醫(yī)院無限護理呼叫系統(tǒng)設計

1、醫(yī)院無線護理呼叫系統(tǒng)的設計醫(yī)院無線護理呼叫系統(tǒng)的設計第1章 緒論病床呼叫系統(tǒng)是病人請求值班醫(yī)生或護士進行診斷或護理的緊急呼叫工具。可將病人的請求快速傳送給值班醫(yī)生或護士，是提高醫(yī)院和病室護理水平的必備設備之一1。1.1課題意義及相關研究動態(tài)伴隨著醫(yī)療體制改革的不斷深化和醫(yī)療事業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的人們需要迅捷、方便地得到醫(yī)院的各種各樣的醫(yī)療服務，這必將使醫(yī)院之間的競爭日趨激烈。這使得衡量一個醫(yī)院的綜合水平高低，不再僅僅局限于軟、硬件的建設上，更要比服務。原有的服務體系已不足以適應現(xiàn)代社會需求，謀求適合現(xiàn)代社會需求的客戶服務系統(tǒng)，是所有企事業(yè)單位計劃做或正在做的工作。這些工作有利于改善服務量，

2、提高效率并增加企業(yè)效益，從而贏得良好的社會聲譽。如何利用先進的信息技術為醫(yī)院服務，更大程度的提高醫(yī)院的服務質(zhì)量及利潤，是醫(yī)院信息化建設中的一個重要著眼點2。醫(yī)院的競爭越來越激烈，商業(yè)醫(yī)院的生存是第一位的，提升檔次和服務質(zhì)量迫在眉睫，陪護問題一直是醫(yī)患矛盾的主體，也是長期困擾衛(wèi)生系統(tǒng)服務質(zhì)量的大問題，使用無線呼叫系統(tǒng)，方便病人更快找到醫(yī)生，以節(jié)約病人的寶貴時間3。臨床呼叫求助裝置是傳送臨床信息的重要手段，關系病員安危，傳統(tǒng)的有線呼叫系統(tǒng)歷來受到各大醫(yī)院的普遍重視。如果采用無線傳輸，會節(jié)約布線和改造線路的資金，為醫(yī)院節(jié)約成本，并且及時、準確、可靠，簡便可行，必然比目前的同類產(chǎn)品更能受到醫(yī)院及病人的

3、認可，有更強的競爭力，必然能大量推廣4。數(shù)據(jù)的碰撞問題即無線通信中的多路存取問題。我們把多個通信通路競爭一個通信信道的通信方式叫做多路存取。由于每個通信通路都有規(guī)定的通路容量，  且通路容量是由這個通信通路的最大數(shù)據(jù)傳輸率以及供它使用的時間片確定的，  故分配給每個用戶的通路容量必須滿足：當有多個發(fā)射器同時把數(shù)據(jù)傳輸給同一個接收器時，不能出現(xiàn)互相干擾5。傳統(tǒng)的病房呼叫系統(tǒng)采用的都是有線傳輸，很難做到隱蔽和美觀，安裝維護都不方便，抗電氣干擾能力也不強6。為克服以上的不足，本文介紹一種無線的病房呼叫監(jiān)護系統(tǒng)，醫(yī)院的病房里每個床位邊都裝有一個呼叫按鈕，當病人需要幫助時，按下呼叫按

4、鈕，護土辦公室里呼叫顯示板上相應房間號的指示燈點亮并報警，值班護土一看就知道哪個房間的病人需要幫助或需要進行搶救。在走廊里也安裝一個顯示牌，為便于護士查看。具有如下特點：應用單片機進行編譯碼，可實現(xiàn)多點無線尋呼，互不干擾，并且擴展方便。呼叫者按動按鈕后，系統(tǒng)在顯示呼叫者病床號同時，電路發(fā)出報警聲。若同時有多處呼叫時，先將呼叫者地址存儲，再排隊循環(huán)顯示，并可以翻查或刪除記錄。有效隔離電氣干擾，增加系統(tǒng)操作的安全性和可靠性。工作穩(wěn)定可靠，使用靈活方便。對無線呼叫系統(tǒng)來說，中央服務器與呼叫器之間只存在很短的動作周期，  這種周期被較長的不等非工作間歇所中斷。呼叫器發(fā)出的數(shù)據(jù)在數(shù)十毫秒的時間

