医院无线呼叫系统毕业设计

济源职业技术学院济源职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计 题目 医院无线呼叫系统 系别 机电系 专业 机电一体化技术 班级 机电 0605 班 姓名 胥文强 学号 06010539 指导教师 高清冉 日期 2008 年 12 月 济源职业技术学院毕业设计 I 设计任务书 设计题目设计题目 医院无线呼叫系统 设计设计要求要求 利用无线收发模块 设计出多路医院无线护理呼叫系统 使病人能随时呼叫护 士 同时在走廊显示病床号 具体要求如下 1 病人按分机上的按扭 主机的 LED 屏立即显示呼叫的床位 2 每台分机使用拨盘开关确定地址 可以随意设置 并且分机在呼叫主机时互 不干扰 互不串号 3 当护理人员离开岗位时 主机自动储存最新呼叫的病床号码 4 主机循环显示最新呼叫的病床的号码 5 护理人员已经服务过的病床可立即删除该床位号码 避免多个服务员重复服 务于一个床位 计划进度计划进度要求要求 第一 二周 开题 根据设计要求查找相关资料 第三周 方案论证及选择 第四周 系统总体设计 写出设计报告 第五周 系统硬件设计 第六周 系统软件设计 第七周 整理修改毕业设计报告 第八周 毕业答辩 指导教师 签名 指导教师 签名 济源职业技术学院毕业设计 II 摘 要 医用无线呼叫系统是一种采用无线编解码传输方式 由微型计算机控制的国内 最先进无线的医用传呼系统 对于加强护士站与病房的联系 提高护理水平具有很 大帮助 本文所设计的呼叫系统使用专用射频无线收发芯片传输 避免了传统的有 线寻呼系统布线麻烦和改建麻烦的问题 使用单片机多地址编码技术 每个分机设 置使用不同的地址编码 呼叫时误码率低 呼叫主机的时候互不干扰 系统容量大 扩展起来十分方便 该呼叫系统是一种采用无线编解码传输方式 使用单片机做控 制器 自动储存最新呼叫的病床号码 并循环显示 历史号码使用删除键删除 在 传统的呼叫系统上做了很大的改进 是的国内先进的无线的医用呼叫系统 该系统 所用元件为高集成度的芯片 整个系统电路简洁 性能稳定 呼叫机的工作方式设 置了省电模式 在不使用的时候自动进入省电状态 所以功耗低 大大的节约了电 池的使用时间 关键词 无线呼叫 AT89C51 编码 号码存储 循环显示 济源职业技术学院毕业设计 III 目 录 摘 要 II 1 绪 论 1 1 1 课题意义及相关研究动态 1 1 2 系统主要技术性能指标 3 2 方案论证及选择 4 2 1 方案论证 4 2 1 1 采用有线分区响应集中控制方案 4 2 1 2 采用 DTMF 编码方案 5 2 1 3 射频元件和单片机控制方案 6 2 2 方案选择 7 3 系统硬件设计 8 3 1 系统原理框图 8 3 2 主要元器件介绍 8 3 2 1 nRF401 介绍 8 3 2 2 单片机 AT89C51 介绍 13 3 2 2 单片机 AT89C2051 介绍 16 3 3 分机电路设计 17 3 3 2 分机 nRF401 与 AT89C2051 主连接电路的设计 18 3 3 3 分机天线设计 19 3 3 4 分机电源电源设计 19 3 4 主机电路设计 20 3 4 1 主机 nRF401 与 AT89C2051 主连接电路的设计 20 3 4 2 主机电源电路的设计 20 3 4 3 显示电路的设计 21 3 4 4 键盘电路设计 21 3 4 5 报警电路的设计 21 3 4 6 走廊显示电路的设计 22 4 系统软件设计 24 4 1 通信协议设计 24 4 2 系统总流程图 24 济源职业技术学院毕业设计 IV 4 2 1 分机系统流程图设计 24 4 2 2 主机系统流程图设计 25 4 2 3 提示音子程序设计 26 4 2 4 显示子程序设计 26 4 3 系统程序设计 27 结 论 29 致 谢 30 附录 1 程序清单 31 参考文献 35 济源职业技术学院毕业设计 1 1 绪 论 病床呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断或护理的紧急呼叫工具 可 将病人的请求快速传送给值班医生或护士 是提高医院和病室护理水平的必备设备 之一 1 1 课题意义及相关研究动态课题意义及相关研究动态 伴随着医疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速发展 越来越多的人们需要 迅捷 方便地得到医院的各种各样的医疗服务 这必将使医院之间的竞争日趋激烈 这使得衡量一个医院的综合水平高低 不再仅仅局限于软 硬件的建设上 更要比 服务 原有的服务体系已不足以适应现代社会需求 谋求适合现代社会需求的客户 服务系统 是所有企事业单位计划做或正在做的工作 这些工作有利于改善服务量 提高效率并增加企业效益 从而赢得良好的社会声誉 如何利用先进的信息技术为 医院服务 更大程度的提高医院的服务质量及利润 是医院信息化建设中的一个重 要着眼点 医院的竞争越来越激烈 商业医院的生存是第一位的 提升档次和服务质量迫 在眉睫 陪护问题一直是医患矛盾的主体 也是长期困扰卫生系统服务质量的大问 题 使用无线呼叫系统 方便病人更快找到医生 以节约病人的宝贵时间 临床呼叫求助装置是传送临床信息的重要手段 