完整版基于stm32病房呼叫系统毕业设计.docx
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完整版基于stm32病房呼叫系统毕业设计
毕业论文
题目：
基于stm32的病房呼叫系统
河北科技大学毕业设计成绩评定表
姓名
学号
成绩
专业
电子信息工程
题目
基于STM32的病房呼叫系统
指导教师评语及成绩
指导教师：
年月日
评阅教师评语及成绩
评阅教师：
年月日
答辩小组评语及成绩
答辩小组组长：
年月日
答辩委员会意见
学院答辩委员会主任：
年月日
注：
该表一式两份，一份归档，一份装入学生毕业设计说明书中。
毕业设计说明书中文摘要
病房呼叫系统是为了提高医院的服务质量而提出的，它能使病人及时快捷的进行呼叫，以方便医院能快速准确的了解病人情况，并能及时施以救助。
系统是基于无线网络开发的、以单片机stm32为核心的医院无线病房呼叫系统，利用无线网传输信号和语音信息，远程控制部分接收无线网发送来的信号，由stm32对其进行解码，解码后由数码管和灯屏显示，语音信息由话筒传出。
其重点对STM32的外围扩展，硬件配置，软件设计，工作原理，功能以及技术性能进行了论述。
系统以单片机作为控制和分析核心，采用语音芯片VS1053B，利用无线传输数据和信号，实现病房呼叫系统所有功能。
关键词单片机无线网络语音芯片病房呼叫系统
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleWardCallSystemBasedonSTM32
Abstract
Wardcallsystemistoenhancethequalityofservicesandtheproposed,andcanimposerescuetimely.Systemisbasedonawirelessnetworkdevelopedstm32microcontrollerasthecoreofthewireless.Remotecontrolportionreceivestheradiosignaltransmittedtothenetwork.Bythestm32decode.Afterdecodingthedigitaltubesandlightscreendisplay,voicemessagecamefromthemicrophone.ThefocusontheexpansionofSTM32peripherals,,softwaredesign,workingprinciple,functionandtechnicalperformancearediscussed.Systemusingmicrocontrollerasthecontrolandanalysiscore,usingvoicechipVS1053Bandusingwirelesstotranslatethedataandsignals,toachieveallfunctionsofthewardcallsystem.
KeyWordsSingle-chipWirelessNetworkVoicechipWardcallsystem
1绪论………………………………………………………………………………………1
1.1课题的发展背景………………………………………………………………………1
1.2课题研究的目的和意义………………………………………………………………2
1.3课题研究的内容和方法………………………………………………………………3
2系统总体设计方案………………………………………………………………………3
2.1病房呼叫系统的总体构成……………………………………………………………3
2.2系统的基本工作过程…………………………………………………………………4
3病房呼叫系统主机硬件电路设计………………………………………………………5
3.1显示模块电路设计……………………………………………………………………6
3.2键盘模块电路设计……………………………………………………………………9
3.3语音模块电路设计……………………………………………………………………10
3.4报警模块电路设计……………………………………………………………………12
3.5无线网卡模块电路设计………………………………………………………………13
3.6电源电路设计…………………………………………………………………………13
3.7stm32最小系统电路设计……………………………………………………………14
4病房呼叫系统分机硬件电路设计………………………………………………………16
4.1呼叫器电路设计………………………………………………………………………17
4.2语音模块电路设计……………………………………………………………………17
