 号从机解警命令 3.2.33.2.3 软件流程图软件流程图 1、 主程序流程图 开 始 各部分初始化 调显示子程序 键识别子程序 有无键按下？ 工作 、 选站模式处理故障号 码 解警巡检选择 长春理工大学毕业设计 18 N Y 图 3-13 主程序流程图 2、子程序流程图（工作部分） 图 3.14 子流成图 长春理工大学毕业设计 19 第四章第四章 主机系统设计主机系统设计 仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段 之一。电子测量仪器发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件 仪器、智能仪器、个人仪器、虚拟仪器的发展阶段。 由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与 仪器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪 器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处 于核心地位12。计算机软件技术和测试系统更加紧密的结合趁一个有机整体， 导致仪器的结构概念和设计观点的也发生突破性的变化。在上述的背景下，出 现了新的仪器概念虚拟仪器。 4.14.1 虚拟仪器虚拟仪器 所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用的计算机平台上，根据测试任务的需 要来定义和设计仪器的测试功能，其实只是充分利用计算机来实现和扩展传统 仪器功能。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总 线技术和软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义： （1）虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“图标”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成 的功能是相同的。传统仪器面板上的器件都是“实物” ，而且是由“手动”和 “触摸”进行操作的；虚拟仪器前面板是外形与实物相象的“图标” ，每个图标 的“通” 、 “断” 、 “放大” 、等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此， 设计虚拟仪器前面板就是在前面板设计窗口中摆放所需的图标，然后对图标的 属性进行设置。 （2）虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件流程图的编程来实现的。 虚拟仪器是在一个 PC 为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现 仪器功能的。因此，可以通过不同测试功能软件模块的组合来实现多种测试功 能。 4.1.14.1.1 虚拟仪器的特点虚拟仪器的特点 1. 传统的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示和操作元件，易导致 许多识别与操作错误。虚拟仪器可以通过在几个分面板撒谎感的操作来实现比 较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布 置的简捷化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示 长春理工大学毕业设计 20 元件和操作元件的种类和形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是 由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。 2. 在通过硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完趁一起的功 能。 3. 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好 的。 4. 仪器性能的改进和功能的扩展只需更新相关的软件设计，而不需要购买 新的仪器。 5. 研制用期较传统仪器大为缩短。 6. 虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其他周围设备互 联。 4.1.24.1.2 虚拟仪器的基本工作原理虚拟仪器的基本工作原理 工作过程如下：首先，用户通过虚拟仪器面板设置好仪器功能，量程，频 段等工作参数后，启动仪器进行测量。在计算机控制下，被测对象经仪器部分 的调理和采集后，变成数据，再经过计算机处理，其结果送显示，由用户读取 或打印输出。 图 4-1 虚拟仪器的基本组成 因此，虚拟仪器的基本组成应包括13： （1） 用户（人-机）接口部分 此部分完成参数设置和结果显示等人-机对话功能。其硬件有鼠标、键盘、 显示器、打印机、绘图仪等，其软件有用户界面。 （2） 信号（机-机）接口部分 此部分完成信号调理和数据采集功能。它的硬件主要由测量仪器的模拟电 路为主构成。由于被测对象是各种各样的，有点或非电的物理量、化学量、生 被测对象 调理、采集 激励 检 测 软件 计算机及附件 （控制、处理） 用户 键盘 显示 读出 键入 仪器驱动程序 （机-机接口） 用户接口 （人-机接口） 长春理工大学毕业设计 21 物量等，由于这些被测对象千差万别，因此，在采集前通常要进行非电量到电 量的变换（各式传感器） 、幅度（放大、衰减） 、频率（混频、检波、滤波） 、阻 抗（高阻、低阻、匹配） 、隔离、激励（交直流源、恒压恒流源）等各种调理， 使其到采集板时为归一化的模拟电信号，最后再由采集板进行 A/D 转换。