远程呼叫系统设计.docx
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远程呼叫系统设计
远程呼叫系统设计
前言
随着电子技术的迅猛发展，信息的传送和接收也就变得十分的简单，而在我们的实际生活中信息的交流和沟通也十分的重要，无线网也已受到了广大公众的注意和青睐。
在已经过去了的十多年里，蜂窝无线系统经历飞速的增长，全球使用蜂窝无线通信的用户已经过亿。
与传统的有线网络相比[3]，蜂窝式无线系统显得更加的方便，并且在许多的发达国家中，他已经慢慢的取代了有线传输系统，公司、学校和家庭也开始开通了无线局域网，使用的工具也趋于半自动化和自动化，许多家庭用具都能够实现远程监控，为我们的生活节约了时间、带来了方便。
很明显，远程控制、呼叫系统具有很宽广的发展的前景[1]。
1远程呼叫系统总体设计
1.1远程呼叫系统的总体框架
这个模拟医院病房的无线远程呼叫系统主要是由呼叫源电路、二极管指示灯、8051单片机、nRF401芯片的接口电路、声光报警提示电路和LED显示电路几部分组成。
组成此系统的模块主要包括以下四个组成模块：
1.1.1呼叫源电路和指示灯[12]
病房呼叫系统的分机就是由这两部分组成。
呼叫源电路中，主要是由8051单片机和nRF401连接组成，将8051单片机的P0端口设置为呼叫按键，当病人按下呼叫键时，就会触动8051单片机的P0端口收到信号，并通过激励产生电信号，点亮指示灯，表示病人呼叫成功，然后将呼叫信号通过电路传输给护士室，所以此部分是病人能否呼叫义务人员的关键部分。
1.1.28051单片机和nRF401芯片的接口电路[10]
此部分负责管理信号的输入和信号的输出。
当呼叫按键按下的信号传输到8051单片机上的P0端口，完成了信号的输入；nRF401芯片的逻辑电平的输入输出引脚Din、Dout分别与8051单片机的串行通信口TXD和RXD相连接，整个系统也就通过这个电路连接在一起。
1.1.3声光报警提示电路[2]
此部分主要包括扬声器、555振荡器和发光二极管，当有患者按下呼叫键发出信号后，此部分接收到电信号，并通过555振荡器控制扬声器发出声音警报，以及通过发光二级管发出信号提示。
1.1.4LED显示电路
LED显示器主要是显示病人的房间号和床位号以供医护人员及时进行救护。
通过这部分的显示功能，可以节约病人的时间，防止出错，并且这部分具有锁存记忆的功能，能够存储近期病人的呼叫情况，便于查询。
1.2呼叫系统的工作原理
以下为病房呼叫系统结构框图：
图1.2-1病房呼叫系统结构图
从系统的框图可以看出该系统的主要部分就是呼叫和显示，系统的核心部分就是8051单片机，它属于整个系统的控制部分。
其中呼叫源电路和二极管指示灯属于分机部分，8051单片机的控制电路、有LED数据显示电路和声光报警电路是属于主机的部分，而主机和分机之间就是通过nRF401无线收发芯片设计接口电路进行连接的。
当有病人按下呼叫键的时候，系统开始工作。
此时，通过呼叫键的按下产生电信号，主机接收到信号后，8051单片机得到相应的响应，并分析扫描端口，将呼叫的地址确定下来，再向从机发送控制命令和数据，从机对接收到的信号进行分析处理，根据得出的结果和显示的优先级最终将呼叫病人的病房号和床号显示出来，并通过分机上的发光二级管的显示情况来验证信号是否发送成功，当指示灯被点亮时，表明信号发送成功，否则信号未发送成功。
医护人员接收到信号后会及时对呼叫病人进行救护，呼叫的信息会被存储起来，以供以后参考，同时这些信息也可以被删除，以免占用空间。
2系统的硬件设计
2.18051单片机简介[10]
若根据ROM（程序存储器）的类型来进行分类，可以将51系列的单片机分为以下三种：
★片内片内带内部掩膜ROM的8051单片机
★片外挂接ROM的8051单片机
★片内带EPROM的8051单片机
其中片内片内带内部掩膜ROM的8051单片机能够应用于大量的产品之中[12]，它是由厂家写好的程序，用户自己不能够对其进行修改。
