基于51单片机的无线病房呼叫系统设计

第0页基于51单片机的无线病床呼叫系统设计【摘要】:本文以STC89C51单片机为控制核心，加入无线接收和发射模块，声音报警和液晶显示等模块设计了一个无线病床呼叫系统，通过无线发射模块PT2262进行数据传送，用无线接收芯片PT2272接收传送过来的信号，再利用编码解码技术，经STC89C51处理后显示输出并发出警告,从而实现病人与医护的无线远距离沟通。该设计能够实现15米左右的发射和接收，也能绕过障碍物收发，具有占用空间小、使用材料少、传输速度快等优点，可以满足一定的临床应用要求。【关键词】：单片机STC89C51；无线传输模块；病床呼叫；远距离第1页Abstract:ThispapertakesSTC89C51singlechipasthecontrolcore,thewirelessreceivingandtransmittingmodule,voicealarmandliquidcrystaldisplaymoduleareaddedtodesignawirelesswardcallingsystem,anddatatransmissionthroughthewirelesstransmissionmodulePT2262,receivesthesignaltransmittedbythewirelessreceivingchipPT2272,andusetheencodinganddecodingtechnology,thentreatedbySTC89C51displayoutputandissuedawarning,soastorealizethelongdistancewirelesscommunicationpatientandmedicalcare.Thedesigncanachieve15metersoftransmittingandreceiving,canbypasstheobstaclestransceiver,occupieslittlespace,uselessmaterial,hastheadvantagesofhightransmissionspeed,canmeettherequirementofclinicalapplicationofcertain.Keywords:STC89C51wireless；transmitmodule；sickbedbeeper；remote-i-目录前言.2第一章理论分析及总体方案.3第1.1节设计要求和目标.3第1.2节设计可行性验证.3第1.3节设计方案及步骤.3第二章系统硬件设计.4第2.1节系统的原理框图.4第2.2节STC89C51单片机芯片介绍.4第2.3节硬件模块设计.7第三章系统软件设计.12第3.1节设计的软件环境.12第3.2节主函数程序设计.13第3.3节初始化程序设计.14第3.4节延时子程序设计.17第3.5节液晶显示子程序设计.17第四章系统测试与分析.19第4.1节无线模块测试.19第4.2节系统的调试.20结论.24参考文献.25致谢.26附录.27附录1：Protel原理图.27附录2:元器件清单.28附录3：实物图.29附录4：C语音源程序.30第1页前言随着科技的不断发展，医疗方面的技术不断提高，但是目前大多数医院的病床呼叫传输都是有线的，由于有线传输占用空间大，使用不方便，所以有必要对病床呼叫系统进行改变，而近年来我国对无线方面的研究有大的突破，很多应用都趋向于无线化，使得非常多的应用使用更加简单方便,未来更是无线传输的天下，所以在这里进行无线病房呼叫系统设计。本设计是由无线发射和接收模块、单片机控制模块、液晶显示模块、呼叫报警模块和复位应答等模块组成的基于51单片机的无线病床呼叫系统设计。本系统先是通过无线模块传送信号，然后单片机进行系统处理并发出警告，最终实现病房的无线信号远距离传输，节省了空间与消耗，优化医患交流，使无线技术真正应用到临床医学上。第2页第一章理论分析及总体方案第1.1节设计要求和目标设计要求：设计出一个距离在15米左右的，有抗干扰能力的，而且可以实现多路无线病床呼叫和多功能呼叫且互不干扰的稳定的无线病房呼叫系统。设计目标：当病人按下呼叫键时，无线接收器接收到无线发射器发射的无线信号，再经过51单片机控制处理，向医生值班室发出能在1602液晶上显示相应床位号的呼叫警报，当护士按键应答，呼叫报警停止，液晶显示已应答，警报由定时器控制关闭。当有多个病人同时呼叫但没有及时应答时，可以同时报警多个病房并显示对应各床床位号。第1.2节设计可行性验证现代无线技术的发展使得无线呼叫技术相对于有线呼叫突出了它的优越性，无线技术解决了有线呼叫因为受位置的限制不能很好的达到医患交流的问题，无线传输技术越来越成熟，有不受位置约束和可移动性的优点，所以给无线传输技术与医学临床的结合提供了可能性。在校大二大三期间也学习了与51单片机相关的科目，具有相关理论基础。再查阅网上的相关资料，可以发现本课题具有可行性。第1.3节设计方案及步骤对51单片机的无线病床呼叫系统，制定如下方案及步骤：第一，依照设计目的思考设计的原理图框架，学习设计中的相关知识，如无线收发模块的工作原理，单片机C语言编程设计，液晶1602的显示，51芯片各个引脚工作原理，Protel画图软件使用等。