基于單片機(jī)的病床無線呼叫系統(tǒng)

張瑞 劉宇航 陳非

摘 ?要：此文當(dāng)中，分析了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的病床無線呼叫系統(tǒng)，當(dāng)患者感到不適，可通過按鍵的方式向護(hù)士臺發(fā)出求救信號，護(hù)士臺收到信號后，單片機(jī)會發(fā)出指令，令液晶顯示出求救患者的編號，同時(shí)也會控制蜂鳴器鳴叫，提醒護(hù)士處理;患者收到護(hù)士臺的響應(yīng)后發(fā)出聲光提示。病床呼叫一般是患者向醫(yī)護(hù)人員發(fā)出呼叫信號的一種設(shè)備，減少了時(shí)間成本，為患者本身和醫(yī)護(hù)人員治療都提供了諸多便利。

關(guān)鍵詞：信無線病床呼叫;STC89C51單片機(jī)

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

通過以上每個模塊的介紹，我們最終選擇STC89C51作為本課題的主控制芯片，通過LCD1602顯示實(shí)時(shí)獲取信息，系統(tǒng)采用八個按鍵模擬八位病房的呼叫按鍵，當(dāng)有按下數(shù)據(jù)從NRF24L01無線模塊傳輸?shù)浇邮斩酥?，接收端接收到有人呼叫（重?fù)按如果前面的呼叫未被處理則本次呼叫無效）時(shí)蜂鳴器和LED燈會聲光提示有人呼叫，當(dāng)多人進(jìn)行呼叫時(shí)，液晶會按呼叫順序依次將變化顯示出來，當(dāng)護(hù)士接收到呼叫時(shí)進(jìn)行處理完成后按下“應(yīng)答”鍵則可清除第一位呼叫的編號，后面的編號往前顯示。

本設(shè)計(jì)的具體的系統(tǒng)方案如下圖1-1所示。

二、硬件系統(tǒng)中主要模塊的設(shè)計(jì)

（一）STC89C51單片機(jī)系統(tǒng)介紹

STC89C51采用PDIP（40pin）和PLCC（44pin）封裝。在設(shè)計(jì)中，使用了直接插入式DIP40封裝。焊接時(shí)，可將IC插座先進(jìn)行焊接，然后將芯片插入焊接完成后的IC插座。這樣操作的目的是，更換芯片會更方便，同時(shí)也避免了芯片的損壞。STC89C51共有40個針腳，可以控制的32個引腳為P0，P1，P2和P3，這些引腳可以單獨(dú)控制或在特定位的IO端口上同時(shí)進(jìn)行控制，且不必定義輸入和輸出，為I0賦值時(shí)，IO端口將自動轉(zhuǎn)換為輸出，當(dāng)讀取IO端口時(shí)，IO端口將自動轉(zhuǎn)換為輸入。

（二）LCD1602液晶顯示模塊介紹

LCD1602共有11條指令，可發(fā)送至LCD1602由單片機(jī)完成一些特定的屏幕清潔，開關(guān)顯示等功能。顯示屏也可使用自己的字庫進(jìn)行顯示，當(dāng)然，如果字庫中沒有字符，也能夠按照需求，對字符進(jìn)行自定義，編寫CGROM，自定義字符，具備的分辨率為5*8字符，不過自定義字符，對應(yīng)的數(shù)量有限，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行合理分配，上限為8個，對字符字體進(jìn)行自定義，輸入CGROMLCD后，能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)用，調(diào)用方式，類似于正常顯示字符。只需LCD1602能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)的讀取，指令的寫入，數(shù)據(jù)的讀取和寫入就可以。具體的操作對應(yīng)的引腳電平如表2-1所示。

在上表中，E代表使能端;RS代表寄存器選擇。RS=H情況下，選取數(shù)據(jù)寄存器，RS=L條件下，指令選擇寄存器;R/W為信號線R/W=H條件下，實(shí)現(xiàn)讀取，R/W=L條件下，實(shí)現(xiàn)寫入。

（三）NRF24L01芯片介紹

NRF24L01屬于無線通訊芯片，通過NORDIC公司對FSK調(diào)制進(jìn)行利用，同時(shí)集成了ShortBurst協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部增強(qiáng)，能夠適應(yīng)點(diǎn)對點(diǎn)，或者滿足1對6無線通訊。無線通訊速度能夠?qū)崿F(xiàn)2M（BPS）。嵌入式工程師只要能夠?qū)CU系統(tǒng)留有5個GPIO，以及1個中斷輸入引腳，就能夠完成無線通訊，有利于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通訊功能，具體特點(diǎn)如下以下。

它在2.4GHz國際通用ISM頻段，其傳輸功率高達(dá)0dBm。它支持六個通道的無許可證數(shù)據(jù)接收。

工作電壓：1.9v?3.6v;

最高通訊速率：2Mbps，由于具有較短的空氣傳輸時(shí)間，較大程度地降低了無線傳輸中的碰撞情況（軟件選取的數(shù)值為1Mbps或2Mbps）;

