基于單片機的病床無線呼叫系統獲獎科研報告

基于單片機的病床無線呼叫系統獲獎科研報告

摘

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

關鍵詞：信無線病床呼叫;STC89C51單片機

一、系統設計方案

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顯示實時獲取信息，系統采用八個按鍵模擬八位病房的呼叫按鍵，當有按下數據從NRF24L01無線模塊傳輸到接收端中，接收端接收到有人呼叫（重復按如果前面的呼叫未被處理則本次呼叫無效）時蜂鳴器和LED燈會聲光提示有人呼叫，當多人進行呼叫時，液晶會按呼叫順序依次將變化顯示出來，當護士接收到呼叫時進行處理完成后按下“應答”鍵則可清除第一位呼叫的編號，后面的編號往前顯示。

本設計的具體的系統方案如下圖1-1所示。

二、硬件系統中主要模塊的設計

（一）STC89C51單片機系統介紹

STC89C51采用PDIP（40pin）和PLCC（44pin）封裝。在設計中，使用了直接插入式DIP40封裝。焊接時，可將IC插座先進行焊接，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，這些引腳可以單獨控制或在特定位的IO端口上同時進行控制，且不必定義輸入和輸出，為I0賦值時，IO端口將自動轉換為輸出，當讀取IO端口時，IO端口將自動轉換為輸入。

（二）LCD1602液晶顯示模塊介紹

LCD1602共有11條指令，可發(fā)送至LCD1602由單片機完成一些特定的屏幕清潔，開關顯示等功能。顯示屏也可使用自己的字庫進行顯示，當然，如果字庫中沒有字符，也能夠按照需求，對字符進行自定義，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，對應的數量有限，應當對其進行合理分配，上限為8個，對字符字體進行自定義，輸入CGROMLCD后，能夠根據需要進行調用，調用方式，類似于正常顯示字符。只需LCD1602能夠實現狀態(tài)的讀取，指令的寫入，數據的讀取和寫入就可以。具體的操作對應的引腳電平如表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，選取數據寄存器，RS=L條件下，指令選擇寄存器;R/W為信號線R/W=H條件下，實現讀取，R/W=L條件下，實現寫入。

（三）NRF24L01芯片介紹

NRF24L01屬于無線通訊芯片，通過NORDIC公司對FSK調制進行利用，同時集成了ShortBurst協議，實現了內部增強，能夠適應點對點，或者滿足1對6無線通訊。無線通訊速度能夠實現2M（BPS）。嵌入式工程師只要能夠對MCU系統留有5個GPIO，以及1個中斷輸入引腳，就能夠完成無線通訊，有利于單片機實現無線通訊功能，具體特點如下以下。

它在2.4GHz國際通用ISM頻段，其傳輸功率高達0dBm。它支持六個通道的無許可證數據接收。

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（軟件選取的數值為1Mbps或2Mbps）;

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

（四）蜂鳴器電路的設計

該蜂鳴器使用5V電磁有源蜂鳴器，因為蜂鳴器的工作電流通常很大，因此蜂鳴器的I/O端口，單片機是不能直接驅動的，所以應該使用晶體管開關電路來驅動。這個地方的三極管選擇8550，它是PNP類型的三極管。當連接基極時與1K電阻串聯到單個芯片的I/O端口，當I/O端口輸出為低時，三極管運行，蜂鳴器開始工作;當I/O端口輸出高電平，三極管停止運行，同時蜂鳴器結束聲響。蜂鳴器電路如下圖所示。

（五）蜂鳴器電路的設計

利用幾個單獨的按鈕電路，實現人機交互，該課題中設計了按鍵電路。按鈕連接到電源通過單片機的I/O端口的一端供電。這是由于單片機的I/O當未懸空時，默認情況下處于高級別，當在沒有鍵的情況下時，I/O時懸空狀態(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口是否出現低電平，對是否按下按鈕進行判斷，此種按鈕是金屬釋放的途徑，因此會產生振動波紋，在程序中適當加上短暫的延時用于消抖即可。具體電路如圖2-2所示。

三、系統軟件部分設計

（一）主函數的設計

主要函數voidmain（）是程序的入口函數，一個完整的程序必須包含的內容。通常被初始化為單片機和一些外圍組件以正確使用設備并在無限循環(huán)中初始化后，重新賦值，如果添加無限循環(huán)，運行一次無限循環(huán)程序將退出，程序將不斷循環(huán)以達到實時的目的，執(zhí)行測試。在設計主程序時需要注意是主要功能，不應傳遞更多代碼，具體代碼通常用于封裝函數，因此可以輕松閱讀修改內容

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間發(fā)送到接收端進行處理，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、對按鍵的處理和實時顯示信息。具體流程圖如圖3-2所示。

（二）LCD1602顯示函數的設計

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

（三）NRF24L01收發(fā)函數的設計

發(fā)送數據時，首先，根據序列，在的緩沖區(qū)，寫入接收節(jié)點的地址，以及寫入有效數據。在寫入時，應當處于低，同時寫入一次發(fā)射即可。設置CE為高級別，并在其中至少保留10個us進入發(fā)送模式，持續(xù)130微秒后，實現數據的發(fā)射，對回復信號進行接收，NRF24L01發(fā)送數據流程圖如3-4所示。

接收數據時，首先將MCU設置地址TX_ADDR的發(fā)送節(jié)點，保持130微秒后，處于接收狀態(tài)，等待數據的發(fā)送。當有效地址和CRC被接收端檢測到，在RXFIFO中存儲數據包，并且設置中斷標志位RX_DR為高，同時IRQ轉為低電平，出現中斷同時滿足MCU讀取數據，NRF24L01接收數據流程圖如下圖。