【《基于单片机的医院护士站无线按键传输系统设计》6300字】

基于单片机的医院护士站无线按键传输系统设计目录摘要 I1引言 11.1课题研究的背景 11.2课题意义 11.3设计课题的主要任务和内容 12系统方案的选型与论证 32.1单片机模块选项与论证 32.2按键模块选型与论证 42.3显示模块的选取 42.4蜂鸣器模块的选择 43系统硬件设计 53.1单片机主控模块 53.2无线模块 63.4液晶显示器1602 73.5声音报警模块 93.6独立按键电路 94系统软件的设计 114.1.1设计的软件环境介绍 114.1.2Proteus8软件介绍 124.2主程序的设计 134.3其他子程序设计 154.3.1初始化程序的设计 154.3.2按键子程序 154.3.3液晶显示子程序 155系统与调试 175.1仿真与测试 175.1.1Proteus8软件介绍 175.1.2Proteus仿真 175.2系统硬件模块组成 186总结 206.1主要工作内容总结 206.2不足与展望 20参考文献 22附录 23摘要随着时代的发展，生活中的很多领域都运用到了无线控制技术，无线控制技术也愈发的成熟，本次设计了一个无线按键控制系统，进行快速的对医院服务台进行快速稳定控制。本次设计选题为以单片机为核心的无线按键传输系统，该设计所需实现的预期功能为，单片机之间的信号传输控制通过无线模块传输每个工作信号，经STC89C52处理输出,最终达到无线传输控制的效果。经过软件和硬件设计，满足了病床的传呼机设计要求，生产出了能够满足临床应用要求的物理产品。本次毕设程序所使用的是C语言，主要在Keil软件上开发完成，在Proteus上完成仿真，最后完成最终实物，要求达到期望功能。关键词：无线：按键：传输1引言1.1课题研究的背景自单片机被发明出来以后，直到现在已经存在一定的时间，并在各种基于其为主要控制芯片的产品已经数不胜数，现在，其已经在我们生活的各个地方都有他的身影，归功于其集成度高，小巧，使用和操作方便等等优越点，单片机的应用方向已经从工业转变到了百姓生活中来，其中各个型号单片机中，尤其是MCS-51系列的产品。目前，人们希望生活质量不断的提升，无论实在我国还是在外国，服务业的发展可谓是十分迅猛，各个服务业之间的竞争激烈程度不断上升，这就导致了差的服务体验被逐步被人们所淘汰，新的服务得到了人们的认可，在以前，人们在一些餐厅等餐饮业中，呼叫服务员时都需要人为的去喊，这就导致了服务效率低下，应答不及时，并且在噪音多的餐厅中，工作人员往往很难接收到信号，在以前很多医院都是采用用线的通讯方式进行病床呼叫，但随着当今时代的发展，无线技术愈发成熟，相比与有线，无线呼叫系统有着，传输占用空间小，材料简单，而且容易移动，这些都是有线具备不了的。并且经过研发人员们的不断开发深入的研究，已经愈发的完善，开始面向服务与大众和市场。本项目基于51台单片机的无线按键控制系统。该系统分为主机接收板模块，从机发射版模块，单片控制组件，显示组件，应急呼叫组件和返回单元。该系统使用无线信号传输，使用单片机作为控制元件，操作控制系统，实现远距离无线信号传输，降低材料消耗，安装方便，使患者能够控制无线按键控制台上的报警和显示，以达到呼叫效果。1.2课题意义对于从事医务工作者来说，病人有时行动不便，在加上护士工作忙碌，导致工作上容易出现错误[1]，但采用了无线通讯，无需全程监控患者情况、巡逻，在无需对患者或家属大声回应，无需多次往返的情况下，依旧能够并保持医院运转，且能够及时有效的为患者提供帮助，对于患者来说，能够不想和从前一样需要在医院中大声的呼喊前台医护前台工作护士，也不必患者或患者家属自己走到前台请求帮助，并且就算没有家属的陪同，患者也可以自己来进行呼喊，只要患者按下从机的无线控制按钮，前台护士便能在主机中听到声响，并在lcd屏上观察到需要帮助的患者床号，进行及时的帮助，因该系统：低能耗并且效率高小巧，导致其在医院等公共场合渐渐收到人们的推崇。1.3设计课题的主要任务和内容设计要求：设计出一个稳定的按键控制系统，可以实现多路呼叫，路之间不互相干扰，并且传输速度要快，传输距离在100以上预期目标：病人通过按下呼叫按键，无线传输模块控制向无线接收模块发送信号，接收系统微控制器读取无线接收模块上的数据，实现对报警器控制与1602显示器显示出病床号，从而达到呼叫的效果，并且服务台也可以通过按下收到按键，通过相同的原理实现取消报警，并熄灭病床呼叫灯。根据51单片机的无线按键控制系统所需实现的目的，设计了有以下几个步骤1）设想出设计实物主要实现功能，再而设计出其程序功能实现流程图，查找有关本次设计所需用到的各个模块，软件等资料，比如无线模块的引脚功能图及其内部功能图，单片机C语言编程设计，LCD1602字符的显示及其引脚设置，使用的各个芯片引脚工作方式与功能说明，最后关于仿真Proteus软件使用说明等。2）对硬件模块进行选取设计。本次设计使用到的元器件有NRF无线模块、lcd1602显示模块、声音呼叫蜂叫器模块。3）无线按键功能程序的设计。该设计需要完成主功能编程、初始化编程、显示模块初始化程序、定时器中断程序设计等，要求达到程序不出错。