4.3无线网卡模块电路设计………………………………………………………………17
4.4电源电路设计…………………………………………………………………………17
4.5stm32最小系统电路设计……………………………………………………………17
4.6病房呼叫系统PCB版图设计…………………………………………………………17
5病房呼叫系统软件设计…………………………………………………………………18
5.1主程序设计……………………………………………………………………………18
5.2语音模块程序设计……………………………………………………………………18
5.3显示模块程序设计……………………………………………………………………19
5.4键盘模块程序设计……………………………………………………………………20
5.5无线传输模块程序设计………………………………………………………………20
5.6软件调试………………………………………………………………………………21
结论…………………………………………………………………………………………22
致谢…………………………………………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………………………………24
附录A源程序设计…………………………………………………………………………26
1绪论
随着全球老龄化进程的加快，全球生存环境的恶化，以及人类对健康关注的增加，医疗行业正快速膨胀。
人们对医疗水平的要求不断提高，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。
因此通过病房呼叫系统完成向医生的求助是一种极为方便有效的手段,相关的应用设计正逐步推出。
目前病房呼叫系统主要有两种,一种是有线式,一种是无线式。
而在我国，大多数医院都是采用的传统的有线式病房呼叫系统。
这种设计很难做到隐蔽和美观，而且安装与维护都不方便，抗电气干扰能力也不强。
因此我们采用无线wifi来设计病房呼叫系统。
1.1课题的发展背景
随着社会的进步和科技的发展，医疗水平的不断提高，现代医院护理需要快速、及时的获知并处理病人的突发病况，实现患者在住院的任何时间都能请求医生或护士进行诊断和护理。
以便医院病房区的病患在有紧急情况或者有自己不方便处理的事件时呼叫医生或护士寻求帮助，医生或护士则通过响铃及站内指示灯获取求助信息的来源，并及时提供帮助。
因此，一种新型的临床呼叫仪器的研制成为近些年来的研发热点之一。
在以往医院里，病人遇到突发情况时，由于向医护人员得不到及时的救助，往往错过了最佳的治疗时间，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，人们对医疗水平的要求不断提高，医院有必要将“智能化”引入医疗建设中。
如何更好的满足患者的要求，提高患者的满意度，是从事医疗行业的所有管理人员应该思考的问题。
医疗水平的提高很大一方面体现在医院运用多元化信息技术，并达到监护与信息交互的能力，因此实现新型的临床呼叫系统是实现医院医疗信息化的基础和实现最终建设目标的垫脚石。
医院的病房呼叫系统所提供的功能有如下几项内容：
呼叫，报警，显示排队，优先级设定，存储记录，语音通话等。
如图1-1所示，在传统的病房呼叫系统中，应用最为普及的是有线式病房呼叫系统。
但是，随着科学技术的发展和医疗改革的不断升入，该方案已经无法满足越来越多的服务需求。
例如，有线设备的位置相对固定，病人只能通过病床床头的呼叫器来实现呼叫功能，护士也只能通过病房外的液晶显示屏才能收到病人的呼叫信息，一旦护士离开液晶显示屏显示区域就无法及时收到病人的呼叫信息，无法快速响应病房突发事件。
特别是医院出现紧急加床情况时，紧急加床根本无法实现紧急呼叫功能，这将给病患者带来很大的困扰。
由于有线方案采用硬线连接，因此随着使用时间的增加线路容易发生老化或被腐蚀、磨损的现象，系
图1-1传统的呼叫求助系统
统故障发生率也会越来越高。
并且，传统的有线病房呼叫系统还有功能升级性差、布线繁琐、无法移动、成本高等弊端。
另一方面,近几年短距离无线通信技术发展得如火如茶,WiFi、蓝牙和ZigBee等技术蜂拥而至,采用无线的解决方案将很轻松的避免上述问题。
1.2课题研究的目的和意义
病房呼叫系统是一种应用于医院病房、养老院等地方,用来联系沟通医护人员和病员的专用呼叫系统,是提高医院护理水平的必备设备之一。
有了病床呼叫系统，医院的护理工作才能变得更加方便全面，不再为值班护士或医生未能及时发现突发病况而烦恼。
病房呼叫系统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。
