医院病房呼叫器的设计无线51单片机+nRF905无线模块毕业设计.docx
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医院病房呼叫器的设计无线51单片机+nRF905无线模块毕业设计
摘要
随着科技的发展,无线应用技术已经渗透到生活的各个领域,无线传输技术也越来越成熟。
本设计是将无线传输技术应用到医院的研究型课题,实现基于单片机的由无线传输模块构成的无线医院病房呼叫器。
本毕业设计以STC89C52单片机为控制核心,通过无线收发模块nRF905发射接收信号,经STC89C52单片机处理后显示输出并伴有报警提示,从而实现病人与护士之间的无线远距离通信。
本病房呼叫系统能够实现远距离发射接收,其性能稳定、占用空间小、使用材料少、传输速度快、距离远,能够满足医院应用的要求。
关键词:
单片机STC89C52;无线传输模块;病房呼叫
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thewirelessapplicationtechnologyhaspenetratedintoeveryfieldoflife,andthewirelesstransmissiontechnologyisalsomoreandmoremature.Thisdesignisaboutthatthewirelesstransmissiontechnologyisappliedtohospitalresearchsubjecttomakethewirelesshospitalsickroombeeperwhichisbasedonsinglechipmicrocomputerandwirelesstransmissionmodule.
ThisdesignistakingSTC89C52ascorecontroltorealizethewirelesslong-distancedcommunicationbetweenthepatientsandthenurseswithnRF905wirelessmoduletransmittingandreceivingsignals.Thesickroomcallsystemcanrealizelongtransmissionandreceival.Besides,Ithasstableperformance,hightransmissionspeedandlongtransmissiondistance,andtakeslessrooms,useslessmaterial,andcansatisfytherequirementsofhospitalapplication.
Keywords:
chipmicrocomputerSTC89C52,wirelesstransmitmodule,sickroombeeper
前言
当代科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网络化发展,各种各样的制造业和通信业设备除了可以与计算机联机外,还可以互相联机,而实现设备间相互联机的最具发展潜力的方式就是无线通信。
与有线通信方式相比,无线通信具有一系列优点,特别适用于手持现场设备、电池供电设备、遥控遥测设备、水文气象监控设备、生物信号采集系统、工业数据采集系统等。
在上述无线通信技术应用实际中,无线通信协议起着至关重要的作用,直接关系到无线通信系统的安全性和误码率以及系统运行的速度。
医院病房呼叫器主要应用于医院病房、养老院等地方,方便医护人员和病人之间的沟通,是提高医院水平的必备设备之一。
病房呼叫系统的优劣直接影响到病人的安危,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、利于推广。
我国传统的医院病房呼叫系统采用的大多都是有线传输,存在着安装布线复杂,检查维修困难,抗干扰能力差,病房扩建不易及费用高,不雅观的缺陷。
为克服以上的不足,本毕业设计介绍的是一种无线的医院病房呼叫器,其使用专用的无线收发模块nRF905,并使用单片机控制。
这样不但解决了复杂布线等问题,更能提高医疗服务水平,适应现代社会需求。
第1章绪论…….…………………………………………………………………….....1
1.1背景…………………………………………………………………………….…..1
1.2设计的目的及意义…………………………………………………………….…..1
1.3相关领域国内外技术和发展趋势……………………….………………….……2
第2章方案设计……………………………………………..……………………………3
2.1方案概述…………………………………………………………………………….3
2.2方案设计…………………………………………………………………………….3
2.2.1单片机的选择………………………………………………………………..4
2.2.2无线收发模块的选择………………………………………………………..4
2.2.3按键的选择…………………………………………………………………..4
2.2.4显示方式的选择……………………………………………………………..5
2.2.5报警器的选择………………………………………………………………..5
2.2.6电源转换电路的选择………………………………………………………..5
第3章硬件电路的设计…………………………………………………………………6