第二，设计硬件模块。如无线发射模块、无线接收模块、1602显示模块、声音呼叫模块。在Protel中绘制原理图并仿真。第三，设计系统软件。如主函数程序设计、初始程序设计、液晶显示子程序设计等。用keil软件编程执行。第四，制作实物。根据上面的硬件设计选择相关元器件和模块，先布线再焊接电路板，最后检测能否实现相关功能。第3页第4页第二章系统硬件设计第2.1节系统的原理框图按照无线病床呼叫系统的设计要求画出系统原理框图，如图2-1所示。第2.2节STC89C51单片机芯片介绍STC89C51是单片微型计算机的一个特殊系列，是一种应用广泛的单片机。它由一个8位CPU,一个片内振荡器和时钟电路，五个中断源、两个优先级嵌套中断结构，两个16位定时器，一个全双工串行口，4个8位并行I/O端口等组成。它是一种低功耗、高性能的微控制器，具有掉电保护功能。EA/VP31X119X218RESET9P37/RD17P36WR16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30P31/TXD11P30/RXD10GND20VCC40U1STC89C52图2-2STC89C51单片机引脚图发射模块接收模块单片机液晶显示应答按键声音报警图2-1系统原理框图第5页（一）STC89C51单片机的引脚说明：VCC：供电电压GND：接地P0口：P0口是一个8位双向I/O口，当管脚输入1时，定义为高阻输入。P1口：P1口和P0一样是一个8位双向I/O口，当P1口输入1后，被内部上拉为高，用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，电流输出。P2口：P2口为一个8位双向I/O口，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。当作为输入时，外部拉低P2口管脚，电流作为输出。P3口：P3口是一个双向I/O口，当P3口写入“1”后，内部上拉为高电平，并用作输入。P3.0RXD：串行输入口P3.1TXD：串行输出口P3.2/INT0：外部中断0P3.3/INT1：外部中断1P3.4T0：记时器0外部输入P3.5T1：记时器1外部输入P3.6/WR：外部数据存储器写选通信号P3.7/RD：外部数据存储器读选通信号P3口同时为闪烁编程和编程校验接收控制信号。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：锁存PSEN：外部程序存储器的选通信号。EA/VPP：输入信号，访问外部程序存储器控制信号。当EA接地时，从外部程序存储器取指令。当EA接高电平时，先访问内部程序存储器。XTAL1：内部晶振电路反相断输入。XTAL2：内部晶振电路反相断输出。（二）STC89C51单片机最小系统：最小系统包括单片机和电源、时钟电路、复位电路等部件，维持单片机的正常运行。STC89C51单片机片内有ROM/EPROM，因而，这种芯片构成的最小系统具有简单稳定的特点。用STC89C51单片机构成的最小系统是以单片机为中心加上两个电路组成的，第6页其结构如图2-3所示。图2-3单片机最小系统原理框图(1)时钟电路STC89C51单片机的时钟电路有两种方式：一是内部振荡，二是外部振荡。单片机的所有指令都在时钟控制下按时序进行操作。这里介绍单片机的内部振荡电路，如图2-4所示，单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚分别作为输入和输出外接晶振，内部振荡器就能产生自激振并发出时钟脉冲信号。图中电容的作用是稳定频率和快速起振，电容值在530pF间，典型值为30pF。晶振振荡频率范围是1.212MHz，典型值为12MHz和6MHz。图2-4STC89C51内部时钟电路(2)复位电路当在STC89C51单片机的RST引脚引入至少保持2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位。单片机复位完成后，内部寄存器恢复到初始状态。只要RST引脚保持高电平，单片机就循环复位。复位电路有上电自动复位和手动按钮复位两种基本形式。上电自动复位要求接通电源后自动复位，比较简单的是通过外部复位电路的电容充放电来自动复位。按键手动复位要求在电源接通情况下用按钮开关使单片机复位。本设计就是采用的按键手动复位方式。按键手动复位也有电平复位方式和脉冲复位方式两种。其中的电平复位是通过RST(9)端与电源Vcc相接从而实现的。按键手动复位电路见图2-5。时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF,R取10k。时钟电路复位电路STC89C51单片机I/O口Y111.0592MHzC230pFC330pF1819第7页图2-5STC89C51复位电路第2.3节硬件模块设计由图2-1系统原理框图可知，整个系统分为五个模块：无线发射模块、无线接收模块、声音报警模块、液晶显示模块、按键应答模块。下面介绍各个模块的设计方案。