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目 录

摘要 2
Abstract 2
引言 2
1 系统方案设计 3
1.1 系统整体方案设计 3
1.2 主控制器的选择 3
1.3 显示模块的选择 3
1.4 报警模块的选择 4
1.5 无线通信的选择 4
2 硬件设计 4
2.1 单片机最小系统设计 4
2.1.1 概述 4
2.1.2 晶振电路 4
2.1.3 复位电路 4
2.2 显示电路 5
2.3 报警电路 5
2.4 按键电路 5
2.5 无线通信电路 5
3 系统软件设计 6
3.1 主机系统软件设计 6
3.2 显示软件设计 6
3.3 无线通信子程序设计 6
3.4 按键扫描子程序设计 6
4 组装和测试 7
4.1 系统组装 7
4.2液晶显示上电测试 8
4.3系统报警上电测试 8
4.4无线通信上电测试 9
5 结语 9
参考文献 10
致谢 10
附录一 10

基于51单片机的病床呼叫系统
摘要
此项目为基于51单片机的病床呼叫系统，系统选取STC89C52控制器作为主控芯片，包括一个主板(接收信号)和一个发送板(发送呼叫信号)， 当病房中有病床按键按下后，通过无线模块通知主机，主机显示病床号信息，并且进行声音报警提示。如果主机的按键按下，则取消报警。系统的显示电路选取液晶LCD1602显示，无线通信选择NRF24L01，软件设计选择C语言，程序设计编写使用Keil软件。本系统通过无线模块实现通信，经过硬件和软件设计、组装与调试，最终实现病床呼叫系统，完成病床远程呼叫报警。
关键词： STC89C52；液晶显示；无线通信；声音报警；病床呼叫

Hospital bed calling system based on 51 single Chip Microcomputer
Abstract
This project is a hospital-bed alarming based on 51 microcontroller, the system selects STC89C52 controller as the main control chip. The system consists of a motherboard (receiving signal) and a sending board (sending call signal), when the key of the hospital bed is pressed in the ward, the host is notified by the wireless module, and the host displays the information of the hospital bed number and gives a sound alarm. If the key of the host is pressed, the alarm will be cancelled. The display circuit of the system selects LCD1602, NRF24L01 is chosen for wireless communication, C language is chosen for software design and Keil software is used for programming. This system realizes the communication through the wireless module, through the hardware and the software design, the assembly and the debugging, finally realizes the hospital-bed alarming system, completes the hospital bed long-distance call alarm.
Keywords：STC89C52; liquid crystal display; wireless communication; audible alarm; hospital-bed alarming.

引言
随着科学技术的日益发展和不断进步，流体流量和流体流速的精确控制被运用在越来越多的场合。化学化工实现对微量元素检测、分析十分依赖于精确流量控制；机械冶炼领域，对液态稀有金属地添加同样需要流量的把控[1]。再有就是医疗行业，需要精确控制的场所有很多，比如手术室、病房监控。尤其是在往患者体内输液时，可进行有效的输液控制果。
在西方发达国家，电子医疗设备的应用起步早，并经过实际临床证明，得到广泛的应用，早已形成了设备的智能化和自动化[2]。 早期的电子医疗设备都是高、精、尖的大型设备，而且庞大的投资，使全面推广受到限制。一家德国集团创建输液数据管理工作站主要用于在重症监护病房，重症监护病房的医生可以更方便的进行输液系统的管理。这套设备集输液治疗监护于内输液监测设备也是逐步发展。近年来，随着医疗保健制度和医疗模式不断完善，病房呼叫系统得到了改进和更新[2]。
中国在这方面起步较晚，很多设备都是进口产品，其价格相当昂贵。但国内病房呼叫设备也是逐步发展。近年来，医疗保健制度和医疗模式不断完善。呼叫系统发展到今天，从应用层面可以说已经进入到商业化运营阶段。国内许多的呼叫中心其服务模式，已经从单纯的客户服务向服务与经营的混合型模式转变。这首先是呼叫市场需求的结果，也是呼叫技术及管理发展的必然结果。信息时代的医院管理已经从传统的人管模式向智能化、电子化、信息化、网络化的高科技管理模式的方向迅速发展。“病房呼叫系统”可实现医院病房的智能化管理，可实现呼叫、报警、信息储存、显示等功能。为医院和患者都带来方便。因为病房呼叫在医疗中一直以来占有非常大的比重，科研人员也对病房呼叫系统不断进行改进和更新。
1 系统方案设计
1.1 系统整体方案设计
论文主要完成硬件以及软件设计两大任务。系统包括一个主板(接收信号)也就是下图中的主机，发送板(发送呼叫信号)也就是下图中的从机，从机设计4个按键，为4个病床报警按键。通过无线模块实现通信。当病房中有病床按键按下后，通过无线模块通知主机，主机显示病床号信息，并且进行声音报警提示，如果主机的按键按下，则取消报警。项目架构图如1-1所示。