片外挂接ROM的8051单片机主要应用于早期的51系列单片机开发中，它需要外接ROM，因为它的内部不含有ROM。
片内带EPROM的8051单片机主要包括的类型有AT89C51、W78E52B、STC89C51等，此类单片机目前最常用的就是OTP型和FLASH型，其中，OTP型只能够写入一次程序，当程序写好完成后就不能再对其进行修改；而FLASH型则是自由型的，当写好程序后，还可以将写好的程序删除写入新的程序，这种类型的单片机就不叫灵活。
2.1.18051单片机的基本结构
MCS-51系列单片机都为冯-诺依曼型结构，其结构主要包括以下几个部分：
☆内ROM：
4KB；
☆内RAM：
128B；
☆外ROM：
64KB；
☆外RAM：
64KB；
☆I/O线：
32根；
☆定时/计数器：
2个16位可编程定时/计数器；
☆串行口：
全双工，2根；
☆寄存器区：
工作寄存器区。
在内128BRAM中，分4个区；
☆中断源：
5源中断，2级优先；
☆堆栈：
最深128B；
☆布尔处理机：
位处理机，某位单独处理；
☆指令系统：
五大类，111条。
其中I/O线为输入输出引脚[16]，包括P0、P1、P2、P3四个端口，其中P0端口是双向8位三态I/O口，当与外部存储器相连接时，P0端口与地址总线的低8位及数据总线复用，它不但能够以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载，而且能够将信号锁存起来。
P1、P2和P3端口不能够对输入进行锁存，因为这三个端口的输出没有高阻态，它不是真正的双向I/O口，而是准双向8位I/O口，并且它们都具有普通I/O口的功能。
除此之外，在MCS-51系列中，P3口还有8个引脚是复用双功能口的特殊功能，如P3.0是串行输入口（RXD），P3.1是串行输出口（TXD）。
2.1.28051单片机的主要内部部件功用
51系列的单片机是将CPU、、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一起的芯片，芯片上的每个模块是通过内部总线相互连接起来的。
以下为每个部件的主要功能简介[11]：
☆中央处理器（CPU）:
CPU是单片机的主要核心部件，MCS-51系列的CPU能处理8位二进制数或代码，CPU的内部还包含有运算器、控制器以及若干寄存器。
☆内部数据存储器（RAM）:
MCS-51单片机芯片能够作为寄存器供用户使用的只有RAM的前128个单元，而实际上MCS-51单片机芯片共有256个RAM单元，其中RAM的后128单元用于存放可读写的数据因而是被专用寄存器占用的。
因此我们通常都说单片机的内部数据存储器的大小为128单元，简称内部RAM，它的地址范围为00H~FFH（256B），同时它还是一个多用多功能数据存储器。
☆内部程序存储器（ROM）:
MCS-51系列的单片机内部有用于存储程序的程序存储器，简称为内部ROM，其大小为4KB/8KB字节，一般51系列为4KB,52系列为8KB,它主要用于存储原始数据或表格，其地址范围为0000H~FFFFH（64KB）。
☆定时器/计数器:
定时器/计数器主要是实现定时或计数功能，并通过其定时或计数结果对计算机进行控制和管理。
当它做计数器时，就是对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲进行计数。
作为定时器/计数器，它主要是通过内部分频时钟频率计数实现的，一般情况下，51系列共有2个16位的定时器/计数器，52系列共有3个16位的定时器/计数器。
☆并行I/O口:
MCS-51共有4个8位的I/O口，它们分别为P0、P1、P2、P3，并行I/O口主要是实现数据的输入输出。
☆串行口:
MCS-51系列单片机中有可以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送的一个可编程的全双工的串行口。