3.1单片机AT89S52的功能及最小系统的电路设计…………………………………7
3.2nRF905无线收发模块的功能…………………………………………………….....9
3.2.1nRF905无线收发模块的特点…………………………………………….10
3.2.2nRF905无线收发模块工作模式…………………………………………….11
3.2.3nRF905无线收发模块与单片机STC89C52的连接方案………………….12
3.3键盘电路设计…………………………….………………………………………..13
3.4地址变更电路的设计………………………...…………………………………....14
3.5LED数码管显示电路………………………...…………………………………....16
3.5.1LED数码管的引脚说明…………………………………………………......16
3.5.2LED数码管与单片机接口电路的设计…………………………………….16
3.6报警电路设计…………………………….………………………………………17
3.7电压转换电路的设计………………………..……………………………………17
第4章软件设计…………………………………………………………………………19
4.1主机软件设计………………………………….………………………………...19
4.2分机软件设计……………………………………..……………………………...21
4.3无线发送模块子程序设计……………………….……………………………...21
4.4无线接收模块子程序设计……………………….……………………………...23
第5章调试与实现………………………………………………………………………26
5.1KeilC51软件简介…………...…………….………………….………………....26
5.2系统硬件调试…………………………….………………………………………28
第6章结论………………………………………………………………………………29
第7章社会经济效益分析………………………………………………………………30
致谢…………………………….…………………………….…………………………..31
参考文献…………………………….…………………………….……………………..32
附录Ⅰ从机电路原理图.……………….....…………………………………………......35
附录Ⅱ主机电路原理图………………...……………………………………….............36
附录Ⅲ主机程序清单...………………….………………………………………............37
附录Ⅳ从机程序清单...…………………..………………………………………...........45
第1章绪论
1.1背景
近年来,随着人们生活水平的不断提高,人们对医疗水平的要求也不断提高,特别是突发情况下病人请求值班医生或护士进行及时诊断或护理,这一环节对提高医院的管理服务质量显得尤其重要,这同时也大大提高了医院医护人员应对突发事件的能力。
在以往医院,病人遇到突发情况时,由于向医护人员得不到及时的救助,往往错过了最佳治疗的时间,最后造成小病酿成大病,大病酿成无法医,最后导致无药可医以至于死亡,因此,一种新型医院病房呼叫器的研制很有必要。
医院病房呼叫器可将病人的请求快速传送给值班医生或护士,并在值班室的监控中心主机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。
呼叫器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、利于推广。
目前大多医院的病床呼叫系统采用有线传输方式,有线传输占用空间较大,耗材多,而且不易移动,因此现今需要对病床呼叫系统进行升级,近年来在我国无线领域有了大的进展,这为此提供了有力的技术支持。
1.2设计的目的和意义
一款适合服务性行业的无线呼叫系统,对人们生活的改善,对企业形象的提升起着十分重要的作用。
对医院单位而言,在同类行业中,安静清雅的环境更具有竞争优势,快而准的服务极大地提高了工作人员的办事效率,便捷的呼叫系统节约了大量的人力,财力。
对医务人员而言,不需要时刻去查房、巡逻,更不需要高声应答病人或家属,免去了无数次的来回奔波,维护了医院良好的安静环境,及时而准确的给病人带来需要和服务。
对病人及其家属而言,不必在医院大声喧哗地呼叫医务人员,也不用亲自走到护士房告知护士,更不用在各个病房到处寻找护士。
即使病人在没有家属陪伴的情况下,也能及时呼叫得到护理。
只需轻轻一按从机的按钮,无论是在床上还是走廊,还是厕所,都能传达呼叫的信号。
护士只要在总机旁观察就能看到呼叫的房间,便能立刻派护士去查看和护理。
本设计是基于单片机和nRF905无线收发模块实现的医用无线病床呼叫系统,分为无线发射部分、无线接收部分、单片机控制部分、地址变更部分、显示部分、警报呼叫部分等。
本系统采用无线电方式实现信号的传递,单片机作为控制部件协调处理整个系统的工作,实现无线信号的远距离传输,减少了材料的耗费,安装简单,使医患沟通更加灵活,是无线网络技术在医院设备上的大胆应用,具有创新性。
1.3相关领域国内外技术和发展趋势
无线呼叫器是在有线呼叫器的基础上发展起来的,我们所常见的有线呼叫器,如:
医院的病床呼叫器、电梯里的求助按钮和公共场所的紧急报警按钮等,因其操作简单而有效。
