医用远程自动输液监控系统设计报告

1、 医用远程自动输液监控系统设计报告1 绪论1 本项目的提出及研究意义当人前进的脚步迈入电子领域的那一刻，就预示着一个新时代的来临，预示着人类将逐渐脱离全手工的劳动方式，预示着全球智能化的发展方向和趋势。 目前，国内外均开始关注“以人为本”这种思想，越来越多的商品也秉承这一制造和销售理念，人类的生活在科技的飞速发展中得到不断的改善，从国外的智能化房屋，到国内逐渐兴起的智能化小区，我们生活水平正在悄然的与“智能化”这个名词与日具进，以往大多被用于工业生产的智能系统也逐渐以崭新的面貌走到我们身边，越来越丰富的智能化用品出现在世面上，人们对“生活智能化”的关注告诉我们，下一个时代，将是一个智能产业飞速

2、发展，多元应用，空前繁盛的时代。 或许，你有过这样的认识，在医院中，输液是大多数病症需要的治疗方式，而因输液带来的问题也是经常出现的，这也影响到了病人的身体健康。由于医院中护士的工作繁忙,再加之疲劳，就可能不能很好的监护病人的输液情况，这就需要病人自己或其家人随时都要注意输液情况，这样一来，就使得病人以及病人家人为此而不能很好的休息，其家人也得要耽误大量的时间来监护病人。然而，即使在有人护理的情况下，病人与护理人员在长时间的等待之中也极易疲劳，也极易发生药物输完后空气进入体内的危险情况，这样即不方便，对病人的身体也是非常不利的。鉴于这个问题，有人肯定回产生疑问：“能否发明一种可以自动监测药物剩

3、余量并及时通知护士更换药物的装置呢”？通过这样的启发，我们小组的同学积极的思考，发现解决此问题的关键在于：1）如何正确的监测药物剩余量。2）使用何种方式提示护士应该换药。3）如何实现多人监测。4）用那种方式传送信号更加稳定，更加可靠。 结合我们所学的专业知识，我们联想到无线电波是由发射点向四面八方传播，可以穿过阻挡物，而且可以传播到很远的距离，因此它的控制可以在很大区域和空间内实现，而且易于实现多路信号控制。为此，我们在前人研究的基础上探索出了一种可编程无线电遥控多通道开关系统的设计方法。实验表明，采用该方法设计的遥控开关系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。而药物

4、监测端我们考虑到药物所受的重力是一个便于检测的物理量，也能很容易的转变为电信号传送，于是，我们决定本系统的前端数据采集器以弹簧作为模拟传感器，测出输液过程中的初值与终值的。将弹簧作为重力信号的传感装置，只要弹簧的拉伸程度达到了我们所设定的值时，两个触点就会接触，将发射电路接通，使其发送数据。再将执行换药提示的电信号传送给系统的中心控制芯片-单片机，经过单片机处理后，计算出需要换药的具体某一个病人的编码，从而准确的告知接受终端，为了更人性化的考虑，我们采用语音报床位和数码管提示，让结果一目了然，便于护士做出下一步行动，避免因繁忙和人为因素引起的错误。2 系统总体设计方案2.1 系统组成框图输液无

5、线自动监控系统（简称输液监控系统）的总体设计方案图（见图2.1），首先由前端数据采集器得到信号后，传送给无线发射模块PT2262，再由PT2262传送给接收模块PT2272。单片机与PT2272相连，则传来的信号则由单片机处理并驱动语音芯片报出床位号。前端数据采集器数据发送端PT2262报警无线接收无线发送数据接收端PT2272单 片 机语音报警ISD2560图2.1 系统组成方框图系统简述1 前端数据采集器我们根据弹簧长度与自身受到的拉力在一定范围内成正比的原理，以弹簧作为前端数据采集的模拟传感器，测出输液过程中的弹簧长度的初值与终值。将药物重力差信号转换为弹簧长度差信号，弹簧所受的拉力在药