该串行口既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用，它具有较强大的功能，再串行口中，RXD脚为接收端口，它在单片机的P3.0节点处；TXD脚为发送端口，它在单片机的P3.1节点处。
☆中断控制系统：
51系列有5个中断源，而52系列有6个中断源,51系列中包含有外中断2个、定时中断2个、串行中断1个，而全部中断又分为高级和低级二个优先级别。
MCS-51单片机的中断功能主要是为了满足不同控制应用得需要。
☆定时与控制部件[9]：
MCS-51单片机内部有一个基输入端为XTAL1输出端为XTAL2的反相放大器，它的增益特别的高。
MCS-51芯片的内部虽然有时钟电路，但是它的石英晶体和微调电容需外接，此时钟电路主要是为单片机产生时钟脉冲序列。
在我的远程控制设计中，采用基本的8051单片机进行实验，其引脚结构图如图所示。
图2.1.2-18051引脚图图2.1.2-2nRF401引脚图
2.2nRF401无线收发芯片[7]
2.2.1nRF401无线收发芯片的简介
nRF401无线收发芯片模块具有以下几个功能：
●微功率发射功能，它的最大发射功率为10mW）
●ISM频段，在此频段内无需申请频点，载频的频率一般为433MHz，同时也可以提供868/91MHz的载频
●高抗干扰能力和低误码率。
它是基于FSK的调制方式，并且采用高效的前向纠错信道编码技术来提高数据抗突发干扰和随机干扰的能力。
●传输的距离远，当天线的高度大于2米时，可靠的传输距离可达到300~4000m。
●透明的数据传输。
nRF401无线收发芯片可以提供透明的数据接口以适应任何标准和非标准的用户协议，将空气中产生的假数据进行过滤。
●多信道。
STR系列的标准配置为8个信道，当用户有需要时，可以将信道扩展到16、32甚至64个信道，这样就能够满足用户多种通信组合的方式。
●双串口、三种接口方式。
STR系列提供了2个串口三个接口方式，COM1为TTL电平UART接口，COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485口，利用此接口时，用户只需要拔插1位短路器再上电即可定义。
●大的数据缓冲区。
在此缓冲区中，接口的波特率为1200、2400、4800、9600、19200、38400bps，接口波特率的格式为8N1/8E1用户自定义，它可传输无限长的数据帧，用户编程更灵活。
●智能数据控制。
对于数据的处理，系统是全自动智能的，用户在使用时无需对其进行对于的编程，就算是半双工通信，用户也只需要直接收发数据，而无需编制多余的程序，类似空中收发转换和控制操作是STR自动完成的。
●低功耗及休眠功能。
只需要在+5V的电压下就可以接受电流。
下图为nRF401无线收发芯片的结构框图：
图2.2.1-1nRF401无线收发芯片的结构框图
如图2.2.1-1所示：
内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。
发射电路包含有：
射频功率放大器、锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），频率合成器等电路。
基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。
基准振荡器的主要特性有：
●工作频率为国际通用的数传频段
●FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合
●采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好
●灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）
●功耗小，接收状态250A，待机状态仅为8A（nRF401）
●最大发射功率达+10dBm
●低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求