关系病员安危 传统的有线呼 叫系统历来受到各大医院的普遍重视 如果采用无线传输 会节约布线和改造线路 的资金 为医院节约成本 并且及时 准确 可靠 简便可行 必然比目前的同类 产品更能受到医院及病人的认可 有更强的竞争力 必然能大量推广 数据的碰撞问题即无线通信中的多路存取问题 我们把多个通信通路竞争一个 通信信道的通信方式叫做多路存取 由于每个通信通路都有规定的通路容量 且通 路容量是由这个通信通路的最大数据传输率以及供它使用的时间片确定的 故分配 给每个用户的通路容量必须满足 当有多个发射器同时把数据传输给同一个接收器 时 不能出现互相干扰 传统的病房呼叫系统采用的都是有线传输 很难做到隐蔽和美观 安装维护都 不方便 抗电气干扰能力也不强 为克服以上的不足 本文介绍一种无线的病房呼 济源职业技术学院毕业设计 2 叫监护系统 医院的病房里每个床位边都装有一个呼叫按钮 当病人需要帮助时 按下呼叫按钮 护土办公室里呼叫显示板上相应房间号的指示灯点亮并报警 值班 护土一看就知道哪个房间的病人需要帮助或需要进行抢救 在走廊里也安装一个显 示牌 为便于护士查看 具有如下特点 应用单片机进行编译码 可实现多点无线寻呼 互不干扰 并且扩展方便 呼 叫者按动按钮后 系统在显示呼叫者病床号同时 电路发出报警声 若同时有多处 呼叫时 先将呼叫者地址存储 再排队循环显示 并可以翻查或删除记录 有效隔 离电气干扰 增加系统操作的安全性和可靠性 工作稳定可靠 使用灵活方便 对 无线呼叫系统来说 中央服务器与呼叫器之间只存在很短的动作周期 这种周期被 较长的不等非工作间歇所中断 呼叫器发出的数据在数十毫秒的时间内被鉴别 读 出和写入 接着 主机在较长的时间内不会接收到呼叫器发出的信号 但这并不意 味我们不需要考虑多个呼叫器同时向服务器传输数据的可能性 我们需要的是一种 高效的多路存取法 使用户感觉不到时间的损失就完成了数据的区分 显示及对用 户的响应 由于单片机具有功能强 体积小 价格低等一系列优点 在各个领域都 有广泛的应用 有力地推动了各行各业的技术改造和产品更新换代 近年来设计生产的呼叫器已普遍采用了单片机 使其功能大为增强 同时 值 班室与病房间的连线也大大减少 布线简洁方便 迎合了医院追求环境整洁的需要 但是还是无法摆脱电线的束缚 布线麻烦 遇到病房扩建或改造 系统则需要重新 布线 产品的重复使用率低 致使成本增加 需要新一代的产品来改善 目前市售的各种呼叫器均不具备记录功能 而在临床实践中发现 如果遇到几 个病床同时呼叫 则会造成数据丢失 浪费病人宝贵时间 如果主机如能记录同时 呼叫的床号存储起来 这对于医生的护理将大有好处 本文使用 AT89C51 单片机为核心开发设计新型分布式呼叫系统 每个分机有唯 一的地址码 主机对呼入的号码进行存储 确保呼叫信息不丢失 终端数码管循环 显示呼叫地址及声音报警 并采用专用的无线收发芯片 使系统稳定可靠 并且主 机在发送呼叫信息前先发出握手信息 然后等待主机的回应 得到回应后再发送地 址信息 防止发生与其他分机呼叫发生冲突 造成主机解码错误 济源职业技术学院毕业设计 3 1 2 系统主要技术性能指标系统主要技术性能指标 1 最大分机容量 256 门 2 最远距离 800 米 3 电源 主机交流 220V 50Hz 市电 分机 2 节 1 5V 电池 4 发射频率 433MHZ 5 工作温度 20CO 40CO 6 功耗 主机 5W 分机 1W 济源职业技术学院毕业设计 4 2 方案论证及选择 针对课题要求和参数 现有有线和无线两种方式可以实现 有线传输采用总线 分时响应 无线有双音多频 DTMF 编码和射频元件单片机控制方案 下面对目前主 流的方案进行介绍 2 1 方案论证方案论证 2 1 1 采用有线分区响应集中控制方案采用有线分区响应集中控制方案 该方案系统构成框图和原理框图分别如图 2 1 和图 2 2 所示 从系统方框图可以 看出 各呼叫单元和响应单元用总线方式相联 内部总线包括数据线 DATA 呼叫 线 LINE 5V GND 其中 5V 为各呼叫单元和响应单元提供工作电源 DATA 线 上传送主机发出的地址串行码 用于选通指定的呼叫单元或响应单元 LINE 线则用 来检测是否有呼叫请求 主机通过一条内部总线与系统各部件相连 构成说明如下 1 系统主机由控制器 发码器 线路状态检测器等构成 2 各呼叫单元由解码器 电子开关 呼叫按钮等构成 3 各响应单元由解码器 显示器 蜂鸣器等构成 主机将众多呼叫单元分为若干组 每一组呼叫单元与一响应单元构成一个分区 分区内的呼叫按钮由这一响应单元管理 主机中控制器通过发码器向各呼叫单元发 码扫描 如线路状态检测器检测到 LINE 上出现有效电平 则当前地址的呼叫按钮 定有呼叫请求 于是主机通过 DATA 线发码选通这一呼叫按钮所在分区的响应单 元 并发送呼叫按钮号码信号 响应单元的解码器解码成功后 打开蜂鸣器发出提 示音 并在显示器上显示呼叫按钮号码 图 2 1 系统结构框图 主机 呼 叫 1 呼 叫 2 呼 叫 3 呼 叫 n 响应 1响应 n 总线 济源职业技术学院毕业设计 5 图 2 2 系统原理示意图 该方案将上千个呼叫按钮并接在一条总线上 与电力线的布局完全相同 且对 呼叫信号采取分区响应集中控制的措施 