6、物逐渐减少的过程中也相应减小，从而弹簧的长度也随之变短，当弹簧的拉伸程度减小到了我们所设定的值时，信号发射触点就会接触，将发射电路接通，使其发送数据。拉力弹簧：图2.2 弹簧示意图 弹簧常数：以k表示，当弹簧被压缩时，每增加1mm距离的负荷(kgf/mm)；弹簧常数公式（单位：kgf/mm）：k=(Gd4)/(8Dm5Nc) G=线材的钢性模数：琴钢丝G=8000不锈钢丝G=7300磷青铜线G=4500黄铜线G=3500d=线径Do=OD=外径Di=ID=内径Dm=MD=中径=Do-dN=总圈数Nc=有效圈数=N-2 拉力弹簧的初张力：初张力等于适足拉开互相紧贴的弹簧并圈所需的力，初张力在弹簧

7、卷制成形后发生。拉力弹簧在制作时，因钢丝材质、线径、弹簧指数、静电、润滑油脂、热处理、电镀等不同，使得每个拉力弹簧初始拉力产生不平均的现象。所以安装各规格的拉力弹簧时，应预拉至各并圈之间稍为分开一些间距所需的力称为初张力：初张力=P-（kF1）=最大负荷-（弹簧常数拉伸长度） 拉力大小的计算： 1）对于弹簧所产生的弹力大小，可以应用胡克定律来计算它的大小，即在弹性限度内，弹簧的弹力的大小跟弹簧长度的改变量x成正比，有F=kx。其中公式中的k为弹簧的劲度系数，它描述了弹簧本身的一种属性（软硬程度），它与弹簧的材料、长短和粗细有关。在数值上等于弹簧被压缩或伸长1米时弹簧所产生的弹力。2）对于弹簧之

8、外的一般弹力，应根据物体的运动状态，可利用平衡条件或牛顿运动定律来计算拉力的大小。3）线与物接触：拉力方向沿线拉伸方向。2 病房报警信号发送终端病房报警终端是连接在前端数据采集器上的无线数据发送装置，其数据输入口分别连接在前端数据采集起的两个触点上，这样就会向PT2262其中的设定好的数据口发送一个高电平，那么同时PT2262就会发送出编码，被调制在频率为315MHz的载波上发送到PT2272去。3 护士室监控终端根据比较成熟的国内外语音电路情况，选取ISD2560，并根据ISD2560的内部结构接适当外部参数元件，ISD2560的时序和MCS51系列单片机兼容，其输入输出口可直接接单片机（A

9、T89C51）的I/O口，并辅有模数两套控制，我们采用模数分开走线综合控制方针，这一方针通过试验可行并稳定。为了配合PT2272的编码，并实现人性化的界面要求，采用3-8译码器译出去数据并通过发光二极管显示床位，达到提醒护士的目的，由PT2272的数据输出引脚直接连接3-8译码器（74LS138）的数据输入端，并提供74LS138的工作电压，74LS138的输出可驱动发光二极管，输出可直接接发光二极管，由它来表示床位号。3 监控系统硬件电路设计3.1 硬件电路的总体分布图3.1.1 硬件电路模块分布图本系统的硬件电路（见图3.1）主要由5大部分构成：PT2262信号发射电路，PT2272信号接

10、收，单片机，ISD2560语音电路以及发光二极管显示电路。PT2262 信号发射电路PT2272 信号接收电路单片机ISD2560 语音电路发光二极管显示电路图3.1 硬件电路分布图3.1.2 主要器件的选取信号发射电路：PT2262，拨码开关，SP数据发射模块信号接收电路：PT2272，拨码开关，SP接收模块，天线主芯片电路：89C51ISD2560语音电路：ISD2560，LM386发光二极管显示电路：74LS138，发光二极管3.2 前端数据采集器的设计触片1触片2输液瓶弹簧3.2.1 前端数据采集器设计图图3.2 前端数据采集器设计图3.2.2 工作原理前端数据采集器（见图3.2）的工

11、作原理是在弹簧的拉伸中，其长度会发生变化，可以测出输液瓶装满液体和液体流完后的空瓶子之间的重量差，这样弹簧发生的形变而产生的距离差就可以形成一个模拟开关，只要其距离差为0，则无线信号发射电路会自动接通，发出报警信号。3.3无线通信硬件电路各模块设计3.3.1 PT2262/2272编译码原理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

12、遥控发射电路。 首先介绍的是编码芯片PT2262：它发出的编码信号由：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