●具有多个频道，可方便地切换工作频率
●工作速率最高可达20Kbit/s（RF401）
●仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试
●因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米（与具体使用环境及元件参数有关）
2.2.2nRF401无线收发芯片的引脚功能
我们可以通过下面的应用电路图来分析nRF401无线收发芯片各引脚的连接情况：
图2.2.2-1nRF401的应用电路连接
nRF401采用的是20脚SOIC封装，各个引脚的功能如下表所示。
表2.2.2-1nRF401引脚功能表
引脚
名称
引脚功能描述
引脚
名称
引脚功能描述
1
XC1
晶振输入
11
RF-PWR
发射功率设置
2
VDD
电源（+3～5VDS）
12
CS
通道选择
3
VSS
地（0V）
13
VDD
电源（+3～5VDS）
4
FILT
回路滤波器
14
VSS
地
5
VCO1
VCO外接电感
15
ANT1
天线接头
6
VCO2
VCO外接电感
16
ANT2
天线接头
7
VSS
地
17
VSS
地
8
VDD
电源（+3～5VDS）
18
PWR-UP
电源开关
9
DIN
数据输入
19
TXEN
发射允许
10
DOUT
数据输出
20
XC2
晶振输出
芯片工作状态与控制引脚关系下表所示。
表2.2.2-2芯片工作状态与控制引脚关系
输入
响应
TXEN
CS
PWR-UP
通道号
模式
0
0
1
1
接收
0
1
1
2
接收
1
0
1
1
发射
1
1
1
2
发射
X
X
0
-
待机
从上面可以看出，nRF401有三种工作状态，分别是待机（Standby）状态、接收（RX）状态和发射（TX）状态，并且可以通过WR—UP和TXEN来切换这三种状态。
nRF401有Din引脚和Dout引脚，Din引脚为输入数字信号端口，Dout引脚为输出数字信号端口，它们都是串行通信，Din输入数字信号端口和Dout输出数字信号端口均为标准的逻辑电平信号，Din将需要发射的数字信号进行输入，输入的数字信号经过系统的解调再从Dout端口进行输出，它们分别与单片机的串行通信口TXD、RXD相连。
CS脚则为选择工作频率，当CS＝“0”时，它为通道＃1，其工作频率为433.9MHz，当CS＝“1”时，它为通道#2，其工作频率为434.33MHz。
2.2.3555定时器的结构以及工作原理[4]
555定时器在各个硬件得到了广泛的应用，因为555定时器具有成本低、性能可靠的优点，在电路中只需要外接几个电阻和电容就能够组成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等脉冲产生与其它的变换电路，它还能够被应用在家用电器、电子测量等类似的自动控制电路中。
图3.2.3-1为555定时器电路，从图中可以看出555定时器的内部包含有两个电压比较器、一个放电管T、一个RS触发器、三个等值的串联电阻和功率输出级。
其中两个比较器主要是提供基准电压VCC/3和2VCC/3，它们的输出电压能够控制放电管和RS触发器的状态；当5脚悬空，并且在地与电源之间加上电压，就可以控制电压比较器C1的同相输入端电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压就为VCC/3。
在进行系统设置时，可以将触发器输入端TR的电压设置为小于VCC/3，此时比较器C2的输出就为0，并且可以通过设置RS触发器为1来控制输出端OUT为1；如果将阈值输入端TH的电压设置为大于2VCC/3，并将TR端的电压设置为大于VCC/3，则C2的输出就为1，若要输出0电平，则可以将RS触发器设置为0。
在一般的设计中[6]，555定时器应用较广泛，因为555定时器是一种中规模的集成电路，它的体积很小，使用起来也很方便。