是一种容量大 响应快的总线型结构呼叫 系统 但是本系统成本还是摆脱不了有线的束缚 有线寻呼仍然无法避免布线繁琐 成本高 扩展和修理困难的问题 2 1 2 采用采用 DTMF 编码方案编码方案 该方案采用和家用无绳电话相似的原理 系统由呼叫器和主机组成 原理框图 如图 2 3 和图 2 4 所示 图 2 3 呼叫器原理方框图 混频1 带通 滤波 混频2 正交鉴频 带通 滤波 限幅 放大 音频放大导频译码DTMF 译码 本振 1本振 2 高放 呼叫开关 呼叫单元 主机 控 制 器 发 码 器 状 态 检 测 解码器 电子开关 解码器 显示器蜂鸣器 响应单元 DATA LINE 济源职业技术学院毕业设计 6 图 2 4 接收器原理方框图 采用该方案需要参照我国 1985 年对开发和使用无绳电话的行政管理规定 规定 无绳电话机的工作频点为 20 组 每组频道间隔为 25kHz 无绳电话机座机的发射功 率不得超过 50mW 手机发射功率不得超过 20mW 以及其它规定都必须遵照执行 并且需要申请相关许可证 由于发射功率较小 发射距离受到很大约束 若传输距离较远 则需要加装转 发器和多路控制器 且系统的容量较小 需要采用随机请求按需分配方式的一点多 址通信协议 纯 ALOHA 协议 该无线方案能实现呼叫的功能 但是传输距离近 系统容量小 而且电路复杂 造成成本高 呼叫器体积也不可能做的很小 而且很难保证工作稳定 增加了故障 发生几率 2 1 3 射频元件和单片机控制方案射频元件和单片机控制方案 该方案系统由呼叫器和主机构成 使用射频收发芯片 使系统工作在 ISM 频段 433MHz 附近 该频段无需申请许可证 使用单片机编码 解码 每个呼叫器有一个 唯一的识别码 并且识别码可以随时修改 当用户按发射键后 识别码被发射出去 等待接收器的响应 主机接收到服务申请后 根据识别码鉴定出是由哪一台呼叫器 发出的申请 并给出声音提示和显示呼叫器的识别号 如果有几个呼叫器在短时间 里同时呼叫 主机则按照先后顺序存储起来 在按顺序轮换显示 系统方框图如图 2 5 和图 2 6 所示 图 2 5 呼叫器原理方框图 按下呼叫按钮 地址 TDMF 编 码 震荡调 制 导频震 荡 三倍频功放 隔离放 大 单片 机 地址输入 呼叫指令 发 射 芯 片 济源职业技术学院毕业设计 7 图 2 6 接收主机原理方框图 该方案原理简洁 由于使用集成度很高的芯片 同时使用单片机编码 由拨码 开关确定呼叫器地址号 所以该系统扩展十分方便 只需要增加呼叫器的数量就可 以 具有很多传统呼叫系统不具备的优点 2 2 方案选择方案选择 方案一为有线呼叫系统 发生故障后 查询和排除故障非常麻烦 有线呼叫系 统还需另外支付布线材料费和人工费 其总价比无线产品高很多 遇到科室改建或 扩建 原系统必须拆除 有线产品的重复使用率低 致使成本增加 所以传统的有 线呼叫系统已经没有很大的开发价值 方案二采用 DTMF 编码 使用的频段需要遵照国家相关法律 法律对这个频段 的无线电设备有严格要求 并且需要申请相关许可证 该方案电路比较复杂 造价 相对也高很多 并且想要增加分机数量还需要对主机进行相应改变 扩展起来比较 麻烦 方案三使用专用的射频模块 并使用单片机控制 原理简单 主要功能靠单片 机编程实现 使用的芯片集成度高 性能稳定 节能并且造价相对也低 通过对以 上三种方案的比较 所以这里将使用第三种方案 接 收 芯 片 单 片 机 提示 显 示 翻查删除 济源职业技术学院毕业设计 8 3 系统硬件设计 系统分为呼叫分机和接收主机 分机用来进行呼叫 编码使用单片机完成 分 机的核心电路即是单片机与射频芯片的连接电路 主机负责接收分机发来的信号 并进行解码 显示和报警 主机上还设有键盘用于翻查和删除 所以主机上应接有 键盘 显示和报警电路 3 1 系统原理框图系统原理框图 系统的主要原理框图见图 3 1 和图 3 2 图 3 1 呼叫分机原理框图 图 3 2 接收主机原理框图 3 2 主要元器件介绍主要元器件介绍 在该系统中将使用射频芯片 nRF401 做无线收发芯片 主机使用单片机 AT89C51 解码器和控制器 分机使用 AT89C2051 作为编码器和控制器 下面对这 几个芯片做详细介绍 3 2 1 nRF401 介绍介绍 1 1 nRF401nRF401 主要性能 nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司最新推出的单芯片 RF 收发机 专为在 433MHz ISM 工业 科研和医疗 频段工作而设计 所有高频元件包括电感 滤波 地址输入 单片 机 收发 模块天线 呼叫信号 天线 收发 模块 单片 机 显示 键盘 济源职业技术学院毕业设计 9 器 振荡器都全部集成在芯片内部 使得它性能稳定 一致性好 成本低 体积小 它是目前集成度最高的无线数传产品 该芯片集成了高频发射 高频接收 PLL 合 成 FSK 调制 FSK 解调 双频道切换等功能 具有性能优异 功耗低 使用方便 等特点 nRF401 的外围元件很少 仅 10 个左右 只包括一个 4MHz 基准晶振 可与 MCU 共享 一个 PLL 环路滤波器和一个 VCO 电感 收发天线合一 没有调试部件 这给研制及生产带来了极大的方便 主要技术特性见表 3 1 