2.3.1无线发射模块PT2262是一种低功耗低价位简洁通用的编码电路，PT2262最多可有12位三态地址端管脚,管脚说明如表2-1所示，PT2262最多可有6位数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，PT2262的载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身。如下表2-2是T10A发射模块。表2-1PT2262管脚说明名称管脚说明A0-A111-8,10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”、“1”、“悬空”。D0-D57-8,10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉。VCC18电源正端（）GND9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；OSC215振荡电阻振荡器输出端；DOUT17编码输出端（正常时为低电平）表2-2T10A发射模块技术指标参数工作电压3V-12V工作电流25mA(12V)；2mA(3V)谐振方式声表谐振（SAW）调制方式AM/ASK/OOK工作频率315MHz、433.92MHz可选频率误差150kHz(max)发射功率25mW(315MHz,12V时)R110kC110uFS4VCC9第8页如下图2-6所示为无线发射模块图，S1-S4四个按键分别代表不同的病床号，也可以用作同一病床的四个不同功能，按下表示病人呼叫。发射模块为了减少重复的机会，加入了密码保证功能，最多可以编6个数据码和6561个地址码。A01A12A23A34A45A56A67A78GND9D310D211D112D013TE14OSC115OSC216DOUT17VCC18U2PT2262R34.7M4*10kS1S2S3S4D1D2D3D4VCCVCCGNDDATAANT图2-6无线发射模块图2.3.2无线接收模块无线接收模块包括接收头和解码芯片PT2272两部分。PT2272对接收头接收并输入PT2272的14引脚（DIN）的信号解码。无线接收模块如图2-7所示。图2-7无线接收模块图解码芯片PT2272接收到由编码芯片发出的包含地址码、数据码、同步码的一个完整的码字信号后，两次比较核对其地址码后，VT脚输出高电平，同时相应的数据脚也输出高电平。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。PT2262的17脚输出的数字信号决定了高频发射电路，并对高频电路完成调制度为100的调幅。当PT2262的电源不接通时,高频发射电路不工作，17脚为低电平，这是由于发射端按键未按下；同样，要想PT2262工作并从17脚输出调制后的串行数据信号，PT2262必须得电，此时需要按下按钮。当17脚为低电平A01A12A23A34A45A56A67A78GND9D310D211D112D013TE14OSC115OSC216VT17VCC18U3PT2272VCCR1780kVCCRXDGND器器器器器器VCCP20P21P22P23第9页时315MHz的高频发射电路停止振荡，当17脚为高电平时高频发射电路起振并发射等幅高频信号。PT2272管脚说明如下表2-3所示。表2-3PT2272管脚说明名称管脚说明A0-A111-8,10-13地址管脚,用于地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空),但必须与2262一致,否则不解码D0-D57-8,10-13地址或数据管脚,当用作数据管脚时,只有地址码与2262一致,数据管脚才能输出对应的高电平,否则输出低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换VCC18电源正端（）GND9电源负端（）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端；OSC215振荡电阻振荡器输出端；VT17解码有效确认输出端（常低）变成高电平（瞬态）2.3.3液晶显示模块本次设计采用1602液晶显示模块，本模块具有显示质量高，数字式接口，体积小、重量轻，功耗低等有点，电路图如2-8所示。VS1D2L3R4/W5E6078BAKCQ.P图2-81602液晶原理图1602LCD的基本参数及引脚功能：1602LCD有带背光和不带背光两种，基控制器一般是HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中没有差距。1602LCD主要技术参数：显示容量:162个字符第10页芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm1602LCD采用标准的14脚或16脚（带背光）接口，引脚接口说明如表2-4所示:表2-4引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最低，接地时对比度最高，对比度过高会显示不清楚。