555定时器的外形有两列直插的8个引脚，并且目前单位555定时器有两种产品，他们分别是双极性型和cmos型，他们的外部引线排列和逻辑功能是完全相同的，识别他们的方法就是：
一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，而cmos型产品型号的最后四位数都是7555。
在555定时器中一般都将器件的电源电压设置为4.5～12v，将电流设置在200ma以内，这样就可以与ttl、cmos逻辑电平相兼容，这也使得555定时器得到了广泛的应用。
图2.2.3-1555定时器电路
表2.2.3-1555定时器的输入/输出功能表
输入
输出
复位R’D
u11
u12
输出u0
晶体管T
0
x
x
0
导通
1
>2Ucc/3
>Ucc/3
0
导通
1
<2Ucc/3
1
截止
1
<2Ucc/3
>Ucc/3
保持
保持
前面已经说过555定时器再加上几个电阻和电容就能够组成施密特触发器，组成的这个施密特触发器在数字电路中是用于对脉冲信号进行整形。
若在输入端vi处输入的不是规则信号，则施密特触发器可以将这个不规则的信号处理为规则信号，也就是规则的方波信号，当施密特触发器被应用于数据通信的电路中时，施密特触发器还具有一定的抗干扰能力。
由555定时器组成的单稳态触发器的功能就是在电路中规整信号的脉冲宽度，也就是tw，当单稳态触发器的输入端接收到脉冲不一致的信号后，单稳态触发器能够对信号进行处理，并且输出脉宽一致的脉冲信号；除此之外，单稳态触发器还常常被应用于定时器电路中，它能够调整R、C的值，并得到不同的定时值。
由555定时器组成的自激多谐振荡器主要用于产生连续的脉冲信号，自激多谐振荡器的电路采用电阻R和电容C组成RC定时电路，它能够设置脉冲信号的周期和宽度，当调节RW或者电容C的值时，可以得到不同的时间常数值，并且能够控制产生周期和脉冲可变化的方波信号输出，一边信号产生和变化的需要。
2.3单片机8051与芯片nRF401的接口电路
通过对8051以及nRF401的介绍，其接口电路的接线图如图6所示。
8051的串行通信口RXD,TXD[15]分别与nRF401的Dout,Din数字信号输出，数字信号输入端口相连接，进行串口通信。
nRF401的CS脚频率选择端口与INT0相连，而nRF401芯片接收、发射、待机3种状态的切换由PWR-UP、TXEN与T0、T1连接的状态来确定，从而使得系统对数字信号的接收与输出能够更加快速的执行。
当置CS＝“0”时，选择频率为433.9Hz，选择通道为1。
此时当置PWR-UP＝“1”，TXEN＝“0”，芯片呈现接收状态；当置PWR-UP＝“1”，TXEN=“1”，则芯片呈现发射数据状态。
通过数据在芯片中的接收与发送，数据信号由分机的8051传送到主机的8051中，再由主机的8051进行信号的显示与提示。
图2.3-18051与nRF401芯片的连接电路
在这个系统中，四个请求按钮开关接在单片机8051的P0口上,当某一按钮按下时,该按钮对应的P0口的某一输入状态为0。
当单片机确认有呼叫该机地址时,扫描P0口上的4位（P0.0-P0.3）I/O端口状态,一旦有键按下,立即把该P0口对应的请求信息发送给主机,并等待主机的确认。
当主机返回正确信息时,通过P2口驱动对应的LED指示灯显示,表明那一个请求信号发送成功。
四个请求按钮开关分别编号,每个开关代表一种请求类别,由用户自行定义。
病房呼叫系统使用的对象是病员，病员的身体状况不同，对护理的需求也不同。
这就要求对不同病员的呼叫有不同的处理方式，在呼叫系统中可以对他们设定不同的呼叫级别。
在分机上信息确认灯由发光二极管来显示[13]，连接在单片机的I/O通道P2口上，在信息发送成功后确认灯闪亮，限流电阻选用4.7K，工作电流可以满足要求。
其工作时的状态切换、频率选择和串行通信，均由nRF401芯片的3个状态可知。
同时，为避免发生停电等电源故障时系统能够正常使用，设计8051单片机的P1.0口和RST/VPD口接备用作电源及掉电保护电路。
电路接线图如图7所示。