所示 其内部结构如图 3 3 所示 表 3 1 nRF401 主要技术指标 参数数值单位 频率 频道 1 频道 2433 92 434 33MHZ 调制方式FSK 调制度 15KHZ 最大输出发射功率 400 3V10dBm 灵敏度 400 BR 20kbit s 105dBm 最大速率20Kbit s 工作电压2 7 5 25V 接收电流250uA 发射电流 19dBm 输出8mA 待机电流8uA 图 3 3 nRF401 内部框图 nRF401 使用具有较强抗干扰能力的 FSK 频率 Frequency ShiftKeying 调制方式 改善了噪声环境下的系统性能 采用 DSS PLL 频率合成技术 工作频率稳定可靠 与 ASK 幅移键控 Amplitude ShiftKeying 和 OOK 开关键 On Off Keying 方式相比 济源职业技术学院毕业设计 10 这种方式的通信范围更广 特别是在附近有类似设备工作的场合 其主要特性如下 1 工作频率为国际通用的数传频段 2 FSK 调制 抗干扰能力强 特别适合工业控制场合 3 采用 PLL 频率合成技术 频率稳定性极好 4 灵敏度高 达到 105dBm nRF401 5 功耗小 接收状态 250mA 待机状态仅为 8uA 6 最大发射功率达 10dBm 7 低工作电压 2 7V 可满足低功耗设备的要求 8 具有多个频道 可方便地切换工作频率 9 工作速率最高可达 20Kbit s RF401 10 仅外接一个晶体和几个阻容 电感元件 基本无需调试 11 因采用了低发射功率 高接收灵敏度的设计 使用无需申请许可证 开阔 地的使用距离最远可达 1000 米 与具体使用环境及元件参数有关 nRF401 无需外接昂贵的变容二极管 而其他竞争产品大多需要外接变容二极 管 声表面波滤波器件等 这些芯片一般需要进行曼彻斯特编码后才能传输 在编 程上会需要较高的技巧和经验 需要更多的内存和程序容量 并且曼彻斯特编码大 大降低数据传输的效率 一般仅能达到标称速率 实际速率 的 1 3 因此大大增加 了软件的工作量和产品开发的难度 而 nRF401 系列独特的技术可以直接传送单片 机串口数据 应用及编程非常简单 抗干扰能力强 传送的效率很高 且使用很方 便 nRF401 采用小型 20 引脚 SSOP 封装 管脚数和体积最小 采用非常紧凑的电 路板布局 有利于减少 PCB 面积 降低成本 适合便携式产品的设计 也有利于开 发和生产 3V 直流电源供电 接收电流低 仅为 11mA 而且在轮流检测 Polling 模式时可以通过周期性暂停的方法使其更低 以延长电池寿命 它还提 供进一步降低电流消耗的待机模式 nRF401 另一个非常重要的特性是主机的频带外阻抗很高 out of band blocking 这意味着它不需要外部声表面波 SAW 滤波器 此外 nRF401 的解调器是 DC 平 衡的 因此可以使用任何一种协议 也可以使用各种 0 1 序列 因而无需浪费单 济源职业技术学院毕业设计 11 片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码 nRF401 的串口可以与任何单片机接口 也不需要进行设置 应用及编程非常简单 可直接传输串口数据 传送的效率很高 是一种能方便地与各种单片机配合使用的方案 2 nRF401 引脚介绍 nRF401 的引脚如图 3 4 所示 各引脚功能如下 图 3 4 nRF401 引脚图 CS 频道选择 CS 0 选择工作频道 1 即 433 92MHz CS 1 选择工作频道 2 即 434 33MHz 连接 AT89C51 的 P2 5 脚 DOUT 数据输出 连接 AT89C51 串口 RXD DIN 数据输入 连接 AT89C51 串口 TXD PWR UP 节能控制 PWR UP 1 正常工作状态 PWR UP 0 低功耗节能状态 连接 AT89C51 的 P2 6 脚 TXEN 发射接收控制 TXEN 1 时 nRF401 为发射状态 TXEN 0 时 nRF401 为接收状态 连接 AT89C51 的 P2 7 脚 ANT1 和 ANT2 是接收时信号的输入 以及发送时功率放大器的输出 连接 nRF401 的天线是以差分方式连接到 nRF401 的 在天线端推荐的负载阻抗是 400 欧 姆 3 9 是一个典型的采用差分方式的原理图 射频功率放大器输出是两个开路输出 三极管 配制成差分配对方式 功率放大器的 VDD 必须通过集电极负载 当采用 差分环形天线时 VDD 必须通过环形天线的中心输入 为了减少分布参数的影响 在 PCB 应该避免长的电源走线 所有元件地线 济源职业技术学院毕业设计 12 VDD 连接线 VDD 去耦电容必须离 nRF401 尽可能的近 nRF401 的电源必须经过 很好的滤波 并且与数字电路供电分离 在离电源脚 VDD 尽可能近的地方用高性能 的电容去耦 最好是一个小电容和一个大电容相并联 PCB 板顶层和底层最好敷铜 接地 把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连 再将 VSS 脚连接到敷铜面 所有开 关信号和控制信号都不能经过 PLL 环路滤波器元件和 VCO 