13、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。PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片。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。图3.3 PT2262引脚图图3.4 PT2262内部原理框图表3.1 PT2262管脚说明表名称管脚说 明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”，“1”，“f”（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（）Vss9电源负端（）TE

14、14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3.2 PT2262极限参数（Ta=25oC）表参数符号参数范围单位电源电压Vcc215.0V输入电压Vi-0.3Vcc+0.3V输出电压Vo-0.3Vcc+0.3V最大功耗（Vcc=12V）Pa300mW工作温度Topr-20+70oC贮存温度Tstg-40+125oC参数符号测试条件最小值典型值最大值单位电源电压Vcc212V电源电流IccVcc=12V 振荡器停振A0A11开路0.020.3ADout输出驱动电

15、流IOHVcc=5V,VOH=3V-3mAVcc=8V,VOH=4V-6mAVcc=12V,VOH=6V-10mADout输出陷电流IOLVcc=5V,VOL=3V2mAVcc=8V,VOL=4V5mAVcc=12V,VOL=6V9mA表3.3 PT2262电气参数（除非特殊说明Tamb=25oC VDD=12.0V）表 下面介绍的是无线接收解码芯片PT2272：解码电路采用编解码芯片组PT2262/2272中的解码芯片PT2272。该芯片内部有地址解码、振荡和系统定时、数据检测、同步检测、控制逻辑、译码逻辑电路。PT2272的A0A7端是芯片的地址码设置端口，地址码就好比是一张身份识别的证书

16、，只有接收端的地址码和发射端的地址码设置完全相同，输出端才有输出信号。如果所接收到的信号地址码与本机地址编码相同，D0D3输出与无线电发射系统所发射的相对应的开关信息给单片机电路，由单片机控制相应的开关电路动作。否则，解码芯片不解码，单片机电路不响应，开关电路保持原有的工作状态不变。图3.5 PT2272引脚图表3.4 PT2272管脚说明表名称管脚说 明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”，“1”，“f”（悬空），必须与2262一致,否则不解码D0-D57-8、10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262

17、数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换Vcc18电源正端（）Vss9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，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端VT17解码有效确认输出端（常低），解码有效变成高电平（瞬态）参数符号测试条件最小值典型值最大值单位电源电压Vcc215V电源电流IccVcc=12V 振荡器停振A0A11开路0.020.3ADout输出驱动电流IOHVcc=5V,VOH=3V-3mAVcc=8V,VOH=4V-6mAVcc=10V,VOH=6V-10mADout输出陷电流IOLVc

18、c=5V,VOL=3V2mAVcc=8V,VOL=4V5mAVcc=10V,VOL=6V9mA输出高电平VIH0.7VccVccV输出低电平VIL00.3VccV表3.5 PT2272电气参数（除非特殊说明Tamb=25oC VDD=12.0V）表表3.6 PT2272极限参数（Ta=25oC）表参数符号参数范围单位电源电压Vcc-0.315V输入电压Vi-0.3Vcc+0.3V输出电压Vo-0.3Vcc+0.3V最大功耗（Vcc=10V）Pa300mW工作温度Topr-20+70oC贮存温度Tstg-40+125oC PT2262/PT2272工作原理：PT2262-IR发射芯片地址编码输入

19、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，通过发射天线发射出去。由图3.7的发射应用电路可以看出，在PT2262编码之后，要进行发射是必须要通过一个发射天线来进行的。同样的，在PT2272接收时，也是要通过一个接收天线来接收的。发射与接收天线在后两节中分别进行了介绍。图3.7 发射应用电路3.3.2 PT2262发射电路图3.8 PT2262发射电路图图3.8是PT2262构成4路发射电路，图中PT2262-IR的VCC是通过按键接通后向芯片供电，这样静态时，PT2262-IR并不耗电，特别适合是电池供电的

20、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）；如果使用5V以上的电源电压，二极管可选用的型号（如1N4148等）。那么，在我们这个系统的电路中，则是使用了1N4148这种二极管，经过我们的测试，本系统的发射电路的电压设计为9V，超过了5V，则必须使用1N4148。图3.9 脉宽比较表地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。图3.10 码字波形图上面是我们从超再生接收模块信号输出脚上截获的一段波形，可以明显看到，图上半部分是一组一组的字码，每组字码之间有同步码隔开