5、內(nèi)被鑒別，讀出和寫入，接著，主機在較長的時間內(nèi)不會接收到呼叫器發(fā)出的信號。但這并不意味我們不需要考慮多個呼叫器同時向服務器傳輸數(shù)據(jù)的可能性。我們需要的是一種高效的多路存取法，使用戶感覺不到時間的損失就完成了數(shù)據(jù)的區(qū)分、顯示及對用戶的響應。由于單片機具有功能強、體積小、價格低等一系列優(yōu)點，在各個領域都有廣泛的應用，有力地推動了各行各業(yè)的技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代。近年來設計生產(chǎn)的呼叫器已普遍采用了單片機，使其功能大為增強。同時，值班室與病房間的連線也大大減少，布線簡潔方便，迎合了醫(yī)院追求環(huán)境整潔的需要。即便如此，但還是無法擺脫電線的束縛，布線麻煩，遇到病房擴建或改造，系統(tǒng)則需要重新布線，產(chǎn)品的重復使

6、用率低，致使成本增加，需要新一代的產(chǎn)品來改善。目前市售的各種呼叫器均不具備記錄功能，而在臨床實踐中發(fā)現(xiàn)，如果遇到幾個病床同時呼叫，則會造成數(shù)據(jù)丟失，浪費病人寶貴時間。如果主機如能記錄同時呼叫的床號存儲起來、這對于醫(yī)生的護理將大有好處。本文使用AT89C51單片機為核心開發(fā)設計新型分布式呼叫系統(tǒng)，每個分機有唯一的地址碼，主機對呼入的號碼進行存儲，確保呼叫信息不丟失，終端數(shù)碼管循環(huán)顯示呼叫地址及聲音報警，并采用專用的無線收發(fā)芯片，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。并且主機在發(fā)送呼叫信息前先發(fā)出握手信息，然后等待主機的回應，得到回應后再發(fā)送地址信息，防止發(fā)生與其他分機呼叫發(fā)生沖突，造成主機解碼錯誤7。1.2 課題要求

7、利用無線收發(fā)模塊，設計出多路醫(yī)院無線護理呼叫系統(tǒng)，使病人能隨時呼叫護士，同時在走廊顯示病床號，具體要求如下：1病人按分機上的按扭，主機的LED屏立即顯示呼叫的床位。2可服務于多個個床位，并可以擴展。3每臺分機使用撥盤開關確定地址，可以隨意設置，并且分機在呼叫主機時互不干擾，互不串號。4采用高頻技術，呼叫距離500米左右，性能穩(wěn)定可靠。5當護理人員離開崗位時，主機自動儲存最新呼叫的病床號碼。6主機循環(huán)顯示最新呼叫的病床的號碼。7護理人員已經(jīng)服務過的病床可立即刪除該床位號碼，避免多個服務員重復服務于一個床位。1.3 系統(tǒng)主要技術性能指標1最大分機容量：256門2最遠距離：800米3電源：主機交流2

8、20V  50Hz市電   分機 2節(jié)1.5V電池4發(fā)射頻率：433MHZ5工作溫度：-20CO +40CO6功耗：主機5W   分機1W第2章 方案論證及選擇針對課題要求和參數(shù)，現(xiàn)有有線和無線兩種方式可以實現(xiàn)，有線傳輸采用總線分時響應，無線有雙音多頻(DTMF)編碼和射頻元件單片機控制方案，下面對目前主流的方案進行介紹。2.1方案論證2.1.1采用有線分區(qū)響應集中控制方案該方案系統(tǒng)構成框圖和原理框圖分別如圖2.1和圖2.2所示。從系統(tǒng)方框圖可以看出，各呼叫單元和響應單元用總線方式相聯(lián)。內(nèi)部總線包括數(shù)據(jù)線DATA、呼叫線LINE、+5

9、V、GND。其中+5V為各呼叫單元和響應單元提供工作電源，DATA線上傳送主機發(fā)出的地址串行碼，用于選通指定的呼叫單元或響應單元，LINE線則用來檢測是否有呼叫請求8。主機通過一條內(nèi)部總線與系統(tǒng)各部件相連,構成說明如下：1系統(tǒng)主機由控制器、發(fā)碼器、線路狀態(tài)檢測器等構成。2各呼叫單元由解碼器、電子開關、呼叫按鈕等構成。3各響應單元由解碼器、顯示器、蜂鳴器等構成。主機將眾多呼叫單元分為若干組，每一組呼叫單元與一響應單元構成一個分區(qū)，分區(qū)內(nèi)的呼叫按鈕由這一響應單元管理。主機中控器通過發(fā)碼器向各呼叫單元發(fā)碼掃描、如線路狀態(tài)檢測器檢測到LINE上出現(xiàn)有效電平，則當前地址的呼叫按鈕定有呼叫請求。于是主機通