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时为指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时读操作，低电平时写操作。第6脚：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。第714脚：D0D7为8位双向数据线。本次试验采用无背光1602LCD，所以无15和16管脚。2.3.4声音报警模块本设计有声音报警模块，当有病人呼叫时，蜂鸣器就会呼叫提示，直到护士按下应答，才会停止呼叫，控制引脚接在P3.4引脚上，三极管可以当做开关电路保护单片机，还可以放大电流，当三极管基极为高电平时，发射极截止；为低电平时，发射极导通。Q18550器器器VCCR41kP34第11页为了防止病人误按，长按1秒才会报警。报警模块如图2-9所示。图2-9声音报警模块2.3.5应答电路在这个设计中四个床位使用一个应答按钮，接在P3.3引脚上，当有病人按下按钮时，报警开始，当按下应答按钮时，即可停止报警，声音模块图如下图2-10所示：图2-10应答模块S1VCCR510kP33第12页第三章系统软件设计第3.1节设计的软件环境3.1.1KeilKeilC51是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言，支持8051微控制器体系结构的Keil开发工具软件，由于C语言易学易用，所以该软件优势明显，应用广泛。KeilC51软件的优点有：提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，目标代码生成效率高，语句生成的汇编代码紧凑，理解起来很方便。KeilC51软件界面如下图3-1：图3-1软件截图3.1.2Protel99SEProtel99SE是PORTEL公司发明的一种人机界面友好，易学易用的EDA软件。Protel99SE是应用于Windows操作系统下的EDA设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。Protel99SE的工作界面是一种简洁方便的Windows界面，包括：标题栏、标准工具栏、主菜单、绘图工具栏、对象选择按钮、图形编辑窗口、预览对象方位控制按钮、状态栏、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口等。Protel99SE软件如下图3-2。第13页图3-2软件图运行Protel99SE程序后，进入软件的主界面。通过左侧工具栏中的Browse(从库中选择元件命令)命令。首先添加需要的元器件库，再在相应的库里找到需要的元器件，如图所示的电阻查找输入：res，其它元器件类似，将所需元器件添加完后双击元器件修改参数，最后连线保证线路通畅，最后连线图如图3-3。图3-3连线图第3.2节主函数程序设计一个完整的程序中只有一个main函数，首先调用初始化函数进行初始化，然后判断并调用显示子程序使液晶1602显示、蜂鸣器鸣响报警。程序流程如下图3-4所示。第14页图3-4主程序流程图第3.3节初始化程序设计初始化程序有液晶初始化显示和定时器中断系统初始化两个方面。（一）、液晶初始化在液晶使用之前，要对其设置显示模式和光标，然后进行清屏，方便下次使用。（二）、定时器中断系统初始化STC89C51有两个具有定时和计数两种工作模式的定时/计数器，它有四种工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3）。特殊功能寄存器TMOD用于选择定时器/计数器的工判断是否有床位报警调用初始化子程序报警器打开，液晶显示对应床位号液晶显示欢迎语是否判断应答按键是否按下是否关闭报警器液晶显示知道结束STC89C51第15页作模式和工作方式。无论是工作在定时器模式还是计数器模式，它们的实质都是对脉冲信号进行计数。1、下面介绍一下单片机的时钟周期、机器周期和指令周期。(1)时钟周期是单片机时钟控制信号的基本时间单位。如果时钟晶体的震荡频率为f0sc,那么时钟周期为TOSC=1/fOSC。(2)CPU完成一个基本操作所需要的时间是机器周期。AT89C51单片机的每12个时钟周期为一个机器周期，为TCY=12/fOSC。(3)指令周期是指执行一条指令所需的时间。在这个设计中，时钟晶体的频率为11.0592MHZ，所以时钟周期为1/12M。T0作为定时器使用，工作方式为方式1，作为16位计数器。设计数个数为N，计数初值为X，那么X等于216-N，定时时间为N12/晶振频率，那么定时时间为（216-X）12/晶振频率。该设计设置每隔50ms中断一次，得出初值X=0x4BFF，定时器T0的高8位TH0赋值0x4B，低8位TL0赋值0xFF。2、定时器/计数器控制寄存器TCON，可位寻址。其格式见表3-1。表3-1特殊寄存器TCON的格式D7D6D5D4D3D2D1D0TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0位地址8FH_8DH_8BH8AH89H88HTR0：定时器启动位。TR0=0，关闭定时器0；TR0=1，开启定时器0.IT0：选择外部中断0为跳沿触发方式还是电平触发方式。