21、，所以我们如果用单片机软件解码时，程序只要判断出同步码，然后对后面的字码进行脉冲宽度识别即可。图下部分是放大的一组字码：一个字码由12位AD码（地址码加数据码，比如8位地址码加4位数据码）组成，每个AD位用两个脉冲来代表：两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。2262每次发射时至少发射4组字码，2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃处理。无线数据传输广泛地运用在车辆

22、监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。在上一节中说到PT2262编码后需通过发射天线进行发射，下面就是对发射天线模块的详细介绍：图3.11 发射模块实物图这是数据发射模块的电路图（见图3.12）：图3.12 数据发射模块电路图SP发射模块主要技术指标：通讯方式：调幅AM工作频率：315MHZ/433MHZ频率稳定度：75KHZ发射功率：500MW静态电

23、流：0.1UA发射电流：350MA工作电压：DC 312V SP数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。SP发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。比如用PT2262或者SM526

24、2等编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端第17脚接至DF数据模块的输入端即可。SP数据模块具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约2050米，发射功率较小，当电压5V时约100200米，当电压9V时约300500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60mA，空旷地传输距离700800米，发射功率约500mW。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。天线最好

25、选用25厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时受很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少，这点需要开发时注意。SP数据模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与DF发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则DF发射模块将不能正常工作。数据电平应接近DF数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。SP发射发射模块最好能垂直安装在主板的边缘，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响。SP模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。一般在开阔区最大

26、发射距离约800米，在有障碍的情况下，距离会缩短，由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。3.3.3 PT2272接收电路图3.13 无线接收电路在图3.13的电路中，我们使用单片机作为主芯片，在PT2272收到信号的同时，由17脚发出的高电平送给单片机的P2.7口，这时单片机就对PT2262发送来的数据进行处理。我们考虑到非锁存型小于L4锁存型的遥控距离，有时只有锁存型的一半甚至还不到，并且出现信号接收不稳定的现象，因为在非锁存状态下，遥控信号需要每秒同步30次左右，当单片机对其产生干扰或有其它突发信号干扰时，设备本身通电后产生的干扰

27、会使遥控信号中断，从而使系统工作在一种跳跃的不稳定状态。所以在此电路中我们使用了锁存型的PT2272（L4），在接收到信号的同时数据有一段时间的保留。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。PT2272的接收也同样需要接收天线模块来帮助完成：图3.14 无线接收模块实物图这是数据接收模块的电路图（见图3.15）：图3.15 数据接收模块电路图SP接收模块主要技术指标：通讯方式：调幅AM工作频率：315MHZ/433MHZ频率稳定度：200KHZ接收灵敏度：106DBM静态电流：5MA工作电流：5MA工作电压：DC 5V 输出方式：TTL电平SP接

28、收模块的工作电压为5伏，静态电流4mA，它为超再生接收电路，接收灵敏度为105dbm，接收天线最好为2530厘米的导线，最好能竖立起来。接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。 这种接收模块电路的优点在于：1）天线输入端有选频电路，而不依赖1/4波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线。2）输出端的波形在没有信号时比较干净，干扰信号为短暂的针状脉冲，而不像其它超再生接收电路会产生密集的噪声波形，所以抗干扰能力较强。3）SP模块自身辐射极

29、小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。4）采用带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。5）另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量

30、，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化。SP无线数传模块开发注意事项：SP模块必须用信号调制才能正常工作，与PT2262/2272配合使用，只要直接连接即可非常简单，因为是专用编码芯片，所以效果很好传输距离很远。模块输出脚在模块内部通过一个上拉39K电阻到+5V，使用的时候需要考虑解码器件的输入阻抗。SP模块还有一种重要的用途就是配合单片机来实现数据通讯，这时有一定的技巧：1）合理的通讯速率SP数据模块的最大传输数据速率为9.6KBs，一般控制在2.5K左右，过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码