2系统方案的选型与论证根据本次设计题目要求，本次设计采用MCI-51系列单片机为控制系统芯片，通过其控制实现信息无线传输，LCD1602的病床显示，蜂鸣器报警等功能实现，在对设计任务整体分析，构造出系统框图如图2-1所示图2-1系统流程框图进行完系统程序的整体流程分析后，需要对本次设计所需要的模块选择进行论证，最终确定本次课题总体设计方案。2.1单片机模块选项与论证方案一：ATMEL制造的AT89C52单片机其是一种低电压、低功耗、低价格、高性能的八位微处理器[2]，应用CMOS打造而出，内含8千字节的可反复烧写程序存储器和读写存储器，适配标准的MCS-51系统，。方案二：宏晶公司制造STC89C52单片机其芯片内部对经典MCS-51单片机进行扩展，带有3个CTC、4个外部中断及32为I/O口。不同之处在于其内部在原有8KBram基础上额外内部搭载了rom空间。经过比较，相较于AT系列，STC在功能上更胜一筹，端口数量也基本满足本次设计所需要的端口数，并且价格更加低廉，所以选择方案二2.2按键模块选型与论证方案一：独立按键模块独立按键模块的优势：（1）每个按键都是独立控制的（2）单片机检测所需时长断，反应快（3）一个独立按键对应一点的I/O口，其他不受到它的影响独立按键模块的缺点：如果设计中用到的按键数较多，则独立按键需使用I/O口数量也较多，这就可能造成I/O的数量不足方案二：矩阵键盘模块矩阵键盘模块的优点：该模块占用I/O口资源数量更少，矩阵键盘模块的缺点：程序设计更加复杂，反应所消耗的时长更长，单片机需要对其进行扫描检测按键基于本次设计每个系统所要的按键数只有4个，所以选用独立按键更为理想。2.3显示模块的选取方案一：采用数码管来显示病床号，数码管能够显示的内容少，对数码管进行程序书写时比较麻烦，并且所要占用的I/O口更多。方案二：采用LCD1602显示器，该模块可以满足本次设计所需要显示的内容，可以显示字符和数字，并且程序设置相比于数码管更加简洁，应用范围更广。综上所述，为了显示更见简便，完整，这里采用LCD1602进行显示2.4蜂鸣器模块的选择方案一：无源蜂鸣器，其无震荡源电路，并且理想工作信号为方波信号[3]，只在交流下工作，但价格便宜且声音可通过程序设计控制，方案二：有源蜂鸣器，自带震荡源，可自动将直流信号变为脉冲信号，通电便可工作，价格较便宜，但声音单一并且不可控。综上所述，为使得程序更简单，操作更方便，本次设计将采有有源蜂鸣。第一章绪论3系统硬件设计根据上述和理由，做出完整的系统设计和概念，本方案中采用的电路硬件模块的参数和原理将在下面详细描述介绍。3.1单片机主控模块本次设计采用的主控系统为52单片机最小系统，采用12MHZ的晶振，当单片机程序发生错误时启动复位电路，最小系统原理图，如图3-1所示。图3-1单片机最小系统原理图

