单片机课程设计《病人呼叫器》

太原理工大学课程设计PAGEPAGE19课程设计任务书设计题目病人呼叫器学生姓名所在院系专业、年级、班设计要求：=1\*GB1⒈设计一种呼喊器，供医院住院病人“呼喊”医护人员时使用。=2\*GB1⒉住院病人可通过按动自己的床位按扭开关向医护人员发出“呼喊”信号；=3\*GB1⒊一旦有病人发出“呼喊”信号，医护人员值班室显示床位编号，扬声器发出提示声响信号；4.“呼喊”器所需的直流稳压电源。5.用相关仿真软件对电路进行仿真。学生应完成的工作：本设计以AT89C51单片机为主控模块，利用汇编语言编写两位数码管循环扫描动态显示的专用程序来实现两位数码管动态显示系统。我们通过查阅手册和文献资料来选择合适的元器件，并设计合理的电路来实现符合要求的电路板实物。主要任务包括：（1）硬件原理图的设计。（2）软件程序的设计：学会对不同方案进行比较分析，并通过整体优点与缺点的比较，确定合理的方案。（3）用汇编语言进行软件的编写与调试。（4）撰写课程设计报告。（5）该生负责流程图和软件编写。课程设计提交的成果1）设计说明书2）图样资料a)系统原理图；3）查阅文献不少于5篇b)硬件电路图；c)汇编语言源程序d)PROTEUS运行仿真图工作计划：2013年12月23日—2013年12月23日：搜索有关资料并进行硬件原理图设计；2013年12月24日—2013年12月25日：进行硬件电路与软件程序的编写及调试；2013年12月26日—2013年12月26日：编写课程设计说明书；2013年12月27日—2013年12月27日：提交课程设计。任务下达日期：2013年12月23日 任务完成日期：2013年12月27日指导教师（签名）：学生（签名）：病人呼叫器摘要：本设计是一个采用89C51单片机配以外围适当电路完成一个可供64张床位使用的病房呼叫系统。该系统需运用单片机典型外围接口技术中的矩阵式键盘电路完成对病房床号的输入，由于床位较多，考虑到89C51单片机自身接口有限，需用可编程并行接口芯片8255外扩I/O实现对矩阵式键盘的扫描与键值的读入。MCS-51单片机受管脚的限制，P0口不仅要作数据总线口而且还提供低8位A0~A7，所以只能分时工作，故P0口输出的低8位地址数据必须用锁存器锁存。本设计采用74LS373，其锁存控制信号由引脚ALE提供。在ALE的下降沿将P0口输出的地址数据锁存。由于该设计中单片机要实现三种功能：1）床位按钮的扫描与读入。2）按钮按下时振铃三秒并显示床号。3）护士响应管灭铃停。此设计报告包括：概述、系统总体方案及硬件设计、软件设计、Proteus软件仿真、心得体会及参考文献六部分组成。设计任务中含有原程序代码，Proteus环境下的系统电路图，流程图等部分，软件及硬件电路设计正确性在Proteus界面下仿真来检验正误。关键词：呼叫器/单片机/医院/显示目录1.设计背景 51.1单片机发展前景 52.课程名称及要求 62.1课程名称 62.2主要技术要求 63.方案计划 73.1设计方案及方案论证 74.方案实施 74.1总体模块 74.1.1装置组成 74.1.2工作原理及工作流程 84.2各分模块设计 94.2.1按钮开关电路 94.2.2单片机控制及显示电路 104.2.3声音报警电路 114.2.4外部振荡电路的设计 124.2.5单片机复位电路设计 134.2.6显示电路设计的设计 144.2.7proteus_7.8仿真 144.2.8单片机工作原理 165.单片机选用 165.1单片机AT89C51 166.电路板的选用与检查 167.系统调试 177.1调试 177.2软件调试问题分析 188.课程设计体会 199.附录 209.1附录1 219.2附录2 229.3附录3 239.4附录4 239.5附录5 291.设计背景1.1单片机发展前景：目前，用于病床呼叫的系统有很多，它们多数都是有线通信，通过声光报警和LED屏显示告知呼叫求援的床位号码，一般由有线的床头分机、走廊显示屏和护士台的由发光二极管组成的病床一览表（板）组成。