31、率，甚至根本无法工作。2）合理的信息码格式单片机和SP模块工作时，通常自己定义传输协议，不论用何种调制方式，所要传递的信息码格式都很重要，它将直接影响到数据的可靠收发。码组格式推荐方案：前导码同步码数据帧前导码长度应大于是10ms，以避开背景噪声，因为接收模块接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起接收到的数据错误。所以采用CPU编译码可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰。同步码主要用于区别于前导码及数据。有一定的特征，好让软件能够通过一定的算法鉴别出同步码，同时对接收数据做好准备。数据帧不宜采用非归零码，更不能长0和长1。采用曼彻斯特编码或POCSAG码等，如下面的数据格式有

32、一定检错功能（见图3.16）：图3.16 码元参考格式3）单片机对接收模块的干扰单片机模拟2262时一般都很正常，然而单片机模拟2272解码时通常会发现遥控距离缩短很多，这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰， 51系列单片机工作的时候，会产生比较强的电磁辐射，频率范围在9MHZ-900MHZ，因此它会影响任何此频率内的无线接收设备的灵敏度，解决的方法是尽量降低CPU 晶体的频率。测试表明：在1M晶体的辐射强度，只有12M晶体的1/3，因此，如果把晶体频率选择在500K以下，可以有效降低CPU的辐射干扰。另外一个比较好的方法是：将接收模块通过一个3芯屏蔽电缆（地，+5V，DATA

33、，屏蔽线的地线悬空）将模块引出到离开单片机2米以外，则不管51CPU使用那个频率的晶体，这种干扰就会基本消除。对于PIC单片机，则没有上述辐射干扰。还可以改用频点较高的接收频率，如433MHz就可增加遥控距离，或者需要采用一些抗干扰措施来减小干扰。比如单片机和遥控接收电路分别用两个5伏电源供电，将DF接收板单独用一个78L05供电，单片机的时钟区远离DF接收模块，降低单片机的工作频率，中间加入屏蔽等。 接收模块和51系列单片机接口时最好做一个隔离电路，能较好地遏制单片机对接收模块的电磁干扰。图3.17 接收模块和单片机的接口图SP接收模块工作时一般输出的是高电平脉冲，不是直流电平，所以不能用万

34、用表测试，调试时可用一个发光二极管串接一个3K的电阻来监测SP模块的输出状态。 SP无线数据模块和PT2262/PT2272等专用编解码芯片使用时，连接很简单只要直接连接即可，传输距离比较理想，一般能达到800米以上，如果和单片机或者微机配合使用时，会受到单片机或者微机的时钟干扰，造成传输距离明显下降，一般实用距离在200米以内。解码电路采用编解码芯片组PT2262/2272中的解码芯片PT2272。该芯片内部有地址解码、振荡和系统定时、数据检测、同步检测、控制逻辑、译码逻辑电路。PT2272的A0A7端是芯片的地址码设置端口，地址码就好比是一张身份识别的证书，只有接收端的地址码和发射端的地址

35、码设置完全相同，输出端才有输出信号。解码芯片PT2272将数据输入端接收到的信号，经内部电路解码辨识确认，如果所接收到的信号地址码与本机地址编码相同，D0D3输出与无线电发射系统所发射的相对应的开关信息给单片机电路，由单片机控制相应的开关电路动作。否则，解码芯片不解码，单片机电路不响应，开关电路保持原有的工作状态不变。3.4单片机主控制电路 主要元器件介绍单片机主控电路的主要元件是AT89C51，其外型见图3.18：图3.18 单片机引脚图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

36、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，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。 管脚说明：P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可

37、吸收8TTL门流。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

38、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

39、缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，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。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。/EA/VPP：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。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。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。VCC：供电电压。GND：接

40、地。 硬件电路设计（见图3.19）：我们利用单片机作为整个输液报警系统的主控制芯片，它控制了PT2272的接收与语音芯片ISD2560的人声报警。单片机的P1口与PT2272的地址口相连，控制了接收芯片的地址，P0口的低四位与PT2272的四位数据口相连，另外PT2272的17脚接在了P1.7口上，只要PT2272有信号收到，单片机就会立刻根据收到的数据作出判断是哪个床位在报警。同时，单片机的P2口则与ISD2560的A2A9口连接，控制语音芯片的地址，当单片机对无线接收信号作出判断时，就会给出语音芯片的地址信号，将和床位信号相对应的声音报出，同时由单片机的P0.0P0.3输出相应的高低电平去