IT0=0，为电平触发方式；IT0=1，为跳沿触发方式。3、工作方式控制寄存器TMOD，不能位寻址。(1)GATE：门控位。(2)M0、M1:工作方式选择位。(3)C/T：计数器和定时器模式选择位。C/T=0，为定时器模式；C/T=1为计数器模式。M0、M1共有4种编码，对应于4种工作方式的选择，见表3-2。第16页表3-2M1、M0工作方式选择M1M0工作方式00方式0，为13位定时器/计数器01方式1，为16位定时器/计数器10方式2，8位的常数自动重装的定时器/计数器11方式3，仅用于T0，此时T0分为两个8位计数器，T1停止计数定时器的工作方式设置好以后就要给定时器装入初值，工作方式不同初值也不同，所以要根据不同方式定义初值。4、单片机对各中断源的开放或屏蔽是由片内的中断允许寄存器IE控制的，可位寻址。其格式见表3-3。表3-3中断允许寄存器IE的格式D7D6D5D4D3D2D1D0IEEA_ESET1EX1ET0EX0位地址AFH_ACHANHAAHA9HA8H（1）EA：中断允许总开关控制位。EA=0，屏蔽所有的中断；EA=1，开放所有的中断请求。（2）ES：串行口中断允许位。当ES=0时，禁止串行口中断；当ES=1，允许串行口中断。（3）ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。ETO=0，禁止中断；ETO=1，允许中断。（4）EX0：外部中断0中断允许位。EX=0，禁止中断0中断；ES=1，允许外部中断0中断。STC89C51复位后，IE被清零，所有的中断请求被禁止。初始化时，使EA=1,EX0=1，ET0=1，开放总中断、允许T0中断。（5）初始化程序如下：第17页voidinit()bg_1602=0;TMOD=0x01;TL0=0x4b;TH0=0xff;EA=1;ET0=1;TR0=1;E=0;com_1602(0x38);com_1602(0x0c);com_1602(0x06);com_1602(0x80);com_1602(0x01);第3.4节延时子程序设计延时子程序为了方便其他程序调用，避免程序重复。将延时子程序设置为有参函数，延时1ms，程序如下：voiddelay(uix)uii,j;for(i=0;i/头文件#defineucunsignedchar#defineuiunsignedintsbitRS=P14;sbitRW=P15;sbitE=P16;/1602引脚定义sbitD0=P13;sbitD1=P12;sbitD2=P11;sbitD3=P10;/接受引脚sbitbg_1602=P26;/1602背光sbitkey=P33;/应答按键sbitBeep=P34;/蜂鸣器uccodetab0=123456789#;uccodetab1=Calling!;uccodetab2=IKnow!;uccodetab3=HappyEveryDay!;ucnum_D0=0,num_D1=0,num_D2=0,num_D3=0;/床号bitbdatafu_D0=0,fu_D1=0,fu_D2=0,fu_D3=0,flag;/初始床号voiddelay(uix)/延时函数uii,j;for(i=0;ix;i+)for(j=0;j121;j+);voidinit()/初始化函数bg_1602=0;/开启背光TMOD=0x01;TH0=0x4b;TL0=0xff;EA=1;ET0=1;TR0=1;D0=0;D1=0;D2=0;D3=0;/清零床号引脚/*LCD1602*/第31页voidcom_1602(uccom)/写命令RS=0;P0=com;delay(1);E=1;delay(1);E=0;RS=1;voiddata_1602(ucdate)/写数据RS=1;P0=date;delay(1);E=1;delay(1);E=0;RS=0;voiddis_1602(ucword_num,uchang,uclie,uctab_num,ucnum)/*word_num:显示字符个数，hang,lie:显示坐标，*tab_num：显示数组号，num：从第几字符开始显示*/ucn;for(n=0;nword_num;n+)com_1602(0x80+hang*0x40+lie);if(tab_num=0)data_1602(tab0num+n);elseif(tab_num=1)data_1602(tab1num+n);elseif(tab_num=2)data_1602(tab2num+n);elseif(tab_num=3)data_1602(tab3num+n);delay(5);lie+;voidinit_1602()/初始化1602RW=0;/写命令第32页com_1602(0x38);/设置1602com_1602(0x0c);/设置显示，光标不闪烁com_1602(0x06);/不移动，指针加1com_1602(0x01);/清屏voidknow()/应答函数if(D0!=fu_D0)num_D0=1;if(D1!=fu_D1)num_D1=2;if(D2!=fu_D2)num_D2=3;if(D3!=fu_D3)num_D3=4;/数据脚状态改变，将床号赋给变量if(key=0)/