10、過DATA線發(fā)碼選通這一呼叫按鈕所在分區(qū)的響應單元，并發(fā)送呼叫按鈕號碼信號，響應單元的解碼器解碼成功后，打開蜂鳴器發(fā)出提示音，并在顯示器上顯示呼叫按鈕號碼。圖2.1 系統(tǒng)結構框圖    圖2.2 系統(tǒng)原理示意圖該方案將上千個呼叫按鈕并接在一條總線上，與電力線的布局完全相同，且對呼叫信號采取分區(qū)響應集中控制的措施，是一種容量大、響應快的總線型結構呼叫系統(tǒng)。但是本系統(tǒng)成本還是擺脫不了有線的束縛，有線尋呼仍然無法避免布線繁瑣，成本高，擴展和修理困難的問題。2.1.2 采用DTMF編碼方案該方案采用和家用無繩電話相似的原理，系統(tǒng)由呼叫器和主機組成，原理框圖如圖2

11、.3和圖2.4所示。圖2.3 呼叫器原理方框圖  圖2.4 接收器原理方框圖采用該方案需要參照我國1985年對開發(fā)和使用無繩電話的行政管理規(guī)定，規(guī)定無繩電話機的工作頻點為20組每組頻道間隔為25kHz無繩電話機座機的發(fā)射功率不得超過50mW、手機發(fā)射功率不得超過20mW，以及其它規(guī)定都必須遵照執(zhí)行，并且需要申請相關許可證。由于發(fā)射功率較小，發(fā)射距離受到很大約束，若傳輸距離較遠，則需要加裝轉發(fā)器和多路控制器。且系統(tǒng)的容量較小，需要采用隨機請求按需分配方式的一點多址通信協(xié)議（純ALOHA協(xié)議）9。該無線方案能實現(xiàn)呼叫的功能，但是傳輸距離近，系統(tǒng)容量小。而且電路復雜，造成成本高，

12、呼叫器體積也不可能做的很小，而且很難保證工作穩(wěn)定，增加了故障發(fā)生幾率。2.1.3射頻元件和單片機控制方案該方案系統(tǒng)由呼叫器和主機構成，使用射頻收發(fā)芯片，使系統(tǒng)工作在ISM頻段433MHz附近，該頻段無需申請許可證。使用單片機編碼/解碼，每個呼叫器有一個唯一的識別碼，并且識別碼可以隨時修改。當用戶按發(fā)射鍵后，識別碼被發(fā)射出去，等待接收器的響應，主機接收到服務申請后，根據(jù)識別碼鑒定出是由哪一臺呼叫器發(fā)出的申請，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識別號。如果有幾個呼叫器在短時間里同時呼叫，主機則按照先后順序存儲起來，在按順序輪換顯示10。系統(tǒng)方框圖如圖2.5和圖2.6所示。圖2.5 呼叫器原理方框圖

13、60;     圖2.6 接收主機原理方框圖該方案原理簡潔，由于使用集成度很高的芯片，同時使用單片機編碼，由撥碼開關確定呼叫器地址號，所以該系統(tǒng)擴展十分方便，只需要增加呼叫器的數(shù)量就可以，具有很多傳統(tǒng)呼叫系統(tǒng)不具備的優(yōu)點。2.2 方案選擇方案一為有線呼叫系統(tǒng)，發(fā)生故障后，查詢和排除故障非常麻煩，有線呼叫系統(tǒng)還需另外支付布線材料費和人工費，其總價比無線產(chǎn)品高很多，遇到科室改建或擴建，原系統(tǒng)必須拆除，有線產(chǎn)品的重復使用率低，致使成本增加，所以傳統(tǒng)的有線呼叫系統(tǒng)已經(jīng)沒有很大的開發(fā)價值。方案二采用DTMF編碼，使用的頻段需要遵照國家相關法律，法律對這個頻段的無線

14、電設備有嚴格要求，并且需要申請相關許可證，該方案電路比較復雜，造價相對也高很多，并且想要增加分機數(shù)量還需要對主機進行相應改變，擴展起來比較麻煩。方案三使用專用的射頻模塊，并使用單片機控制，原理簡單，主要功能靠單片機編程實現(xiàn)，使用的芯片集成度高，性能穩(wěn)定，節(jié)能并且造價相對也低。通過對以上三種方案的比較，所以這里將使用第三種方案。第3章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)分為呼叫分機和接收主機，分機用來進行呼叫，編碼使用單片機完成，分機的核心電路即是單片機與射頻芯片的連接電路。主機負責接收分機發(fā)來的信號，并進行解碼、顯示和報警，主機上還設有鍵盤用于翻查和刪除，所以主機上應接有鍵盤、顯示和報警電路。3.1 系統(tǒng)原理框