3.2无线模块NRF24LO1是一款由挪威科技公司推出的主要功能为无线传输的芯片，其工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式[4]，且正常运行频率大致在2.4~2.5GHZ之间，空中无线数据传输速率为1或2Mbps，芯片可在从1.9V到3.6V范围内的电压供电下正常工作[5]，目前无线通讯下由于很多情况下进行无线通讯需要考虑到较长的距离，所以产家们在NRF24l01的原有设计下添加了功率放大器（PA），发射模式下可将通讯距离延长至2KM，让其在很多场景的要求得到满足。NRF24L01芯片结构框架图如图3-2-1所示图3-3NRF24L01结构框图

引脚及其功能：如图3-4所示。..图3-4NRF24引脚功能图NRF24L01芯片具有以下几个特点：兼容NRF24X类器件最大cpu频率：20MHZ射频接收灵敏度：-90dBm最大发射功率：0dBm3.4液晶显示器1602本设计利用LCD1602装置达到显示信息的效果，有16个引脚，并能够显示16*2个字符，芯片工作电压位4.5-5.5V，工作电流2.0mA[6]，是单片机最常用的液晶显示器，lcd1602可以显示大量的英文字符和数字，而且体积小，购买的成本廉价，可供使用正常工作时间更长。实物图如图3-5所示。图3-5LCD实物图引脚功能说明如图3-6所示。图3-6引脚说明图3.5声音报警模块该设计有声音报警，采用的是有源蜂鸣器，当有病人按下控制按键时，经过单片机与无线模块的数据传输，蜂鸣器就会发出断断续续的声音频率，只有当主机按下收到按键，有源蜂鸣器才会停止报警，如图3-3所示，将控制引脚连接至P3.6上，并使用三极管作为开关功能从而达到保护51芯片的作用，并且还可以增大电流的效果。如果基极是高电平，发射极呈现低电平则发出声响，呼叫模块如图3-7所示。图3-7声音报警器电路图3.6独立按键电路本次设计中用到了八个应答按键电路，四个作为病人呼叫按键，按下按键主机发出报警，并显示病床号数，四个座位主机应答按键，按下按键，停止报警.消除LCD1602显示器上的呼叫病床号数，相应病床的指示灯也会熄灭。应答按键电路如图3-8所示图3-8独立按键电路图

4系统软件的设计4.1设计的软件环境介绍KeilC51是由德国KeilSoftware公司开发的单片机C语言编译器[7]，与编译相比，它不仅可以实现c单片机的软件生产系统，而且是一种功能上可理解的c语言、并且维护性上更加方便,KeilC51是一款应用广泛的开发调试软件，在开发大型功能时相比与汇编更能体现高级语言的优势[8]。烧写程序时本次采用STC-ISP软件，STC-ISP与KEIL_C软件界面如图4-1与4-2所示。图4-1图4-24.2主程序的设计系统总程序设计框图一个完整的程序只有一个主函数，本次设计共有两个部分发射板与接收版，源代码放在附录中，首先发送板的程序流程图如图4-4所示图4-4发射板程序原理图如图4-5所示图4-5发射板流程图

4.3其他子程序设计4.3.1初始化程序的设计首先初始化程序主要分为三个部分一个显示器1602初始化程序，一个定时器中断程序初始化与蜂鸣器停止。1）LCD显示程序的初始化根据网上显示器1602使用手册，在液晶使用之前，要对其设置各个功能显示的模式。2）定时器中断系统初始化STC89C52中与T0和T1有关的寄存器为TMOD，TMOD是CTC的工作方式选择寄存器，不可位寻址，高半字节控制T1，低半字节控制T0，目前已经达到拥有共六个中断允许操作标志位，其中EA为中断允许控制位。定时器处于任意工作模式下时，都将需要对脉冲信号进行计数处理。4.3.2按键子程序延时子程序设置一定的延时时间，用来被其他的程序所调用，也起到避免程序复杂化，按键按下I/O口的电平拉低，单片机检测I/O口出现低电平判断按键状态[10]。4.3.3液晶显示子程序本次设计选用LCD1602作为显示模块，其引脚中VSS、VDD、VL、15与16背光引脚，其他的都通过微处理器控制，其工作时序图如图4-6所示。图4-6显示流程图