这种医护呼叫系统缺乏对病人呼叫信息的存储、统计和管理功能，病人呼叫求援方式单一，护士和医生只能在值班地点才能得到病人的声光报警，特别是值班医生和护士不在值班地点时，可能造成不能迅速找到值班医护人员而延误病人的抢救时机，给病人和医院造成不可挽回的损失。护呼叫系统已经成为医院提高医护服务质量、提高医护人员工作效率和减少医疗事故的一种必不可少的基础设备，临床求助呼叫（监护）是传送临床信息的重要手段，病房呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断和护理的紧急呼叫工具，可将病人的请求传送给值班医生或护士，并在值班室的监控中心电脑上留下准确完整的记录，是提高医院和病室护理水平的必备设备之一，呼叫系统的优劣直接关系到病员的安危，历来受到各大医院的普遍重视。它要求及时准确可靠简便可行。2.课题名称及要求2.1课题名称：医院住院病人“呼叫”器2.2主要技术要求：（1）本课题要求1.设计一种呼喊器，供医院住院病人“呼喊”医护人员时使用。2.住院病人可通过按动自己的床位按扭开关向医护人员发出“呼喊”信号；3.一旦有病人发出“呼喊”信号，医护人员值班室显示床位编号，扬声器发出提示声响信号；4.“呼喊”器所需的直流稳压电源。5.用相关仿真软件对电路进行仿真。（2）设计作用及目的

病人呼叫系统已经成可以为医院提高医护服务质量、提高医护人员工作效率和减少医疗事故。实验的目的是了解到电路从设计到调试等过程，加强对电路的了解。3.方案设计3.1设计方案和方案论证为使电路设计尽可能合理，应注意以下几个方面：（1）尽可能采用功能强的芯片，以简化电路，功能强的芯片可以代替若，普通芯片，随着生产工艺的提高，新型芯片的价格不断下降，并不比若干芯片价格的总和高。（2）留有设计余地。在设计硬件电路时，要考虑到将来修改扩展的方便。因为很少有一锤定音的电路设计，如果现在不留余地，将来可能要为一点小小的修改或扩展而被迫进行全面返工。（3）程序空间。选用片内程序空间足够大的单片机。（4）I/O端口。在样机研制出来后进行现场试用时，往往会发现一些被忽略的问题，而这些问题不是靠单纯的软件措施可以解决的，如有些新的信号需要采集，就必须增加输入检测端，有些物理量需要控制，就必须增加输出端。如果在硬件电路设计就预留出一些I/O端口，虽然当时空着没用，那么到用的时候就派上用场了。4.方案实施4.1总体模块：4.1.1装置组成由于综合各方面考虑，我们采用端口模式，应用单片机设计该医院呼叫器系统。对于无限发射模块，课题没做要求。所以我们为了力求简洁和考虑成本问题，采用该方案。我们这个实做，由单片机，和按钮、数码管、晶振、电容、电阻、导线若干而成。4.1.2工作原理及工作流程系统组成如图1所示。此设计以单片机AT89C51为核心，由单片机I/O口采集检测开关信号，经过单片机内部MCU程序处理后通过数码管显示相应的按键号，并进行相应的声音报警，提醒医生注意当病人需要呼叫医务人员的时候，只要按一下床头的开关，医务人员值班室的指示台上就会发出音频信号，并且有指示灯指示出病人所在的房号及床号。声音报警单片机处理声音报警单片机处理按钮开关按钮开关数码显示数码显示图1：医院呼叫器装置原理框图图2：工作流程图4.2各分模块设计4.2.1.按钮开关电路键盘是单片机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。键盘按结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法来产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为非编码键盘结构简单，成本低廉，非编码键盘的类型很多，常用的有独立式键盘，行列式键盘等，本文按钮开关电路如图2所示。图2按钮开关电路按钮开关电路采用低电平有效。通过单片机检测P1口状态分别判断是几号按钮（病床）按下按钮。该电路总共采用8路，分别代表8个病房，如果想要扩展，可在该基础上进行扩展。此处为了便于设计，采用8路按钮开关。备注：此处优先级是相同的，也就是说如果某一病床呼叫，在报警期间，其他按钮也有效。我们设计的报警时长是5S。