41、驱动二极管点亮。哪一个二极管被点亮，就说明那一个床位的药已经到达了我们设定的临界值。图3.19 单片机主控电路3.5 语音报警电路设计3.5.1 语音模块电路兼顾电路性能与成本等因素的考虑，我们采用了Winbond公司生产的ISD2500系列语音芯片，它是一种具有较强功能的电脑语音录放器件，能够应用在很多需要语音服务的场合。本系统用AT89C51和ISD2560构成的语音部分，可实现语音的分段录取和组合回放，同时可通过修改软件实现整段或循环播放，还介绍了用该电路来完成语音的组合播放等功能的实现方法。 ISD2560是ISD系列单片语音录放集成电路的一种。这是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间

42、为60s，可重复录放10万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，从而避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。该器件的采样频率为8.0kHz，同一系列的产品采样频率越低,录放时间越长,但通频带和音质会有所降低。此外，ISD2560还省去了A/D和D/A转换器。其集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和480k字节的EEPROM。ISD2560内部EEPROM存储单元均匀分为600行，有600个地

43、址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为100ms。此外，ISD2560还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以实现复杂的信息处理功能，如信息的组合、连接、设定固定的信息段和信息管理等。ISD2560可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段。图3.20 语音芯片ISD2560引脚排列图图3.21 语音芯片ISD2560内部原理框图 ISD2560具有28脚SOIC和28脚PDIP两种封装形式，图3.20所示是其引脚排列，各引脚的主要功能如下：电源（VCCA，VCCD）：为了最大限度的减小噪声，芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并

44、且分别引到外封装上。模拟和数字电源端最好分别走线，并应尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容则应尽量靠近芯片。地线（VSSA，VSSD）：由于芯片内部使用不同的模拟和数字地线，因此，这两脚最好通过低阻抗通路连接到地。节电控制（PD）：该端拉高可使芯片停止工作而进入节电状态。当芯片发生溢出，即OVF端输出低电平后，应将本端短暂变高以复位芯片；另外，PD端在模式6下还有特殊的用途。片选（CE）：该端变低且PD也为低电平时，允许进行录、放操作。芯片在该端的下降沿将锁存地址线和P/R端的状态；另外，它在模式6中也有特殊的意义。录放模式（P/R）：该端状态一般在CE的下降沿锁存。高电平选择放音，低电平选择

45、录音。录音时，由地址端提供起始地址，直到录音持续到CE或PD变高，或内存溢出；如果是前一种情况，芯片将自动在录音结束处写入EOM标志。放音时，由地址端提供起始地址，放音持续到EOM标志。如果CE一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音则会忽略EOM而继续进行下去，直到发生溢出为止。信息结尾标志（EOM）：EOM标志在录音时由芯片自动插入到该信息段的结尾。当放音遇到EOM时，该端输出低电平脉冲。另外，ISD2560芯片内部会自动检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于3.5V时，该端变低，此时芯片只能放音。在模式状态下，可用来驱动LED，以指示芯片当前的工作状态。溢出标志（OVF）：芯片处于存

46、储空间末尾时，该端输出低电平脉冲以表示溢出，之后该端状态跟随CE端的状态，直到PD端变高。此外，该端还可用于级联多个语音芯片来延长放音时间。话筒输入（MIC）：该端连至片内前置放大器。片内自动增益控制电路（AGC）可将增益控制在-1524dB。外接话筒应通过串联电容耦合到该端。耦合电容值和该端的10K输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。话筒参考（MIC REF）：该端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，并提高共模抑制比。自动增益控制（AGC）：AGC可动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，这样在录制变化很大的音量（从耳语到喧嚣声）时就能保持最小失真。响应时间取决

47、于该端内置的5K电阻和从该端到VSSA端所接电容的时间常数。释放时间则取决于该端外接的并联对地电容和电阻设定的时间常数。选用标称值分别为470K和4.7F的电阻、电容可以得到满意的效果。 模拟输出(ANA OUT)：前置放大器输出。其前置电压增益取决于AGC端电平。 模拟输入(ANA IN)：该端为芯片录音信号输入。对话筒输入来说，ANA OUT端应通过外接电容连至该端，该电容和本端的3k输入阻抗决定了芯片频带的附加低端截止频率。其它音源可通过交流耦合直接连至该端。 扬声器输出（SP+、SP-）：可驱动16以上的喇叭（内存放音时功率为12.2mW AUX IN放音时功率为50mW）。单端输出时