5系统与调试5.1仿真与测试在初步完成硬件和软件的编程后，为了避免软件硬件的设计出现缺陷或者出错，同时也为了设计出的软硬件的功能与性能满足本次课题的需要，达到所预期的功能，就要对其进行仿真调试5.1.1Proteus8软件介绍Proteus软件是英国电子实验室发布的一种软件工具，它能完成原理图、PCB设计、调试代码等功能。备受专注于研究开发单片机应用的工作者喜爱，本文实现了单片机与外围电路的协同仿真，实现了产品概念设计强函数图实现了单片机仿真与SPICE仿真的集成，该软件有以下几个特点：PROTEUS具有多种元件库可使用，基本上满足用户所需要的许多仿真元器件，不仅可模拟出交直流，而且也有数字仿真的功能可以为用户提供虚拟显示，使得仿真更加形象，具有电压探针，电流探针等多种模式该程序提供了调试功能，包括全速，单相，断点设置等，可以在运行时观察状态变量和记录，并支持KEIL编译等软件第三方调试5.1.2Proteus仿真在进行Proteus仿真前，先需要：使用Keil软件将自己设计出的程序生产文件“.hex”再将生产的“.hex”文件加载Proteus仿真软件的单片机中[9]，将其作为控制程序。在Proteus中点击所选的单片机，对其修改时钟频率等参数，这里时钟频率修改为了12MHZ。在所有设置完毕后，结合两个软件进行仿真，一直调式出该设计所预期的结果为止。设计出的运行图如图5-1所示，图5-15.2系统硬件模块组成在制作好原理图之后，在基于原理同通过PCB软件制作出硬件发射板原理与接收板原理图，发射板PCB图如下图5-1所示。图5-1发射板PCB原理图

接收板PCB原理图如下图5-2所示。图5-2接收板PCB原理图并通过PCB原理图，最终制作出的实物硬件图，如图5-3所示。图5-3实物图本次设计中，内部放置了单片机最小系统，NRF无线模块，显示模块，蜂鸣器模块，按键模块和电源接口等，经过多次的实验可以观察到对电路进行上电操作，LCD1602如预期显示出wirelessbedsIDno：在发射板上按下1号床按钮，发射板上的1号指示灯亮起，经过无线收发模块的信号传输，可以观察到接收板可显示出病床1，并且蜂鸣器发出声响，直到发生以下两种情况将会关闭声音与lcd显示：（1）发射板病床按键按下，将会取消呼叫，关闭声音.取消显示（2）接收板按下收到按钮，发生与上同现象，如果发射板多个按键同时按下，功能依旧正常。虽然基础功能都得到实现，但在发射传输接收时，可能会受到干扰，并且直接无障碍传输时，效果较好，但在有墙体阻隔的情况下，效果不佳，在实际中可以考虑通过选用较大功率的模块，或安装上天线，以此来增强实际效果6总结6.1主要工作内容总结本项目以现实中医患问题为出发点，对患者呼叫与医务人员应答问题进行研究。设计工作的基本实现:通过按键按下，接着通过无线收发模块模进行远程报警。在设计过程中遇到问题，并通过询问相关专业人员和数据访问许可流程，提高了自己的微控制器意识以及电路设计和编程能力。整个设计和生产过程始终需要很长时间在确定本项目方向后12周，组织相关专业知识，论证和设置项目实施方案；软件调试后，做好硬件实物。设计系统对步骤顺序和进度做严格控制。6.2不足与展望本次设计中，无线模块并没有增大大功率天线，这就造成传输距离收到限制，经过多次测试，最大传输距离不超过50m,并且在存在阻碍的情况下，传输效果并不是很好。本次设计过程中也出现过一些问题，当电路板实物焊接结束后进行通电，当是发现显示器不发启动，无背光。于是用万用表测量电源与接地两端电压显示为0,断电后把万用表调整至LED检测档,再一次进