同时由于人们生活水平的提高，人们对服务行业的要求也越来越高，尤其是关乎生命的医疗服务业，能可靠的进行日常监护工作，及时发现各种病情并进行抢救和护理，这样人们便可安心就诊，同时也保证了患者的生命安全，这是从事医疗行业的所有管理人员应该思考的问题。
另外，使用无线后，医院可以利用无线网络传输代替传统的通信设备，可以在同一个网络里传输数据和语音，提供双向的语音通信。
医护人员可以通过手柄设备接收患者的呼叫，并且直接和病患进行语音通话，更加及时了解病患的需求。
因此，无线病房呼叫系统将会成为主流，代替传统的有线设备，它有着光明的前景。
随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点己在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。
因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于医院，养老院等重要场所的低价位、运行可靠、使用方便的病房呼叫系统，来监护那些患者或老人已经势在必行。
1.3课题研究的内容和方法
无线病房呼叫系统设计是为了改善有线病房呼叫系统的不足,提高整机的可靠性和灵活性而开发出的一种实用的呼叫系统，采用Samsung公司的STM32单片机作为核心，开发其外围电路设计和软件设计。
课题需要研究的内容主要有以下几个方面:
a）根据系统功能要求进行系统的整体方案设计。
该方案采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。
b）系统硬件设计。
包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。
主要内容有芯片的选择、键盘电路的设计、显示电路的设计和语音电路的设计、无线网卡电路的设计。
c）系统软件设计。
主要包括系统主程序、动态扫描显示程序、语音程序、键盘扫描程序等。
根据课题性质拟实现的功能和所要研究的内容，应采取以下研究步骤来实现:
系统整体功能分析与可行性研究、划分功能模块、各功能模块的电路原理设计、元器件（芯片）选择、各功能模块的软件调试、系统整体软件调试，通过反复不断的调试，使程序调试成功率增大。
抗干扰设计应贯穿于整个设计过程之中。
另外，在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，在保证可靠性的情况下，尽量提高其灵活性。
2系统总体设计方案
2.1病房呼叫系统的总体构成
病房呼叫系统的开发方案是参照国内外相关技术的发展状况，在前人的基础上稍加修改，并借鉴现在一些科研机构的最新研究成果，同时根据我国医院病房监护建设的实际情况，为满足患者的要求，并充分考虑其经济性和可靠性，能真正实现智能化呼叫的要求来确定的。
根据系统拟达到的总体功能，将其划分为以下功能模块:
显示电路（LED灯屏、数码管）、语音录放电路（手柄）、键盘电路、报警电路、呼叫分机、无线网卡等。
系统组成框图如图2-1所示。
本设计采用主机和从机相分离的模式。
从机安装于各个病房，主机安装于护士站，多个从机处于等待外部呼叫信号的状态，主机则时刻处于等待接受从机呼叫信号的状态，并且从机和主机之间采用无线数据传输通信。
单元模块的功能如下:
显示电路a）LED指示灯：
显示stm32运行状态。
B）LED灯屏：
每个LED灯一一对应病床号。
当呼叫传入后，stm32驱动相应的LED灯亮。
C）双面数码管（走廊）：
闲时显示时间，一旦有呼叫传入，显示呼叫病房号，当有多个呼叫传入，则循环显示病床号。
图2-1无线病房呼叫系统组成框图
语音电路使用音频编解码器芯片VS1053B，护士通过语音电路了解病患的情况。
输入输出设备包括键盘、报警蜂鸣器、按钮开关、各类指示灯等。
键盘用于用户接听语音、呼叫号码的输入等;通过报警蜂鸣器和各类指示灯的声、光信号通知医护人员并进行系统不同工作状态的指示;按钮开关用于分机呼叫。
呼叫分机的核心器件是单片机，由它来发送呼叫信号并通过无线传送到主机上，单片机采用的是当今流行的性价比较高的STM32单片机。
分机和主机都分别接上一个无线网卡。
主机和各个分机通过路由传输信息，当有一个分机接入时，其他分机就不能接入，主机与接入的分机传输完成，挂断后，其他分机才能再次接入。
2.2系统的基本工作过程
系统分为呼叫分机和接收主机。
呼叫分机安装在病床旁，接收主机则安装在护士站。
病人通过分机的呼叫器呼叫医生，编码使用stm32完成并通过无线网络发送给接收主机。
主机接收到网线网络发来的信号，并进行解码、显示和报警，LED灯屏直观的显示呼叫病床位置，为避免不在护士站的医护人员及时作出应对措施，走廊内的双面数码管也会同时显示呼叫分机的病房号，当没有呼叫传入时，数码管显示当前时间。
若有多个病号同时呼叫，则循环显示病房的代号，这样，护士或医生根据显示的病床号进行治疗和服务。
同时病人与护士直接可以语音通话。