15、圖系統(tǒng)的主要原理框圖見圖3.1和圖3.2。                      圖3.1 呼叫分機原理框圖圖3.2 接收主機原理框圖3.2 主要元器件介紹在該系統(tǒng)中將使用射頻芯片nRF401做無線收發(fā)芯片，主機使用單片機AT89C51解碼器和控制器，分機使用AT89C2051作為編碼器和控制器，下面對這幾個芯片做詳細介紹。3.2.1 nRF401介紹1 . nRF401主要性能nR

16、F401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的單芯片RF收發(fā)機，專為在433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療) 頻段工作而設計。所有高頻元件包括電感、濾波器、振蕩器都全部集成在芯片內(nèi)部，使得它性能穩(wěn)定、一致性好、成本低、體積小，它是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK 調(diào)制、FSK解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。nRF401 的外圍元件很少，僅10個左右。只包括一個4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個PLL環(huán)路濾波器和一個VCO電感，收發(fā)天線合一，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。主要技術特性見表3

17、.1 所示，其內(nèi)部結構如圖3.4所示。表3.1 nRF401主要技術指標參數(shù)數(shù)值單位頻率，頻道1/頻道2433.92/434.33MHZ調(diào)制方式FSK調(diào)制度±15KHZ最大輸出發(fā)射功率400，3V10dBm靈敏度400，BR=20kbit/s-105dBm最大速率20Kbit/s工作電壓2.7-5.25V接收電流250uA發(fā)射電流-19dBm輸出8mA待機電流8uA圖3.4  nRF401內(nèi)部框圖nRF401使用具有較強抗干擾能力的FSK頻率(Frequency-ShiftKeying)調(diào)制方式，改善了噪聲環(huán)境下的系統(tǒng)性能，采用DSS+PLL頻率合成技術， 工作頻率穩(wěn)定可靠

18、。與ASK幅移鍵控(Amplitude-ShiftKeying)和OOK開關鍵(On-Off Keying)方式相比，這種方式的通信范圍更廣，特別是在附近有類似設備工作的場合11。其主要特性如下:1工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段 ，2FSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合，3采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性極好，4靈敏度高，達到-105dBm（nRF401），5功耗小，接收狀態(tài)250mA，待機狀態(tài)僅為8uA，6最大發(fā)射功率達 +10dBm 。7低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設備的要求。8具有多個頻道，可方便地切換工作頻率 。9工作速率最高可達20Kbit/s（RF401）。10僅

19、外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，基本無需調(diào)試。11因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離最遠可達1000米 (與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關) 12。nRF401 無需外接昂貴的變?nèi)荻O管，而其他競爭產(chǎn)品大多需要外接變?nèi)荻O管、聲表面波濾波器件等。這些芯片一般需要進行曼徹斯特編碼后才能傳輸，在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達到標稱速率（實際速率）的1/3，因此大大增加了軟件的工作量和產(chǎn)品開發(fā)的難度。而nRF401系列獨特的技術可以直接傳送單片機串口數(shù)據(jù)，應用及編程非常簡單，

20、抗干擾能力強，傳送的效率很高，且使用很方便。nRF401采用小型20引腳SSOP封裝，管腳數(shù)和體積最小，采用非常緊湊的電路板布局，有利于減少PCB面積，降低成本，適合便攜式產(chǎn)品的設計，也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。3V直流電源供電。接收電流低，僅為11mA，而且在輪流檢測（Polling）模式時可以通過周期性暫停的方法使其更低，以延長電池壽命。它還提供進一步降低電流消耗的待機模式。nRF401另一個非常重要的特性是主機的頻帶外阻抗很高(out-of-band blocking)，這意味著它不需要外部聲表面波（SAW）濾波器。此外nRF401的解調(diào)器是DC平衡的，因此可以使用任何一種協(xié)議，也可以使用各種0

21、、1序列，因而無需浪費單片機寶貴的處理資源來進行曼徹斯特編碼。nRF401的串口可以與任何單片機接口，也不需要進行設置，應用及編程非常簡單，可直接傳輸串口數(shù)據(jù)，傳送的效率很高，是一種能方便地與各種單片機配合使用的方案。2. nRF401引腳介紹    nRF401的引腳如圖3.5所示，各引腳功能如下：圖3.5 nRF401引腳圖CS：頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，即433.92MHz；CS=1選擇工作頻道2(即434.33MHz)。連接AT89C51的P2.5腳。DOUT：數(shù)據(jù)輸出，連接AT89C51串口RXD。DIN：數(shù)據(jù)輸入，連接AT89C51串口TXD。