电感附近 3 3 nRF401nRF401 的典型连接 图 3 5 nRF401 典型连接图 nRF401 的典型应用连接图如图 3 5 所示 可直接用于单片机或计算机 RS 232 串口异步传输 从图中可以看到 外围元件很少 包括一只基准晶振及几只无源器件 没有调 试部件 天线用微带天线直接设计在线路板上 这给研制及生产带来了极大的方便 图中 L1 电感需要用高 Q 值高精度的贴片绕线高频电感 Q 45 晶振 X1 需要用高稳 定晶振 电容元件应选用高稳定贴片元件如 NPO 高稳定电容 以确保性能 nRF401 是单片集成收发芯片 可工作于 433 92MHz 434 33MHz 两个频道 最 大数据传输率为 20kbps 调制方式为 FSK 功耗低 且发射功率可以调整 最大发 射功率为 10dBm 当工作于待机模式时 待机电流仅为 8uA 因此很适合用于便携 式的无线通信设备中 连接 nRF401 的天线是以差分方式连接到 nRF401 的 在实际 设计中 呼叫器的天线采用差分环型天线 这种天线可直接刻蚀在 PCB 板上 使用 济源职业技术学院毕业设计 13 起来十分方便 3 2 2 单片机单片机 AT89C51 介绍介绍 1 AT89C51 主要功能 ATMEL 的 AT89C51 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128 bytes 的随机存取数据存储 器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 内置功能强大的 微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机 它有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输 出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工 串行通信口 AT89C51 可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的 微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降 低开发成本 AT89C51 具有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应 不同产品的需求 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能的 单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 与 工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储 器组合在单个芯片中 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精 简版本 AT89C2051 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方 案 2 AT89C51 引脚介绍 AT89C51 的引脚如图 3 6 所示 各引脚功能如下 济源职业技术学院毕业设计 14 图 3 6 AT89C51 引脚图 Vcc 供电电压 Vss 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收 输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外 部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校 验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输 出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘 济源职业技术学院毕业设计 15 故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输 出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据 存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校 验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊管脚备选功能 如下所示 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平 时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输 出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过 一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有 在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微 