我们此处设计的是简易装置，如果需要优先级或者可查询，可在此基础上进行软硬件的扩展，实现所需功能。4.2.2.单片机控制及显示电路单片机控制及显示电路如图3所示。采用静态显示方式，利用单片机的P0口的P0.0～P0.6作为数码管七段码的输入。采用共阳极数码管(见图3)。单片机检测到按键信号，通过内部程序处理进行相应病床的显示。图3单片机控制及显示电路4.2.3.声音报警电路我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的高电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的巨型波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。本文设计声光报警电路见图4。当有按键按下时，单片机从P1.7口输出一周期高低信号，控制三极管的通断，从而使扬声器通断，发出一定周期的音频报警信号。报警时间为5S。图4声音报警电路4.2.4外部震荡电路的设计单片机必须在时钟的驱动下才能工作，在单片机结构内部有一个时钟振荡电路，只需要外部接一个震荡源就能产生一定的时钟信号，送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。如图5。图5震荡电路一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL0引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容C1，C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数。图中时钟频率为24MHz。4.2.5单片机复位电路的设计单片机的第9引脚RST为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平，即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图6。图6复位电路4.2.6显示电路的设计显示电路使用了七段数码管，它是共阴极的，由低电平点亮.显示功能与硬件关系很大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下，提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。4.2.7Proteus仿真硬件键盘电路工作原理：单片机上电运行即进入判断键盘是否有键按下主程序，8255PA口输出全0值，后读8255PC口若其值全1则证明键盘无键按下，若其值不全为1则证明64个键中有一键按下。单片机随机键盘扫描子程序，本设计首先将第0列送0其它列送1，然后读8255PC口通过对ACC各位的判断来识别键值。若第0列无键按下则转判下一列，最后返回。键值通过：行首键号+列值=键值计算得出。例如当单片机第5列即8255PA.5口输出0时，读其PC口若ACC.3为0，则键值为24+5=29。该电路的仿真，我们采用Proteus这个仿真软件进行做的，仿真效果非常好，达到课程实际之要求。仿真按键按下，声音报警和数码管显示相应的按键号码。该图为我按下按键23时的显示数值，在按下5S内，蜂鸣器持续发出音频报警信号。4.2.8单片机工作原理1.由单片机检测P0口的按键状态，当有低电平输入时候，单片机做相应的软件执行。2.由单片机内的显示和声音报警程序进行相应输出，来告知医生某床位有病人呼叫。3，数码管按优先级别循环显示病房号，闪烁灯闪烁。通过复位端，还可以进行手动的复位功能5.单片机的选用5.1选用单片机AT89C51经综合分析选用单片机AT89C51适合。AT89C51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash在线可编擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因为它不仅和MCU-51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。