22、PWR-UP：節(jié)能控制，PWR-UP=1正常工作狀態(tài)，PWR-UP=0低功耗節(jié)能狀態(tài)。連接AT89C51的P2.6腳。TXEN：發(fā)射接收控制，TXEN=1時，nRF401為發(fā)射狀態(tài)。TXEN=0時，nRF401為接收狀態(tài)。連接AT89C51的P2.7腳。ANT1和ANT2是接收時信號的輸入，以及發(fā)送時功率放大器的輸出。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的。在天線端推薦的負載阻抗是400歐姆。3.10是一個典型的采用差分方式的原理圖。射頻功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管，配制成差分配對方式，功率放大器的VDD必須通過集電極負載，當采用差分環(huán)形天線時，VDD必須通過環(huán)形天線的中

23、心輸入。為了減少分布參數(shù)的影響，在PCB應該避免長的電源走線，所有元件地線，VDD連接線，VDD去耦電容必須離nRF401盡可能的近。nRF401的電源必須經(jīng)過很好的濾波，并且與數(shù)字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦，最好是一個小電容和一個大電容相并聯(lián)。PCB板頂層和底層最好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連，再將VSS腳連接到敷銅面。所有開關信號和控制信號都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。3. nRF401的典型連接 圖3.6 nRF401典型連接圖nRF401的典型應用連接圖如圖3.6所示，可直接用于單片機或計算機RS-232串

24、口異步傳輸從圖中可以看到，外圍元件很少，包括一只基準晶振及幾只無源器件，沒有調(diào)試部件，天線用微帶天線直接設計在線路板上，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。圖中L1電感需要用高Q值高精度的貼片繞線高頻電感(Q>45)，晶振X1需要用高穩(wěn)定晶振，電容元件應選用高穩(wěn)定貼片元件如NPO高穩(wěn)定電容，以確保性能。nRF401是單片集成收發(fā)芯片，可工作于433.92MHz/434.33MHz兩個頻道，最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，調(diào)制方式為FSK，功耗低，且發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率為+10dBm。當工作于待機模式時，待機電流僅為8uA，因此很適合用于便攜式的無線通信設備中。連接nRF401的天線是

25、以差分方式連接到nRF401的。在實際設計中，呼叫器的天線采用差分環(huán)型天線，這種天線可直接刻蝕在PCB板上，使用起來十分方便。3.2.2 單片機AT89C51介紹1.AT89C51主要功能ATMEL的AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51是一個低功耗高性能

26、單片機，它有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能的單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功

27、能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C2051單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案13。2. AT89C51引腳介紹AT89C51的引腳如圖3.7所示，各引腳功能如下：圖3.7 AT89C51引腳圖Vcc：供電電壓。Vss：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時

28、，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存

29、取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊管腳備選功能，如下所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外

30、部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入，當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是，每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如

31、想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號,在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET，當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源。XT

32、AL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以

33、在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3.2.2 單片機AT89C2051介紹1. AT89C2051主要功能它是一個低電壓，8位高性能CMOS單片機，片內(nèi)含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大A

34、T89C2051單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。AT89C2051是一個功能強大的單片機，但它只有20個引腳，15個雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是一個完整的8位雙向I/O口，兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數(shù)器，兩個全雙向串行通信口，一個模擬比較放大器。同時AT89C2051的時鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時/計數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)RAM將被凍結，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復位方可繼續(xù)運行14。2. AT89C2051引腳介紹AT89C2051具體引腳如圖

35、3.8所示。圖3.8 AT89C2051引腳圖從圖3.8可以看出，AT89C2051單片機是AT89C51的精簡版，有20個引腳。它集成了AT89C51的整個內(nèi)核，除了沒有P0和P1口外，內(nèi)部結構與指令系統(tǒng)同AT89C51完全一樣，且內(nèi)置2k FLASHROM。利用它開發(fā)智能產(chǎn)品極為方便，電路系統(tǒng)體積小，成本低，連線少，工作可靠。3.3 分機電路設計分機使用便攜式設計，采用電池供電，在選用元件時候需要考慮到功耗和體積，還需要考慮芯片工作的最低電壓的問題。所以單片機選用AT89C2051，它只有20個引腳，結構精簡，體積也小，功耗低，而且在3V的電壓下就能穩(wěn)定工作。它具有AT89C51的內(nèi)核，指