但是有线呼叫器需要布线,费用高,施工繁琐而无法得到广泛应用。
有需求,就会有产品,无线呼叫器应运而生。
无线呼叫器从技术和应用可大致分为三个阶段:
第一阶段以调幅AM技术为主(即:
第一代无线呼叫器),主要用于场地较小的场所;第二阶段是以调频FM为核心技术的产品(即:
第二代无线呼叫器系统),信号稳定,适合大型组网,应用行业从茶楼、咖啡厅等小型服务场所,发展到大型娱乐场所、酒店、工厂、超市、学校和银行等行业,这个阶段是无线呼叫器应用发展最为迅速的一个时期;第三阶段是调频技术、语音技术和对讲技术为核心的语音无线呼叫系统,实现了无线呼叫器从模拟、数字到语音的蜕变,成为无线呼叫器系统应用的趋势和主流。
第2章方案设计
在对课题进行了深入了解的基础上,形成了最终的设计方案,本章的内容对本设计方案进行较为详细的说明。
首先应该对所设计的电路的总体框图有所了解,更应该了解各个部分。
根据对系统的分析与构思,本系统主要是由呼叫机和主机两部分组成。
呼叫机部分包括:
无线发送部分、单片机控制部分、地址变更部分、按键部分;主机部分包括:
无线接收部分、单片机控制部分、按键部分、报警部分、显示部分。
所以本章旨在如何最优的选择各部分器件以达到最佳的性价比。
2.1方案概述
本毕业设计是医院病房呼叫器的设计,设计的关键是实现呼叫机与主机之间的单工通信。
通过SPI通信协议,实现单片机对无线收发模块nRF905的控制以及数据的读取。
当主机收到呼叫机的呼叫时,单片机会控制报警器发出报警信号并通过LED数码管进行显示。
此外还可以通过主机上的按键来对其进行删除、翻页等操作。
本设计系统的硬件设计是以单片机STC89C52与nRF905无线模块为核心器件的一套收发系统,以制作出的电路板为实物,以C语言进行软件程序设计。
系统主要由无线收发模块、数码显示电路、键盘电路、报警电路、单片机控制电路部分组成,电路图如附录I与附录II所示。
2.2方案设计
根据对系统工作的基本原理的了解,此设计的总体设计方案如图2.1所示。
图2.1总的设计方案图
2.2.1单片机的选择
单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机诞生于二十世界70年代末,各种制造商也是很多。
比如台湾的义隆公司出品的EMC单片机,MICROCHIP公司出品的PIC单片机,还有STC公司出品的STC系列单片机,以及ATMEL公司出品的AT系列单片机。
根据本课题,选择了STC公司的STC89C52单片机。
因为其性价比最高,价格还很便宜,而且能完全能满足所需的功能。
2.2.2无线收发模块的选择
本毕业设计的无线收发模块选择的是nRF905无线模块。
nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器,工作电压为1.9-3.6V。
32引脚QFN封装(5x5mm),工作于433/868/915MHz三个ISM(T业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650us。
nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表面滤波器,ShockBurst工作模式,自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便。
此外,其功耗非常低,以一10dBm的输出功率发射时电流只有1lmA,工作于接收模式时的电流为12.5mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。
nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。
nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块,曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成.无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。
2.2.3按键的选择
在单片机中,常用的按键有独立按键和行列式按键两种。
独立式按键就是指各键相互独立,每个按键分别各接一根输入线,通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断出哪个按键被按下。
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路,其特点是每个按键单独占用一根I/O口线,每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。
即一个按键对应着一个端口输入,每一个按键都有一个按键电路来判断其是否按下。
行列式按键,也称矩阵式按键,用于按键数目较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行,列的交叉点上。
在按键数目较多的场合,行列式按键与独立式按键相比,要节省很多的I/O口线。
所以综合比较之下,因为本次设计中,只需要1个发送键,1个删除键,1个翻页键,按键不是很多,完全没有必要选择复杂的行列式按键。
所以,选择独立式按键作为本次设计的按键系统。
2.2.4显示方式的选择
显示系统是设计中重要的输出部分,用来显示系统的输出结果,以便设计人员对系统进行调试和维护等。