7.系统调试7.1调试系统调试主要为软件调试，软件调试一般包括分块调试和联机调试两个阶段。程序的分块调试一般在单片机开发装置上进行，可根据所调程序功能块的入口参量初值编制一个特殊的程序段，并连同被调程序功能块一起在开发装置上运行；也可配合对应硬件电路单独运行某程序功能块，然后检查是否正确，如果执行结果与预想的不一致，可以通过单步运行或设置断点的方法，查出原因并加以改正，直到运行结果正确为止。这时该程序功能块已调试完毕，可去掉附加程序段。其它程序功能块可按此法进行调试。程序联机调试就是将已调试好的各程序功能块按总体结构联成一个完整程序，在所研制的硬件电路上运行。从而试验程序整体运行的完整性、正确性和与硬件电路的配合情况。在联调中可能会有某些支路上的程序、功能块因受条件制约而得不到相应的输入参数，这时，调试人员应创造条件进行模拟调试。在联调中如发现硬件问题也应及时修正，直到单片机系统的软件调试成功为止。系统调试完成后，还要进行一段时间的试运行，从而检验系统的稳定性和抗干扰能力，验证系统功能是否达到设计要求，是否达到预期的效果。7.2软件调试问题分析数码管显示问题：本次设计的最终方案是采用数码管显示屏实现显示功能，最初数码管显示不正常，出现闪烁现象。通过调试发现这是由于延时时间选择不当会使人眼产生视觉暂留效果，每一次显示时都必须加入适当的时间延时。由于一开始所选用的延时时间太短因此出现闪烁现象，在增加显示延时之后，数码管显示正常。蜂鸣器异常启动问题：蜂鸣器的启动/关闭是通过单片机输出的控制信号来实现的，当前时间与闹钟设置时间比较吻合时，单片机将对闹铃控制口执行取反命令，从而启动蜂鸣器发声。一开始编写程序时，没有对控制口的最初状态作正确设置，由于系统开机复位后，闹铃控制口处于高电平状态，因此出现一开机蜂鸣器就处于启动状态的情况。通过在主程序最开始加入对闹铃控制口取零命令后，蜂鸣器启动/关闭控制恢复正常。我们通过认真研究，对一些部件进行简化，再结合软件模拟，得出了达到实验要求的设计结果。经过运行，本设计可以实现课程设计要求里的所有要求。当无输入的时候，数码管上无显示；当有一路输入的时候，数码管显示该病房号，对应病房的灯亮；当有多路输入时，对应病房的灯亮，数码管按优先级别循环显示病房号，通过复位端，还可以进行手动的复位。8.课程设计体会通过此次设计,我进一步加深了对单片机的理解，使我的编程思想更趋于成熟，编程思路更加开阔，比如当选定病房呼叫系统课题时我发现是64张床位，由于这么多的床位得占用大量的I/O线，这给我的第一直觉就是得采用静态显示因为它只需用到RXD和TXD两个端口即可完成显示任务。画完硬件电路图后我将编译好的程序载入单片机后我屏住呼吸怀着激动的心情按下了运行键，然而我并没看到我期望看到的结果，心情很是失落。于是我开始认真排查错误，我发现：1）后面几行以行为单位的键值显示有重复。2）两个LED只有十位能显示而个位刚上电时亮待有键按下时熄灭。3）有键按下时扬声器并不发声。4）护士按钮不能使外部中断起作用。5）键盘有键按下时键盘扫描动作迟缓。对第5个问题我首先想到可能是我的延时程序延时时间太长，于是我将延时时间变短些，果真不出所料单片机对键盘的扫描迅速了。但是其它四个问题还是老样子。对第4个问题当我反复按护士按钮时发现单片机的INT0引脚始终是高电平不变。此时我顿然想到可能时上拉电阻阻值过大使开关失去了作用，于是我将电阻值改小点，成功的给INT0引脚送入低电平，令我兴奋的是外部中断居然起作用了，它可以将亮的那个LED熄灭。对第1个问题我对照图2-1按键序号图发现显示重复原来是正常现象因为键值的十位都有十个数是一样的。对第2个问题，显示床号个位的74LS164移位寄存器的输入由显示床号十位的74LS164移位寄存器的最低位数据线提供，我将该最低位数据线不通向LED时，居然发现显示床号个位的LED也能正常工作，但是显示床号十位的LED显示就出现了残缺。此问题我最终通过给显示床号十位的74LS164移位寄存器的最低位数据线接上电阻后再输入到显示床号个位的74LS164移位寄存器得以解决。