此外， 信号接口部分通常还含 D/A 变换，定时/记数、数字 I/O 等功能模块。这部分的 软件称为仪器（或设备）驱动器。 （3） 控制与处理部分 此部分硬件包括各种高性能的计算机（笔记本机、PC 机、工控机、工作站 等）及附件。起软件为控制、分析、处理程序。 4.24.2 LabVIEWLabVIEW 语言语言 LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司（简称 NI）的创新软件产品，也是目前应用最广，发展最快，功能最强的图形化软件 开发集成环境。 LabVIEW 软件的特点如下： 具有图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工 程师语言。 提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的 执行工具，是程序动画式运行，利于设计者观察到程序运行的细节，使程序的 调试和开发更为便捷。 32 位的编译器编译生成 32 位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测 量方案的高速执行。 囊括了 PCI、GPIB、PXI、VXI、RS232/485、USB 等各种仪器通信总线标准 的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口 设备和仪器。 提供大量与外部代码或软件进行链接的机制，诸如 DLL（动态链接库） ， DDE（共享库） ，Activex 等。 具有强大的 Internet 功能，支持常用的网络协议，方便网络远程测控仪器 的开发。 虚拟仪器和传统仪器的比较： 传统仪器：仪器厂商定义、硬件是关键、价格昂贵、技术更新慢（510 年） 、封闭系统、规模、功能固定、开发维护费用高、功能单一，维护不便。 虚拟仪器：由用户自己定义、软件是关键、价格低、可重复使用、技术更 长春理工大学毕业设计 22 新快（12 年）、开放系统，可方便的同外设、网络等连接、规模、功能可任 意修改、增减、开发维护费用低、智能化、多功能、远距离传输。 在虚拟仪器系统中，硬件是用来解决信号的输入和输出，软件是整个仪器 系统的关键。虚拟仪器面板空间对应着软件程序，这些软件已经设计好了，使 用时用户只需将代表该种软件程序的图形控件防在窗口中相应的位置，然后把 所有的图标连起来，就组成了一个虚拟仪器系统。 虚拟仪器综合运用了计算机软件技术、智能测试技术、摸板及总线标准化 技术、数字信号处理技术、图形处理技术以及高速专用集成电路制造技术等， 是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件与软件平台上的一个完全开 放的系统。 由于虚拟仪器具有以上优点，本控制系统采用了虚拟仪器语言来设计系统 的前面板。 LabVIEW 是一个具有革命性的图形化开发环境，它内置信号采集、测量分 析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，为您提供强大功能的同时 还保证了系统灵活性。LabVIEW 将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了 同一个环境中，让您可以在自己的平台上无缝地集成一套完整的应用方案。 数据采集 LabVIEW 是一个开放式的开发环境，用户可以将其与任何测量硬件轻松连 接。LabVIEW 的交互式测量助手 (assistant) 、自动代码生成以及与成千上万 个的设备的简易连接功能，使它能够如此轻而易举地完成数据采集。 使用 LabVIEW，可以从插入式板卡、USB 接口设备及以太网系统中快速采集 并生成信号。这些 I/O 功能结合了特殊的数据类型和测量分析 VI 程序，旨在从 物理传感器中以最快的速度获得测量数据。 LabVIEW 包括使用 NI-DAQmx 技术的 NI-DAQ 驱动软件。 缩短编程时间、减少繁琐的配线-对多数数据采集硬件均可使用交互式向 导和自动化 LabVIEW 代码生成。 4.34.3 发射数据格式发射数据格式 单片机和接收模块工作时，通常用户可以自定义传输协议，不论用何种调 制方式，所要传递的信息码格式都很重要，它将直接影响数据收发的可靠性。 常用信息码格式为：前导码+同步码+数据帧。 前导码发射时间应大于 10 ms，以避开背景噪声，因为接收模块接收到的 第一位数据极易被干扰(即零电平干扰)而引起接收数据错误。所以在发射同步 码前加一些前导码以抑制零电平干扰。同步码主要用于区别前导码及数据，有 长春理工大学毕业设计 23 一定的特征，使软件通过一定的算法鉴别出同步码，同时做好接收数据准备。 数据帧即要传送的信号。 本系统是运用单片机的串行通信，数据每次发送 4 帧，第一帧为 8 位全 0 码，第二帧为 8 位全 1 码，2 帧数据是前导码，实践证明能良好抑制零电平 干扰；第三帧为 8 位同步码，以不同的同步码构成 256 组不同的呼叫系统；第 四帧 8 位表示 256 个不同的床位号。经过软件比较后，发现接收到的前 2 帧为 全 0 码和全 l 码后才开始接收同步帧和数据帧。软件判断同步帧数据为本呼叫 系统的同步码后解码数据帧，显示床位号和呼叫次数，并以声光报警。 4.44.4 系统界面系统界面 1、数字显示 实时趋势图控件是以一次一个点或几个点的方式来接收数据的 。