它滿足125溝通途徑，適合多點(diǎn)通信的需求，符合跳頻通信的需求。內(nèi)置2.4GHz天線，占用較小空間，15×29mm（包含天線）;

（四）蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)

該蜂鳴器使用5V電磁有源蜂鳴器，因?yàn)榉澍Q器的工作電流通常很大，因此蜂鳴器的I/O端口，單片機(jī)是不能直接驅(qū)動的，所以應(yīng)該使用晶體管開關(guān)電路來驅(qū)動。這個地方的三極管選擇8550，它是PNP類型的三極管。當(dāng)連接基極時(shí)與1K電阻串聯(lián)到單個芯片的I/O端口，當(dāng)I/O端口輸出為低時(shí)，三極管運(yùn)行，蜂鳴器開始工作;當(dāng)I/O端口輸出高電平，三極管停止運(yùn)行，同時(shí)蜂鳴器結(jié)束聲響。蜂鳴器電路如下圖所示。

（五）蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)

利用幾個單獨(dú)的按鈕電路，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，該課題中設(shè)計(jì)了按鍵電路。按鈕連接到電源通過單片機(jī)的I/O端口的一端供電。這是由于單片機(jī)的I/O當(dāng)未懸空時(shí)，默認(rèn)情況下處于高級別，當(dāng)在沒有鍵的情況下時(shí)，I/O時(shí)懸空狀態(tài)。在按下過程中，I/O端口電平降低。此種情況下，MCU僅循環(huán)檢測I/O口是否出現(xiàn)低電平，對是否按下按鈕進(jìn)行判斷，此種按鈕是金屬釋放的途徑，因此會產(chǎn)生振動波紋，在程序中適當(dāng)加上短暫的延時(shí)用于消抖即可。具體電路如圖2-2所示。

三、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

（一）主函數(shù)的設(shè)計(jì)

主要函數(shù)voidmain（）是程序的入口函數(shù)，一個完整的程序必須包含的內(nèi)容。通常被初始化為單片機(jī)和一些外圍組件以正確使用設(shè)備并在無限循環(huán)中初始化后，重新賦值，如果添加無限循環(huán)，運(yùn)行一次無限循環(huán)程序?qū)⑼顺觯绦驅(qū)⒉粩嘌h(huán)以達(dá)到實(shí)時(shí)的目的，執(zhí)行測試。在設(shè)計(jì)主程序時(shí)需要注意是主要功能，不應(yīng)傳遞更多代碼，具體代碼通常用于封裝函數(shù)，因此可以輕松閱讀修改內(nèi)容

在呼叫端上主要就是檢測按鍵信息然后將按鍵信息第一時(shí)間發(fā)送到接收端進(jìn)行處理，具體流程圖如圖3-1所示。

在接收端上，要不斷的接收呼叫端發(fā)送過來的信息、對按鍵的處理和實(shí)時(shí)顯示信息。具體流程圖如圖3-2所示。

（二） LCD1602顯示函數(shù)的設(shè)計(jì)

LCD1602的顯示只要根據(jù)制造商的時(shí)間要求去編程即可達(dá)到顯示的目的。液晶顯示器首先需要通過以下方式顯示地址，先寫命令，然后寫數(shù)據(jù)。地址是顯示第一個內(nèi)容時(shí)自動增加一個，地址寫完后函數(shù)名稱： （ ），參數(shù)： ，其中x和y代表LCD屏幕上的位置坐標(biāo)，* s是要顯示的字符數(shù)組。軟件會計(jì)算根據(jù)輸入的位置坐標(biāo)確定的地址顯示函數(shù)流程圖如3-3所示。

（三） NRF24L01收發(fā)函數(shù)的設(shè)計(jì)

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先，根據(jù) 序列，在 的緩沖區(qū)，寫入接收節(jié)點(diǎn)的地址 ，以及寫入有效數(shù)據(jù) 。在 寫入時(shí)， 應(yīng)當(dāng)處于低，同時(shí) 寫入一次發(fā)射即可。設(shè)置CE為高級別，并在其中至少保留10個us進(jìn)入發(fā)送模式，持續(xù)130微秒后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)射，對回復(fù)信號進(jìn)行接收，NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如3-4所示。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將MCU設(shè)置地址TX_ADDR的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，保持130微秒后，處于接收狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)有效地址和CRC被接收端檢測到，在RXFIFO中存儲數(shù)據(jù)包，并且設(shè)置中斷標(biāo)志位RX_DR為高，同時(shí)IRQ轉(zhuǎn)為低電平，出現(xiàn)中斷同時(shí)滿足MCU讀取數(shù)據(jù)，NRF24L01接收數(shù)據(jù)流程圖如下圖。

四、結(jié)束語

此次設(shè)計(jì)的無線呼叫系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢：穩(wěn)定性比較高，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力等等。本次設(shè)計(jì)使用PLC編程控制，可以很好的解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，并且還可以極大程度的縮減通訊的時(shí)間，大大的提高了通訊效率。用可編程控制器作為無線通訊系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，運(yùn)行的時(shí)候比較穩(wěn)定，通訊效果比較理想。

參考文獻(xiàn)

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