36、令系統(tǒng)也一樣。分機上所需要的I/O口很少，使用AT89C2051完全能滿足要求。3.3.1 分機號碼設定電路的設計分機采用8位撥碼開關手動定位來確定分機的地址，分機數(shù)量最多可以擴展至256個。若需要將分機移至別的病床，則只需要改變撥盤開關的狀態(tài)，即可改變分機的號碼。如果需要增加床位，則只需要增加分機的數(shù)量，每個分機在軟硬件上完全一樣，只需要在撥盤開關上設置地址碼即可，無需在主機上做任何改變，十分方便，具體電路如圖3.9所示。       圖3.9 分機號碼設定電路3.3.2 分機nRF401與AT89C2051主連接電路的設計

37、0;  nRF401有休眠（Standby）、接收（RX）和發(fā)射（TX）三種工作狀態(tài)，由nRF401的引腳功能可知，這三種狀態(tài)間的切換由PWR-UP、TXEN的狀態(tài)可以確定，DIN、DOUT是串行通信口，分別與單片機的串行通信口相連，CS腳則選擇工作頻率。因此nRF401與單片機的連接電路圖如圖3.10。         圖3.10 收發(fā)模塊與單片機連接電路圖在分機上有一個信息確認燈，在信息發(fā)送成功后確認燈閃亮1秒，確認燈選用普通直徑5mm的紅色發(fā)光二極管，點亮電壓為1.8V，額定工作電流為30mA，因此

38、可以由單片機的I/O口直接點亮，限流電阻選用100，工作電流即可以滿足要求。3.3.3 分機天線設計使用簡單的差分輸入式天線，不需要使用拉桿式天線，可以將天線直接印制在PCB板上，更減小了分機的體積，成本也進一步降低。其典型的PCB板印制天線如圖3.11。圖3.11 nRF401典型差分輸入式印制天線在本設計中，使用nRF401與單片機進行串口通信，只需要將它的數(shù)據(jù)輸入口（DIN）和數(shù)據(jù)輸出口（DOUT）分別與單片機的TXD與RXD連接即可。在系統(tǒng)開機后，需要將芯片置于接收或發(fā)射狀態(tài)。由于分機使用電池供電，還需要考慮節(jié)約電能的問題。nRF401芯片設計了一個節(jié)能的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)，所以當芯片沒

39、有發(fā)送數(shù)據(jù)，閑置一段時間后，需要將其進入休眠狀態(tài)，等到再次需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候再喚醒，要實現(xiàn)以上切換，需要用單片機來控制它的PWR-UP、CS、TXEN三個腳即可實現(xiàn)15。圖3.11是連接的原理圖。3.3.4 分機電源電源設計   由于nRF401工作電壓范圍為2.7V-5.25V，分機采用兩節(jié)1.5V電池供電，即可滿足AT89C2051的供電要求。3.4主機電路設計從系統(tǒng)的原理框圖可知，主機系統(tǒng)分電源、顯示、報警、鍵盤等部分。3.4.1 主機nRF401與AT89C2051主連接電路的設計    主機工作時也要進行狀態(tài)切換、頻率選擇和串行通信，

40、實現(xiàn)的方法與分機的一樣所以連接電路和分機的一樣，不需要做任何改變。3.4.2主機電源電路的設計由于主機不需要移動，因而可以采用市電交流220V供電，交流經(jīng)變壓器后輸出6V交流經(jīng)整流濾波后使用三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓，輸出5V直流供主機使用，圖中C4、C5、C6為單片機和收發(fā)芯片的退耦電容。 直流穩(wěn)壓電源見圖3.12。   圖3.12 主機直流穩(wěn)壓電源圖中三端穩(wěn)壓器采用CW7805，CW7805特性參數(shù)為: ，最小輸入電壓為+7V，最大輸出電流為1A.變壓器副邊輸出電壓 ，變壓器副邊輸出電流 ，取I2=1A，變壓器副邊輸出功率由上分析，副邊輸出電

41、壓可取12V，輸出電流為1A，為留有余地，一般選功率為10W的變壓器.整流二極管選1N4001，其極限參數(shù)為 ，而 ，因為 ，而所以濾波電容C的耐壓應大于 .3.4.3 顯示電路的設計顯示電路采用LED共陽極接法，使用鎖存器74LS373來點亮，采用動態(tài)顯示，由P1口輸出LED的片選信號，由于系統(tǒng)所允許的最大分機數(shù)量為256路，所以只需要3位LED就可以了。單個的顯示電路如圖3.13。 圖3.13  LED顯示電路3.4.4 鍵盤電路設計主機上的鍵盤總共需要兩個，即翻查鍵和刪除鍵，連接圖見圖3.14。圖3.14 主機鍵盤電路3.4.5