主机与分机直接通过无线网络连接。
3病房呼叫系统主机硬件电路设计
病房呼叫系统主机电路部分主要包括显示电路、键盘电路、语音电路、报警电路、无线网卡电路几大部分。
由无线网卡电路实现信号的传输是主机部分的基本设计思想，信号通过无线网卡传输给路由，在经过路由发送给接收分机，大大降低了有线传输的局限性，提高了整个系统的可靠性和抗干扰性。
基于ARM的数字化病房呼叫系统的主要芯片是stm32f103，以它为核心进行控制终端设备的接收和发送，采用RS232等通讯技术，实现了主机和分机之间的语音和通讯命令的传输。
STM32介绍：
随着电子技术的发展，特别是随大规模集成电路产生而出现的微型计算机给人类生活带来了根本性的改变。
如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃，那么可以毫不夸张的说，单片机技术的控制系统，数据采集系统，智能化仪器的仪表，办公自动化等在诸多领域得到极为广泛的应用，并已走向家庭，从洗衣机，微波炉到音响，汽车，到处都是可以见到单片机的踪影，因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。
Stm32作为其中有代表性的一种芯片，在各个方面都有很大的优势。
内核：
ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPSMHz。
存储器：
片上集成32-512KB的Flash存储器。
6-64KB的SRAM存储器。
时钟、复位和电源管理：
2.0-3.6V的电源供电和IO接口的驱动电压。
POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。
4-16MHz的晶振。
内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。
内部40kHz的RC振荡电路。
用于CPU时钟的PLL。
带校准用于RTC的32kHz的晶振。
低功耗：
3种低功耗模式：
休眠，停止，待机模式。
为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
调试模式：
串行调试（SWD）和JTAG接口。
最多高达112个的快速IO端口：
根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的IO端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。
除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。
最多多达11个定时器：
4个16位定时器，每个定时器有4个ICOCPWM或者脉冲计数器。
2个16位的6通道高级控制定时器：
最多6个通道可用于PWM输出。
2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。
Systick定时器：
24位倒计数器。
2个16位基本定时器用于驱动DAC。
最多多达13个通信接口：
2个IIC接口（SMBusPMBus）。
5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。
3个SPI接口（18Mbits），两个和IIS复用。
CAN接口（2.0B）。
USB2.0全速接口。
SDIO接口。
STM32还可以从外部存储器（U盘或MP3播放器）读取、解码和输出音频信号。
以上种种优势都为我们提供了方便。
3.1显示模块电路设计
显示电路主要包括LED灯屏以及数码管显示电路。
LED灯屏直观显示病房位置，数码管则是平时显示当前时间，一旦有呼叫传入，立即显示病房号，当有多个病床呼叫时，循环显示病床号。
3.1.1LED灯屏
图3-1LED灯屏
LED灯屏如图3-1所示是由8*8的64个led灯组成的点阵式电路，行、列交叉点对应一只发光二极管。
CD4094是带输出锁存和三态控制的串入并出高速转换器，具有使用简单、功耗低、驱动能力强和控制灵活等优点。
因此我们采用两个位移位存储总线寄存器CD4094实现串入并出，节省I0口，其中CD1作行信号输出，CD2作列信号输出。
CD4094引脚图如图3-2所示，其中1脚为锁存端，2脚为串行数据输入端，3脚为串行时钟端。
1脚为高电平时，8位并行输出口Q1-Q8在时钟的上升沿会随串行输入而变化；1脚为低电平是，输出锁定。
利用锁存端可以方便的进行片选和级联输出控制。
15脚为并行输出状态控制端，低电平时，并行输出端处在高阻状态，在用CD4094做显示输出时，可以使显示数码闪烁。
9脚QS，用于级联，在第九个串行时钟的上升沿开始输出。
当CD4094电源为5v时，输出电流就会大于3.2mA，灌电流是1mA。