对第3个问题是扬声器驱动电路没有起作用，我用一个三极管加一个电阻将此问题解决。当听到我做的系统发出定时3S的声音时，我激动不已，心想我成功的将该课题完成了。然而好事多磨，又一个拦路虎出现了，我发现我做的键盘第1、3、5、列按键待第二次有键按下时自动锁死不起作用了，我知道我的主程序有问题，最后经过认真排查我发现我将MOVA,#00H写成了MOVA,00H，MOVA,00H可能将00H单元的不确定数送给A显然会引起错误。将MOVA,00H改为MOVA,#00H后至此我的课程设计已完满完成。在我解决以上问题的过程中，我提高了理论分析水平，更提高了我的心理承受能力，这是我受益非浅，更坚定了我学好后续课程的信心。9.附录附1：参考文献[1]单片微型计算机原理及应用[M].张毅坤、陈善久、裘雪红编。西安电子科大出版社。[2]单片机程序设计及应用[M].杨将新，李华军编.北京:电子工业出版社,2006。[3]报警集成电路和报警器制作实例[M].陈有卿,张晓东编.北京人民邮电出版社2001。[4]单片机原理及应用[M].杨文龙编。西安:西安电子科技大学出版社,2005。[5]电子线路辅导和题选[M].王世昌编.上海:上海科学技术文献出版社,1999。[6]模拟电子技术基础学习指导书北[M].王远编.北京:清华大学出版社,1998。[7]电路（上﹑下册）[M].第四版.邱关源主编.北京:高等教育出版社,1999。[8]电子线路基础[M].高文焕,刘润生编.北京:北京高等教育出版社,1997。[9]电力系统继电保护[M]．张保会，尹项根．中国电力出版社，2005．05。[10]新型语音芯片原理与应用．赵广林．电子工业出版社.2008.8。[11]单片机技能与实训-机电一体化技术.宋国富.电子工业出版社.2010.2。[12]电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M]．王晶，翁国庆，张有兵。西安电子科技大学出版社，2008．09。[13]MATLAB建模、仿真及应用[M]．刘同娟，郭键，刘军．中国电力出版社，2009．01。[14]控制系统MATLAB计算及仿真实训[M]．黄忠霖，周向明．国防工业出版社，2006．04。[15]余发山主编．单片机原理及其应用技术．徐州：中国矿业大学出版社，2003[16]杨凌霄主编．微型计算机原理及应用．徐州：中国矿业大学出版社，2004附2：元器件清单元器件清单名称型号数量名称型号数量单片机AT89C511数码管SN430521晶振11.0592MHH1稳压电源DE78051三极管90152整流桥2W101电解电容1000UF2开关\1指示灯红色1电阻2K1瓷片电容10421K233p26808附3：硬件原理图附4：源程序代码ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPINT0ORG001BHLJMPINT1ORG0100HMAIN:SETBEASETBEX0SETBET1MOVSCON,#00HMOVDPTR,#0FFFFFHMOVA,#89HMOVX@DPTR,AKEY:ACALLKS1JNZLK1NI:ACALLDELAYAJMPKEYLK1:ACALLDELAYACALLDELAYACALLKS1JNZLK2AJMPNILK2:MOVR2,#0FEHMOVR4,#00HLK4:MOVDPTR,#0FFFCHMOVA,R2MOVX@DPTR,AINCDPLINCDPLMOVXA,@DPTRJBACC.0,L1MOVA,#00HLJMPLKPL1:JBACC.1,L2MOVA,#08HLJMPLKPL2:JBACC.2,L3MOVA,#16LJMPLKPL3:JBACC.3,L4MOVA,#24LJMPLKPL4:JBACC.4,L5MOVA,#32LJMPLKPL5:JBACC.5,L6MOVA,#40LJMPLKPL6:JBACC.6,L7MOVA,#48LJMPLKPL7:JBACC.7,NEXTMOVA,#56LKP:ADDA,R4PUSHACCLK3:ACALLDELAYACALLKS1JNZLK3PO