42、 報警電路的設計主機在接受到呼叫后，首先進行報警告知值班人員。報警電路可以用單片機P2.0輸出1KHz和500Hz的音頻信號經(jīng)放大后驅動揚聲器，做報警信號，要求1KHz信號響100ms，再500Hz信號響200ms，交替進行，使用單片機內(nèi)部電路觸發(fā)。這里使用音頻放大器LM386，它的工作電壓為4-12V，輸出功率最大可達1W，輸入阻抗為50K16。報警發(fā)聲電路見圖3.15。        圖3.15 主機報警發(fā)聲電路3.4.6 走廊顯示電路的設計驅動顯示電路主要包括大型LED數(shù)碼管BSl20-1(共陽極，數(shù)字凈高12厘米)和

43、高電壓大電流驅動器ULN2003大型LED數(shù)碼管的每段是由多個LED發(fā)光二極管串并聯(lián)而成的，因此導通電流大、導通壓降高，如BSl20-1，當每段的導通電流為60mA時，每段的導通壓降約10V因此，大型LED數(shù)碼管的驅動必須用大電流、高電壓驅動器。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列電路，它具有7個獨立的反相驅動器，每個驅動器的輸出灌電流可達500mA，導通時輸出電壓約1V，截止時輸出電壓可達50VULN2003的1至7腳為信號輸入腳，依次對應的輸出端為16至10腳，8腳為接地端。當驅動電源電壓為+12V時，若要求數(shù)碼管每段導通電流為40mA，則每段的限流電阻為50。若不需要顯示小數(shù)點或固

44、定顯示某位小數(shù)點時(可把該位LED的小數(shù)點引腳經(jīng)限流電阻接地)，則一塊ULN2003恰好驅動個LED數(shù)碼管的7段。大數(shù)碼管采用共陽極接法，低電平有效。鎖存器輸出的電平經(jīng)NPN三極管9014反相后，再由ULN2003放大后推動大數(shù)碼管顯示。走廊顯示采用需要+12V直流電源，所以需要另外設計電源，只需要將主機電源的穩(wěn)壓芯片7805換為7812即可，其他電路不變，輸出的電壓為12V，即可滿足要求。具體電路圖見圖3.16所示。 圖3.16 走廊顯示電路3.5系統(tǒng)總體設計根據(jù)以上個部分的設計，本系統(tǒng)主要由呼叫分機、接收主機和走廊顯示電路組成。其分機電路具體見附錄A，主機電路見附錄B，走廊顯示電

45、路見附錄所示。第4章 系統(tǒng)軟件設計   系統(tǒng)的設計分主程序和顯示報警鍵盤等子程序設計，主程序設計中包括通信協(xié)議和收發(fā)程序的設計。4.1 通信協(xié)議設計為了保證通信成功，通信雙方必須嚴格遵循通信協(xié)議的約定。由于nRF401的最大數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，為獲得主機和呼叫器之間較大的通信速率，單片機的系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz時，我們將串口的波特率選定在19.2kbps。為了節(jié)能，nRF401平時大多數(shù)情況下應處于關閉狀態(tài)，由于無線部分硬件上是不具備自動喚醒功能的，為了達到節(jié)能的目的，必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時不丟失數(shù)據(jù)。平時分機處于休眠狀態(tài)，當掃描到發(fā)射鍵按

46、下時，呼叫器向主機發(fā)出地址信號，再進入接受狀態(tài)等待回應。主機接收到地址信號后發(fā)回呼叫成功信號，分機接到成功信號后表示成功的發(fā)光二極管點亮一下，然后分機進入休眠狀態(tài)。由于主機使用交流電源供電，可以不考慮能源的問題，為了避免數(shù)據(jù)丟失和增加系統(tǒng)的復雜程度，接受芯片不進入休眠狀態(tài)，而直接在接收和發(fā)射狀態(tài)間切換。4.2 系統(tǒng)總流程圖4.2.1 分機系統(tǒng)流程圖設計分機在開機后首先初始化，然后就進入休眠狀態(tài)以節(jié)省電能。單片機查詢式掃描發(fā)射鍵，如果沒有按下則繼續(xù)等待，如果掃描到發(fā)射鍵按下，系統(tǒng)便掃描撥碼開關的狀態(tài)以確定地址碼，然后將射頻芯片置于發(fā)射狀態(tài)并且開始地址碼傳送，地址碼傳送完畢后再將射頻芯片回到接收狀