LCD与LED都是目前两种成熟的显示技术,LCD是由液态晶体组成的显示屏,而LED则是由发光二极管组成的显示屏。
LED显示屏与LCD显示屏相比,LED技术更加先进,而且本次毕业设计只需要1个LED数码管即可实现所要求的功能,所以选择LED数码管作为显示系统。
2.2.5报警器的选择
报警电路也是本次设计电路当中一个比较重要的环节。
可使用蜂鸣器,扬声器,喇叭等多种器件,蜂鸣器是由蜂鸣片振动而发声的,扬声器一般指由线圈驱动而发声的。
虽然蜂鸣器只能发出滴滴的警报音,但是比较适用于本系统,为得到最高的性价比,所以选择蜂鸣器作为报警系统的主体器件。
2.2.6电源转换电路的选择
本毕业设计中使用的无线模块需要的供电电压为3.3V,而单片机所使用的电压为5V,故需要电源转换电路。
这里使用的是AMS1117-3.3V芯片。
AMS1117分为两个版本,固定电压输出版本和可调电压输出版本,固定电压输出版本的输出电压可以为:
1.8V,3.3V和5.0V,可调电压输出版本能提供的输出电压范围为:
1.8V~5.5V。
考虑到使用上的稳定和方便,所以我选择了3.3V固定电压输出版本的AMS1117。
第3章硬件电路的设计
本毕业设计的设计方案是由呼叫机和主机构成,使用nRF905无线收发模块,使系统工作在频段433MHz附近。
一个完整的无线呼叫系统,是由一台主机、若干台呼叫机构成。
每个呼叫机有唯一的识别码,并且识别码可以随时修改。
当用户按发射键后,识别码被发送出去,主机接收到服务申请后,根据识别码鉴别出是由哪一台呼叫器发出的申请,并给出声音提示和显示出呼叫器的识别号。
如果有几个呼叫器在短时间里同时呼叫,主机则按照先后顺序存储起来,通过按键实现翻页查询。
此外,为了避免重复处理服务申请,主机还可以通过按键实现删除功能。
呼叫分机和接收主机的连接组成框图如图3.1和图3.2所示。
图3.1呼叫分机框图
图3.2接收主机框图
分机由拨码开关来控制地址位的设置,当扫描到呼叫按钮按下时,其地址被读入单片机,经过处理后再送至无线发射模块发射。
分机用来进行呼叫,分机的核心电路即是单片机与无线发送模块的连接电路。
主机负责接收分机发来的信号,并进行显示和报警。
主机上还设有键盘用于翻查、删除记录,所以主机上应接有键盘电路、显示电路和报警电路。
3.1单片机STC89C52的功能及最小系统的电路设计
STC89C52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
STC89C52具有如下特点:
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,片内时钟振荡器。
另外,STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
STC89C52共有四个8位的并行I/O口:
P0、P1、P2、P3端口,对应的引脚分别是P0.0~P0.7,P1.0~P1.7,P2.0~P2.7,P3.0~P3.7,共32根I/O线。
每根线可以单独用作输入或输出。
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0不具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
此外,P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
P3口亦作为STC89C52特殊功能使用,在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
单片机的引脚图如图3.3所示。
图3.3STC89C52单片机引脚图
单片机最小系统,是指用最少的元件与单片机组成的可以工作的系统。
对52单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
单片机接口电路主要用来连接计算机和其他外部设备,各功能模块及原理如下:
复位电路:
单片机最小系统复位电路的极性电容C3的大小直接影响单片机的复位时间,一般采用10-30μF,51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。
单片机工作之后,只要在RST引线上加载10ms以上的高电平,单片机就能有效地复位。
CS-51单片机通常采用自动复位和按键复位两种方式。
这里采用按键复位和上电复位两种电路结合。
晶振电路:
典型的晶振取11.0592MHZ,晶振越大,则单片机的处理速度越快。
单片机的最小起振电容C1,C2一般采用15-33pF,并且电容离晶振越近越好。
单片机最小系统的设计电路如图3.4所示。
图3.4单片机最小系统的设计电路
3.2nRF905无线收发模块的功能
nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片,工作电压为1.9-3.6V,32引脚QFN封装(5mm×5mm),工作于433/868/915MHz3个ISM频道(可以免费使用)。
nRF905无线收发模块的引脚图如图3.5所示。
图3.5nRF905引脚图
nRF905可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作,可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,使用