图1-1 项目架构图
1.2 主控制器的选择
单片机是系统设计中最为重要的方案之一，所以系统使用STC89C52处理器。这款MCU设计了高集成化的存储时间很长的单片机设计方式去制造，此处理器可以使用MCS-51指令操作，并且在硬件接口上都是通用的。此MCU在功耗方面表现非常优秀，功耗很小，设计中使用的是CMOS的处理器，此处理器是8BIT的，MCU中具有8K比特的存储空间，此存储空间可以进行读写操作，读写次数高达上十万次，完全满足开发需要[3]。STC家族的MCU在工厂制造出厂会对其进行加密设计，外接的任何技术手法都不会对STC家族的MCU完成解密工作，此处理器的运行速度非常快，处理器的最高速度能够上升到420兆赫兹，处理器在很多复杂环境下都可以正常运行，稳定性非常优秀，最为需要关注的一点是，该处理器的成本可观，价格很低，在电子市场中随处可见。
1.3 显示模块的选择
系统的显示方案选择LCD1602。液晶显示效果清晰，一目了然，液晶显示的字样数量很多，包括所有的数字、字母，都可以进行显示。此款液晶电路设计非常简单、成熟，硬件电路设计上没有问题，设计通过地址数据输入、显示数据输入就可以对液晶进行控制，显示需要显示的数据，液晶显示不用进行扫描，只要输入数据，再不进行下一次刷新的时候，是不会更新显示内容的。最重要的是液晶的电源和系统电源一致，不用单独设计电源系统[4]。LCD1602该模块显示的内容多种多样，并且非常简单明了，价格合理，对于本设计而言，非常适用。虽然接口线连接的比较多，后期对整个电路进行测试时，就会非常容易得到测试结果。
1.4 报警模块的选择
系统需要进行报警设计，蜂鸣器可以发出响亮的蜂鸣声，所以选择蜂鸣器。系统在需要进行报警的时候，可以控制蜂鸣器蜂鸣。蜂鸣器的声调也可以进行控制，通过软件代码既可以完成。
1.5 无线通信的选择
无线数据交互选用nRF24L01模块。这个无线通信模块是要通过单片机的串口完成数据传递，开发简单。此产品能够实现无线数据交互控制，在无线传输产品中使用很多。产品的工作运行非常可靠，数据传输距离非常远，广泛适用于很多场合，无线数据传输准确度很高，功耗很小，成本很低，单片机控制起来也比较简单，所以很多科技公司都选择此产品作为开发方案。nRF24L01的操作是通过SPI通信协议实现的。SPI总线方案为同步串行外设方式，此方案能够让MCU和很多的相关设计硬件通过串行方案完成数据交互通[5]。
2 硬件设计
2.1 单片机最小系统设计
2.1.1 概述
系统主控模块选用STC89C52单片机,十分适用于学习开发使用。本设计对于一些外接设备要求一般，仅仅需要使用一些I/O口进行数据传输，实用化定时器用来计算经纬度信息发送间隔，同时通过蓝牙串口发送数据到上位机。这些要求本单片机都可以轻松完成，并且性能稳定十分符合设计要求。此单片机应用非常广，开发简单、电路设计容易，可以加快开发团队的开发进度，缩短开发周期[6]。开发成本低，被很多企业所选择。器件内部的运行速度很快，引脚数量大，是很多开发方案的首选。
2.1.2 晶振电路