利用单片机的P1.0引脚的低电平触发555定时器，而555定时器的输出脉冲取决于R,C和Vcc。
当选择合适的R,C值后，拥有足够的加电复位时间,使主机可靠复位后恢复正常运行。
呼叫源中断程序流程图如图2.3-2所示。
2.4声光报警器
2.4.1用555定时器接成多谐振荡器
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
其功能是产生一定频率和幅度的矩形波信号，其输出状态不断在“1”和“0”之间变换。
图2.4.1-1所示是由555定时器构成的多谐振荡器。
R1、R2和C是外接元件。
振荡周期等于两个暂稳态的持续时间。
第一个暂稳态时间tp1为电容C的电压uc从Ucc/3充电至2Ucc/3所需时间T1=（R1+R2）CIn2=0.7（R1+R2）C。
第二个暂稳态时间tp2为电容C的电压从2Ucc/3放电至Ucc/3所需时间T2=R2CIn2
由此形成的多谐振荡电路工作可靠，调节方便，在信号产生、工业控制、电源变换、仿声等领域获得了广泛的应用，但其振荡频率不能太高。
图2.3-2呼叫源中断流程图
图2.4.1-1多谐振荡器电路及波形
2.4.2声光报警电路设计
在整个的呼叫系统中，主要分为发送端和接收端，病人这边输入发送端，并且声光报警是属于病人这边的发送端，当病人按下呼叫键发出呼叫信号后，扬声器和发光二级管就会工作，扬声器会发出滴答滴答的响声，发光二级管也会不停地闪烁发出信号来提示医护人员，其中声光报警器的电路是由555定时器组成的多谐振荡电路、扬声器和发光二级管组成。
当没有病人呼叫时，8051的P2．0端口输出的是高电平，但是通过电平反相器后，输出的就为低电平，这时的555电路不工作，扬声器也不会发出声音；当有病人按下呼叫键发出呼叫请求时，8051的P2．0端口输出的是低电平，但是通过电平反相器后，输出的就为高电平，此时555电路开始工作并产生振荡信号，这个信号经过电容耦合滤除后会产生直流分量，让扬声器发出滴答滴答的报警声音，发光二级管也会同时发出光信号报警。
当医护人员收到信息并给与处理后，可以将提示的报警信号通过复位键是系统恢复成原始状态，整个系统也会处于待机状态，若无医护人员发现或者给予适当的处理，或者医护人员正在处理其他的呼叫病人患者，系统会将呼叫病人的信息存储起来，如果信号过多，显示屏上会根据呼叫的先后顺序循环的显示呼叫病人的信息，并且发光二级管会不停地闪烁报警提示，以此来提示医护人员。
报警电路原理如图2.4.2-1所示。
图2.4.2-1报警电路原理图
2.5LED显示功能模块
2.5.1LED数码显示器的结构及原理
设计中用到的LED数码显示器又被称为七段（也称八段）LED数码显示器，LED数码显示器中包含有八个LED发光二级管，系统就是通过控制这八个发光二级管来显示数字，在这八个发光二级管中，其中有七个是用来显示字符的，另外的一个是用来显示小数点，LED显示器在生活中得到了广泛的应用。
在单片机中[15]，LED的显示分为动态和静态两种情况，动态显示指的是每个LED快速的轮流显示各个字符，因为切换的时间很快，人的视觉反应不过来，所以感觉所有的字符是同时显示的；而静态显示的特点就是每个字符显示很稳定，字符不会变化。
本设计中使用的动态扫描显示，因为动态扫描显示能够提高系统的可靠性，并能够降低成本。
LED显示器中的发光二级管和普通的二极管一样，只要给发光二级管加上电流就能够让发光二级管发光，当发光二级管的两端的电平相反时，二极管就会发光，当两端的电平相同时发光二级管就不会发光，所以设计中就是通过通知二极管两端的电平来控制发光二级管的亮灭情况以显示不同的字形。
发光二级管的内部结构以及原理图如图2.5.1-1所示：
图aLED内部结构图b共阴极图c共阳极
图2.5.1-1LED结构图
由图可知，LED数码显示器的连接方法有共阴极连接和共阳极连接。
把七个发光二极
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