处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器 周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不 出现 济源职业技术学院毕业设计 16 EA 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不 管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为 片内振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号 的脉宽无任何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任 何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 此外 AT89C51 设有稳态逻 辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两种软件可选的掉电模式 在闲置 模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数器 串口和中断系统仍在工作 在掉 电模式下 保存 RAM 的内容并且冻结振荡器 禁止所用其他芯片功能 直到下一个 硬件复位为止 3 2 23 2 2 单片机单片机 AT89C2051AT89C2051 介绍介绍 1 1 AT89C2051 主要功能 它是一个低电压 8 位高性能 CMOS 单片机 片内含 2k bytes 的可反复擦写的 只读程序存储器 PEROM 和 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置 通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 功能强大 AT89C2051 单片机可为您提供许 多高性价比的应用场合 AT89C2051 是一个功能强大的单片机 但它只有 20 个引脚 15 个双向输入 输出 I O 端口 其中 P1 是一个完整的 8 位双向 I O 口 两个外 中断口 两个 16 位可编程定时计数器 两个全双向串行通信口 一个模拟比较放大 器 同时 AT89C2051 的时钟频率可以为零 即具备可用软件设置的睡眠省电功能 系统的唤醒方式有 RAM 定时 计数器 串行口和外中断口 系统唤醒后即进入继续 济源职业技术学院毕业设计 17 工作状态 省电模式中 片内 RAM 将被冻结 时钟停止振荡 所有功能停止工作 直至系统被硬件复位方可继续运行 2 2 AT89C2051 引脚介绍 AT89C2051 具体引脚如图 3 7 所示 图 3 7 AT89C2051 引脚图 从图 3 8 可以看出 AT89C2051 单片机是 AT89C51 的精简版 有 20 个引脚 它 集成了 AT89C51 的整个内核 除了没有 P0 和 P1 口外 内部结构与指令系统同 AT89C51 完全一样 且内置 2k FLASHROM 利用它开发智能产品极为方便 电路系统 体积小 成本低 连线少 工作可靠 3 3 分机电路设计分机电路设计 分机使用便携式设计 采用电池供电 在选用元件时候需要考虑到功耗和体积 还需要考虑芯片工作的最低电压的问题 所以单片机选用 AT89C2051 它只有 20 个 引脚 结构精简 体积也小 功耗低 而且在 3V 的电压下就能稳定工作 它具有 AT89C51 的内核 指令系统也一样 分机上所需要的 I O 口很少 使用 AT89C2051 完全能满足要求 3 3 1 分机号码设定电路的设计 分机采用 8 位拨码开关手动定位来确定分机的地址 分机数量最多可以扩展至 256 个 若需要将分机移至别的病床 则只需要改变拨盘开关的状态 即可改变分 济源职业技术学院毕业设计 18 机的号码 如果需要增加床位 则只需要增加分机的数量 每个分机在软硬件上完 全一样 只需要在拨盘开关上设置地址码即可 无需在主机上做任何改变 十分方 便 具体电路如图 3 8 所示 图 3 8 分机号码设定电路 3 3 2 分机分机 nRF401 与与 AT89C2051 主连接电路的设计主连接电路的设计 nRF401 有休眠 Standby 接收 RX 和发射 TX 三种工作状态 由 nRF401 的引脚功能可知 这三种状态间的切换由 PWR UP TXEN 的状态可以确定 DIN DOUT 是串行通信口 分别与单片机的串行通信口相连 CS 脚则选择工作频率 因此 nRF401 与单片机的连接电路图如图 3 9 济源职业技术学院毕业设计 19 图 3 9 收发模块与单片机连接电路图 在分机上有一个信息确认灯 在信息发送成功后确认灯闪亮 1 秒 确认灯选用 普通直径 5mm 的红色发光二极管 点亮电压为 1 8V 额定工作电流为 30mA 因此可 以由单片机的 I O 口直接点亮 限流电阻选用 100 工作电流即可以满足要求 3 3 3 分机天线设计分机天线设计 使用简单的差分输入式天线 不需要使用拉杆式天线 可以将天线直接印制在 PCB 