串行时钟频率可以达到2.5MHz。
图3-2CD4093引脚图
3.1.2数码管显示电路
图3-3LED数码管笔段及引脚排列
单片机的控制系统中最常用的显示器件之一就是LED数码管。
LED数码管的笔段及引脚排列如图3-3所示，其中a-g段是显示数字或字符的笔画；dp段显示小数点，而3脚和8脚连通作为公共端。
在一英寸以下的LED数码管内，每一个笔段都有1个LED发光二极管，它的导通压降为1.2-2.5v。
依据LED数码管各笔段的LED数码管连接方式，可以将LED数码管分为共阴和共阳两大类。
在共阴极数码管中，所有的LED发光二极管的负极连在一起，然而在共阳极数码管中，则是所有的正极连在一起。
因为共阳LED数码管与OC、OD门驱动器连接方便，以此在单片机控制系统中，多用共阳LED数码管。
图3-4数码管显示电路图
单片机驱动数码管显示的方法有很多种，按显示方式分为静态和动态扫描两种，按译码方式可以分为硬件译码和软件译码两种。
静态显示即数码管的每个段码都由单片机的一个IO口驱动，编程简单，占用CPU时间少，显示亮度高，但是占用的IO口多，增加了硬件电路的复杂性。
动态显示则需要CPU时刻对数码管就行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用CPU时间多。
无论是静态还是动态显示方式都各有利弊，静态显示方式虽然数据比较稳定，但是每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，需要的硬件却比较多；动态显示虽然有闪烁感，占用CPU的时间多，但是需要的硬件少，大大节省了硬件电路板空间。
因此，我们选用动态扫描方式，其实，只要LED数码管的刷新频率大于25Hz，即同一个LED数码管相邻两次点亮时间间隔小于40ms，闪烁现象就不会出现。
比较常用的显示驱动芯片有：
CD4094、AMT9595、74LS164等许多种,利用这些芯片实现串入并出扩展输入口，都是简单、实用的IO口扩展方式。
在这里我们选择位移位存储总线寄存器CD4094。
数码管显示电路如图3-4所示。
由于数码管显示电路占用IO资源多，程序设计复杂，所以在硬件设计方面，我们应该尽量减少IO口的占用。
因此，我们同样采用两个位移位存储总线寄存器CD4094实现串入并出，来减少IO口的使用，其中CD1作段选，CD2作位选。
软件方面采用动态扫描的方式显示当前时间和病床号。
电路图中所有数码管的A-DP同名端分别连在一起，同时连着CD4094的8个并行输出口Q1-Q8，其中R0-R7为限流电阻，而每个数码管显示器的com端各自独立的连接另一片CD4094的8个并行输出口Q1-Q8。
3.2键盘模块电路设计
在单片机控制系统中广泛使用的机械键盘工作原理是：
利用动片和静片触点的接触和断开，来实现键盘两引脚的通或断。
如图3-5所示。
图3-5按键电气图形符号
图3-6键盘电路图
为了减少了IO引脚数目的使用，键盘模块一般采用4*4的矩阵键盘，也称行列式键盘。
使用这种键盘，编程也会更加灵活。
电路如图3-6所示。
它是由四条IO线Y0-Y3作为行线，四条IO线X0-X3作为列线组成的键盘。
3.3语音模块电路设计
为方便医护人员及时了解病患的情况并作出应对措施，语音通话功能显得尤为重要。
语音模块主要采用stm32上的I2S音频协议,I2S是一个3引脚的同步串行接口通讯协议，支持四种音频标准，包括飞利浦I2S标准，MSB和LSB对齐标准，以及PCM标准，在这里我们使用的PCM标准。
在半双工的通讯中，可以工作在主、从两种模式下。
I2S的功能如下：
●单工通信（仅发送或接收）
●主或者从操作
●8位线性可编程预分频器，获得精确的音频采样频率（8KHz到96kHz）
●数据格式可以是16位，24位或者32位
●音频信道固定数据包帧为16位（16位数据帧）或32位（16、24或32位数据帧）
●可编程的时钟极性（稳定态）
●从发送模式下的下溢标志位和主从接收模式下的溢出标志位
●16位数据寄存器用来发送和接收，在通道两端各有一个寄存器
●支持的I2S协议：
─I2S飞利浦标准
─MSB对齐标准（左对齐）
─LSB对齐标准（右对齐）
─PCM标准（16位通道帧上带长或短帧同步或者16位数据帧扩展为32位通道帧）
●数据方向总是MSB在先
●发送和接收都具有DMA能力
●主时钟可以输出到外部音频设备，比率固定为256xFs（Fs为音频采样频率）
●在互联型产品中，两个I2S模块（I2S2和I2S3）有一个专用的PLL（PLL3），产生更加精准得时钟
电路原理图如图3-7、图3-8所示，图3-7为语音采集模块，因为声音信号经麦克风传入时比较微弱，需要经lm358放大后再进入st
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