47、態(tài)等待確認信息，確認信息收到后點亮確認燈一秒，然后休眠狀態(tài)等待，如此循環(huán)工作。其總流程如圖4.1所示。圖4.1分機流程圖4.2.2 主機系統(tǒng)流程圖設計主機開機便進行初始化，然后進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)等待，當接收到呼叫信號后，便進行存儲，然后調(diào)用顯示子程序進行循環(huán)顯示，然后給呼叫器發(fā)送出回應信號，發(fā)送完畢后，射頻芯片再次置于接受狀態(tài)等待信息，其總流程圖如圖4.2。圖4.2 主機流程圖4.2.3 提示音子程序設計主機報警程序使用單片機輸出1KHz和500Hz的音頻信號驅動揚聲器，作報警信號，要求1KHz信號響100ms，500Hz信號響200ms，交替進行，500Hz信號周期為2ms，信號電平為每1ms

48、變反1次，1KHz的信號周期為1ms，信號電平均每500us變反1次。流程圖見圖4.3。圖 4.3報警子程序流程圖4.2.4 顯示子程序設計P1.5、P1.6和P1.7端口分別控制數(shù)碼管的個位十位和百位的供電，當相應的端口變成低電平時，驅動相應的三極管會導通，+5V通過驅動三極管給數(shù)碼管相應的位供電，這時只要所存器口送出數(shù)字的顯示代碼，數(shù)碼管就能正常顯示數(shù)字。因為要顯示幾位不同的數(shù)字，所以必須用動態(tài)掃描的方法來實現(xiàn)，就是先個位顯示160us，再十位顯示160us，再百位顯示160us，不斷循環(huán)，這樣只要掃描時間小于1/50秒，就會因人眼的視覺殘留效應，看到幾位不同的數(shù)字穩(wěn)定顯示。這個系統(tǒng)的顯示

49、部分采用LED共陽極接法，采用動態(tài)顯示，首先將顯示的個十百位分別存放，然后逐個取出進行顯示，為了防止閃爍每位LED顯示160us的時間，為了防止重影，當一位顯示完畢后立刻將其關閉，然后進行下一位的顯示。動態(tài)顯示流程圖見圖：圖4.4動態(tài)顯示流程圖4.3 系統(tǒng)程序設計由于分機采用電池供電，為了延長電池使用壽命，需要考慮節(jié)能和低功耗的設計。nRF401在休眠狀態(tài)時電流消耗在微安級別。所以在不發(fā)射數(shù)據(jù)的時候可將芯片置于休眠狀態(tài)以節(jié)省電能，等到需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候在切換到發(fā)射模式。在分機發(fā)送握手信號后，還要等待主機的回應，這也需要將芯片從發(fā)射狀態(tài)切換至接受狀態(tài)，這三種狀態(tài)之間的切換靠以下方法來實現(xiàn)：當從R

50、X切換到TX模式時，數(shù)據(jù)輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數(shù)據(jù)。當從TX切換到RX時，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時，經(jīng)過TSR時間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對 nRF401來說，TST最長的時間是3ms。從待機模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時間是TST。從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機時產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當由上電進入發(fā)射模式時，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。從上電到接收模式過程中，芯片將不會接收數(shù)據(jù)，DOUT也不

51、會有數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個時間可以縮短到3ms。表4.1 nRF401各種狀態(tài)切換的時延狀態(tài)切換名稱時延條件TX至RXTtr3ms工作狀態(tài)RX至TXTrt1ms待機至RXTsr2ms待機至TXTst3ms上電至RXTvr4ms上電上電至TXTvt5ms因為系統(tǒng)分配給各個呼叫器的可與主機完成呼叫申請的時間片的長度是固定的，這個時間長度既要保證呼叫器發(fā)出的申請能準確的傳到服務臺上，又要盡量短，才可縮小同步信號的周期。因此收發(fā)程序的執(zhí)行時間十分關鍵，必須短而高效。因為系統(tǒng)分配給各個呼叫器的可與主機完成呼叫申請的時間片的長度是固定的，這個時間長度既要保證呼叫器發(fā)出的申請能準確的傳到服務臺上，又要盡量短，才可縮小同步信號的周期。因此收發(fā)程序的執(zhí)行時間十分關鍵，必須短而高效。為了防止接受錯誤，分機數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，主機便對其解碼并報警，然后顯示，隨后主機發(fā)送確認信息給分機。首先分機發(fā)送數(shù)據(jù)地址碼，主機接收到信息成功后返回成功信息，分機接到回應信息后，分機上的信號確認燈便閃亮一次，表示主機已經(jīng)收到信息并報警。否則如果按下發(fā)射鍵后確認燈沒有閃亮，則表示信息發(fā)送出錯，主機沒有