板上 更减小了分机的体积 成本也进一步降低 其典型的 PCB 板印制天线如 图 3 10 图 3 10 nRF401 典型差分输入式印制天线 在本设计中 使用 nRF401 与单片机进行串口通信 只需要将它的数据输入口 DIN 和数据输出口 DOUT 分别与单片机的 TXD 与 RXD 连接即可 在系统开机后 需要将芯片置于接收或发射状态 由于分机使用电池供电 还 需要考虑节约电能的问题 nRF401 芯片设计了一个节能的状态 即休眠状态 所以 当芯片没有发送数据 闲置一段时间后 需要将其进入休眠状态 等到再次需要发 送数据的时候再唤醒 要实现以上切换 需要用单片机来控制它的 PWR UP CS TXEN 三个脚即可实现 图 3 10 是连接的原理图 3 3 4 分机电源电源设计分机电源电源设计 由于 nRF401 工作电压范围为 2 7V 5 25V 分机采用两节 1 5V 电池供电 即可 满足 AT89C2051 的供电要求 济源职业技术学院毕业设计 20 3 4 主机电路设计主机电路设计 从系统的原理框图可知 主机系统分电源 显示 报警 键盘等部分 3 4 1 主机主机 nRF401 与与 AT89C2051 主连接电路的设计主连接电路的设计 主机工作时也要进行状态切换 频率选择和串行通信 实现的方法与分机的一 样所以连接电路和分机的一样 不需要做任何改变 3 4 2 主机电源电路的设计主机电源电路的设计 由于主机不需要移动 因而可以采用市电交流 220V 供电 交流经变压器后输出 6V 交流经整流滤波后使用三端稳压芯片 7805 稳压 输出 5V 直流供主机使用 图中 C4 C5 C6 为单片机和收发芯片的退耦电容 直流稳压电源见图 3 11 图 3 11 主机直流稳压电源 图中三端稳压器采用 CW7805 CW7805 特性参数为 最小输 v U255754 0 入电压为 7V 最大输出电流为 1A 变压器副边输出电压 v v UU mini 4611711 2 变压器副边输出电流 取 I2 1A 变压器副边输出功率 A II maxo 80 2 由上分析 副边输出电压可取 12V 输出电流为 1A 为留有余地 一般选功率 为 10W 的变压器 整流二极管选 1N4001 其极限参数为 而 vURM50 v U192 2 因为 而 I I o O V U U U U S 3 1055125 VpopiO S mvU vU vU 所以v SU UU U VO ipop i 4 2 滤波电容 C 的耐压应大于 v U192 2 济源职业技术学院毕业设计 21 3 4 3 显示电路的设计显示电路的设计 显示电路采用 LED 共阳极接法 使用锁存器 74LS373 来点亮 采用动态显示 由 P1 口输出 LED 的片选信号 由于系统所允许的最大分机数量为 256 路 所以只需 要 3 位 LED 就可以了 单个的显示电路如图 3 12 图 3 12 LED 显示电路 3 4 4 键盘电路设计键盘电路设计 主机上的键盘总共需要两个 即翻查键和删除键 连接图见图 3 13 图 3 13 主机键盘电路 3 4 5 报警电路的设计报警电路的设计 主机在接受到呼叫后 首先进行报警告知值班人员 报警电路可以用单片机 P2 0 输出 1KHz 和 500Hz 的音频信号经放大后驱动扬声器 做报警信号 要求 1KHz 信号响 100ms 再 500Hz 信号响 200ms 交替进行 使用单片机内部电路触 发 这里使用音频放大器 LM386 它的工作电压为 4 12V 输出功率最大可达 1W 输入阻抗为 50K 报警发声电路见图 3 14 济源职业技术学院毕业设计 22 图 3 14 主机报警发声电路 3 4 6 走廊显示电路的设计走廊显示电路的设计 驱动显示电路主要包括大型 LED 数码管 BSl20 1 共阳极 数字净高 12 厘米 和 高电压大电流驱动器 ULN2003 大型 LED 数码管的每段是由多个 LED 发光二极管串并 联而成的 因此导通电流大 导通压降高 如 BSl20 1 当每段的导通电流为 60mA 时 每段的导通压降约 10V 因此 大型 LED 数码管的驱动必须用大电流 高电压 驱动器 ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列电路 它具有 7 个独立的反相驱动器 每个驱动器的输出灌电流可达 500mA 导通时输出电压约 1V 截止时输出电压可达 50V ULN2003 的 1 至 7 脚为信号输入脚 依次对应的输出端为 16 至 10 脚 8 脚为 接地端 当驱动电源电压为 12V 时 若要求数码管每段导通电流为 40mA 则每段的 限流电阻为 50 若不需要显示小数点或固定显示某 位小数点时 可把该位 LED 的小数点引脚经限流电阻接地 则一块 ULN2003 恰好驱动 个 LED 数码管的 7 段 大数码管采用共阳极接法 低电平有效 锁存器输出的电平经 NPN 三极管 9014 反相 后 再由 ULN2003 放大后推动大数码管显示 走廊显示采用需要 12V 直流电源 所 以需要另外设计电源 只需要将主机电源的稳压芯片 7805 换为 7812 即可 其他电 路不变 输出的电压为 12V 即可满足要求 具体电路图见图 3 15 