48、必须在输出端和喇叭间接耦合电容而双端输出则不用电容就能将功率提高至4倍。 辅助输入(AUX IN)：当CE和P/R为高，不进行放音或处入放音溢出状态时该端的输入信号将通过内部功放驱动喇叭输出端。当多个ISD2560芯片级联时后级的喇叭输出将通过该端连接到本级的输出放大器。为防止噪声建议在存放内存信息时该端不要有驱动信号。 外部时钟(CLK)：该端内部有下拉元件，不用时则应接地。地址/模式输入（AX/MX） ：地址端的作用取决于最高两位（MSB，即A8和A9）的状态。当最高两位中有一个为“0”时，所有输入均作为当前录音或放音的起始地址，地址端只作输入，不输出操作过程中的内部地址信息，地址在CE的

49、下降沿锁存；当最高两位全为“1”时，A0A6可用于模式选择。 操作模式由于ISD2560内置了若干种操作模式，因而可用最少的外围器件实现最多的功能。操作模式也由地址端控制；当最高两位都为1时，其它地址端置高可选择某个（或某几个）特定模式。因此操作模式和直接寻址相互排斥。具体操作模式见表3.8所列。操作模式可由微控制器也可由硬件实现。 选择操作模式要注意两点：1）所有操作最初都是从0地址即存储空间的起始端开始。后续的操作根据选用的模式可从其它地址开始。但是，电路由录转放或由放转录（M6模式除外），或都执行了掉电周期后，地址计数器将复位为0。2）当CE变低且最高两地址位同为高时，执行操作模式。这种

50、操作模式将一直有效，直到CE再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址/模式端电平并执行相应的操作为止。 使用操作模式时需要注意两点：1）所有操作模式下的操作都是从0地址开始，以后的操作根据模式的不同，而从相应的地址开始工作。当电路中录音转放音或进入省电状态时，地址计数器复位为0。2）操作模式位不加锁定，可以在MSB（A8、A9）地址位为高电平时，CE电平变低的任何时间执行操作模式操作。如果下一片选周期MSB（A8、A9）地址位中有一个(或两个)变为低电平，则执行信息地址，即从该地址录音或放音，原来设定的操作模式状态丢失。表3.8 操作模式简表模式功能典型应用可组合使用的模式M0信息检索快进入信息M

51、4、M5、M6M1删除WOM在最后一条信息结束处放EOMM3、M4、M5、M6M2未用保留N/AM3循环从0地址连续放音M1、M5、M6M4连续寻址录放连续的多段信息M0、M1、M5M5CE电平有效允许暂停M0、M1、M3、M4M6按键模式简化外围电路M0、M1、M3 分段录放音：2500系列最多可分为600段，只要在分段录/放音操作前(不少于300ns)，给地址A0A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音。2500系列地址空间是这样分配的：地址0599作为分段用(见表

52、3.9)，地址600767未使用，地址7681023为工作模式选择。表3.9 地址分配表十进制 二进制 信息时间(秒)A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0256025752590000000000000005000001100105.06.257.50100000110010010.012.5015.00250001111101025.031.2537.50300010010110030.037.5045.00400011001000040.050.0060.00500011111010050.062.5075.00599100101011159.974.8789.85图3.22 ISD2560电路图在图3.22的这块电路中，最重要的便是AD，CE端的地址稳定性的问题。AD端地址必须要保持300ns以上才可以放音，否则将会使声音失真，甚至放不出来。而CE端只需要很短的时间就可以触发。于是在放音程序中则需要有延时程序，这样才能在地址选准时将录音播放出来。ISD2560语音芯片在语音录放系统中的实际应用效果非常好，而且编程也比较简单，与其它一些数字语音芯片相比，ISD2560的突出特点是放音效果极佳，能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，另外，使用该芯片也可自己设计电路实现录音操作，使用十分