所示 济源职业技术学院毕业设计 23 图 3 15 走廊显示电路 济源职业技术学院毕业设计 24 4 系统软件设计 系统的设计分主程序和显示报警键盘等子程序设计 主程序设计中包括通信协 议和收发程序的设计 4 1 通信协议设计通信协议设计 为了保证通信成功 通信双方必须严格遵循通信协议的约定 由于 nRF401 的最 大数据传输率为 20kbps 为获得主机和呼叫器之间较大的通信速率 单片机的系统 时钟频率为 12MHz 时 我们将串口的波特率选定在 19 2kbps 为了节能 nRF401 平时大多数情况下应处于关闭状态 由于无线部分硬件上是 不具备自动唤醒功能的 为了达到节能的目的 必须通过软件方式采用合理的通信 协议以保证节能同时不丢失数据 平时分机处于休眠状态 当扫描到发射键按下时 呼叫器向主机发出地址信号 再进入接受状态等待回应 主机接收到地址信号后发回呼叫成功信号 分机接到成 功信号后表示成功的发光二极管点亮一下 然后分机进入休眠状态 由于主机使用 交流电源供电 可以不考虑能源的问题 为了避免数据丢失和增加系统的复杂程度 接受芯片不进入休眠状态 而直接在接收和发射状态间切换 4 2 系统总流程图系统总流程图 4 2 1 分机系统流程图设计分机系统流程图设计 分机在开机后首先初始化 然后就进入休眠状态以节省电能 单片机查询式扫 描发射键 如果没有按下则继续等待 如果扫描到发射键按下 系统便扫描拨码开 关的状态以确定地址码 然后将射频芯片置于发射状态并且开始地址码传送 地址 码传送完毕后再将射频芯片回到接收状态等待确认信息 确认信息收到后点亮确认 灯一秒 然后休眠状态等待 如此循环工作 其总流程如图 4 1 所示 济源职业技术学院毕业设计 25 图 4 1 分机流程图 4 2 2 主机系统流程图设计主机系统流程图设计 主机开机便进行初始化 然后进入数据接收状态等待 当接收到呼叫信号后 便进行存储 然后调用显示子程序进行循环显示 然后给呼叫器发送出回应信号 发送完毕后 射频芯片再次置于接受状态等待信息 其总流程图如图 4 2 图 4 2 主机流程图 N 开机 初始化 发射键按下 发射地址码 等待回应 收到确认信息 确认灯亮 nRF401 置休眠状态 结束 Y 开机 初始化 置发射状态 发射确认码 显示地址并报警 结束 置接收状态 收到地址码 N Y 济源职业技术学院毕业设计 26 4 2 3 提示音子程序设计提示音子程序设计 主机报警程序使用单片机输出 1KHz 和 500Hz 的音频信号驱动扬声器 作报警信 号 要求 1KHz 信号响 100ms 500Hz 信号响 200ms 交替进行 500Hz 信号周期为 2ms 信号电平为每 1ms 变反 1 次 1KHz 的信号周期为 1ms 信号电平均每 500us 变 反 1 次 流程图见图 4 3 图 4 3 报警子程序流程图 4 2 4 显示子程序设计显示子程序设计 P1 5 P1 6 和 P1 7 端口分别控制数码管的个位十位和百位的供电 当相应的 端口变成低电平时 驱动相应的三极管会导通 5V 通过驱动三极管给数码管相应 的位供电 这时只要所存器口送出数字的显示代码 数码管就能正常显示数字 因 为要显示几位不同的数字 所以必须用动态扫描的方法来实现 就是先个位显示 160us 再十位显示 160us 再百位显示 160us 不断循环 这样只要扫描时间小于 1 50 秒 就会因人眼的视觉残留效应 看到几位不同的数字稳定显示 这个系统的显示部分采用 LED 共阳极接法 采用动态显示 首先将显示的个十 百位分别存放 然后逐个取出进行显示 为了防止闪烁每位 LED 显示 160us 的时间 为了防止重影 当一位显示完毕后立刻将其关闭 然后进行下一位的显示 动态显 示流程图见图 计数完了吗 开始 FLAG 0 置 200 次 P2 0 输出取反 置 200 次 计数完了吗 P2 0 输出取反 延时 500us延时 1ms YY NN N Y 济源职业技术学院毕业设计 27 图 4 4 动态显示流程图 4 3 系统程序设计系统程序设计 由于分机采用电池供电 为了延长电池使用寿命 需要考虑节能和低功耗的设 计 nRF401 在休眠状态时电流消耗在微安级别 所以在不发射数据的时候可将芯片 置于休眠状态以节省电能 等到需要发送数据的时候在切换到发射模式 在分机发 送握手信号后 还要等待主机的回应 这也需要将芯片从发射状态切换至接受状态 这三种状态之间的切换靠以下方法来实现 当从 RX 切换到 TX 模式时 数据输入脚 DIN 必须保持为高至少 1ms 才能收发数 据 当从 TX 切换到 RX 时 数据输出脚 DOUT 要至少 3ms 以后有数据输出 从待机模式到接收模式 当 PWR UP 输入设成 1 时 经过 TSR 时间后 DOUT 脚 输出数据才有效 对 nRF401 来说 TST 最长的时间是 3ms 从待机模式到发射模式 所需稳定的最大时间是 TST 从加电到发射模式过程中 为了避免开机时产生干扰和辐射 在上电过程中 TXEN 的输入脚必须保持为低 以便于频率合成器进入稳定工作状态 当由上电进入 发射模式时 TXEN 必须保持 1ms 以后才可以往 DIN 发送数据 从上电到接收模式过程中 芯片将不会接收数据 DOUT 也不会有数据输出 直 到电压稳定