单片机的运行离不开晶振电路，此电路是单片机系统必不可少的外围硬件，如果此电路出现异常情况，单片机系统必定会瘫痪，无法运行，导致整个系统出现故障。处理器读取一条代码的用时，这个时长就是处理器的一个机器周期，这个时长对于处理器就是节拍。处理器设计了晶振，这样就产生了时钟，整个系统都需要时钟的存在才可以启动运转。因此，晶振电路是处理器运行的核心外围电路。本设计选择的是12兆赫兹的振源。单片机的内部带有振源，但是由于设计需要，这里选择了外部振源。电路图如图2-1所示。
2.1.3 复位电路
处理器设计了复位功能电路，就是在系统想要重回到从新启动的状态之后，就可以通过此功能电路对系统进行复位。其实处理器在开始上电运行的时候，就是一个复位的状态，所以处理器启动就是需要进行复位的。单片机的重启需要复位电路对复位接口输入一定要的信号脉冲，要求的有效脉冲信号是5ms时间。大部分设计的方案是选择上电复位。但很多时候需要进行手动复位，所以设计了按键复位设计，这样可以非常方便的进行系统复位操作。在开发和使用中都非常有用。如图2-2所示。
2.2 显示电路
本设计中，选择能显示内容较多的性价值比的LCD1602液晶显示屏。LCD1602液晶显示器性价比高、接口多、功能丰富，这使得它具有有极广的应用范围。在系统设计当中选用液晶显示器来进行数值的显示有着诸多的优点：从显示的效果上看，液晶显示的稳定性要更高，而且非常清晰，在接收到从单片机传来的信息后，显示器的屏幕会被自动点亮，且亮度会一直保持不变，而在不需要显示的时候又会对屏显进行刷新，直到接收到其他的显示命令为止[7]。在液晶显示器的内部，液晶分子的状态会随着显示内容的不同而发生改变，而且价格比较低，质量很轻，有着比较高的安全性。
2.3 报警电路
蜂鸣器是我们现实生活中比较常见的一种发声器件，它的应用范围也是比较广泛。通常情况下蜂鸣器可以按照电源驱动的方式来分成有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。两种蜂鸣器之间各有特点，这里考虑到成本问题，本系统选用的是无源蜂鸣器进行工作。系统控制蜂鸣器进行声音报警提示。蜂鸣器的设计成本很低，通过软件的设计即可完成要求的功能。通过单片机的P1.0进行控制。它们的驱动设计图如图2-3所示。
2.4 按键电路
按键有独立式和行列式两种不同类型的键盘之分，行列式键盘又没人们称之为矩阵式键盘。而在本设计当中，本次选择独立式键盘，是通过判断按钮按下时单片机引脚电压变化情况来控制的。这种方法简单有效，非常适用于此系统。在系统设计中，人机之间的交互需要借助于按键来得以实现，而对于按键的电路设计需要与软件相结合，同时还需根据实际使用中所出现的问题来进行分析，单纯扫描键盘的方式是无法实现的。系统中的单片机键盘在实际使用时是独立的，同时还要对按键的矩阵进行设计，这两个方面有着很大的区别[8]。对键盘电路的设计还有一个比较好的功用，那就是能够有效节约端口的资源，因此在键盘电路设计中人们通常会选择矩阵键盘这样可以更好地对多按键电路进行优化。从机设计4个按键，为4个病床报警按键。按键电路图如图2-4所示。
2.5 无线通信电路
无线通信方案选取nRF24L01模块。单片机通过SPI通信协议与无线模块进行通信。SPI 接口一般都使用与存储设备的通信，FLASH的操作，实时时钟系统，AD 处理模块，以及数字信号处理设备和数字信号解码设备[9]。SPI的数据传输速度很快，同步的数据传输方案，而且和单片机的使用，仅仅需要单片机的四个引脚既可以完成通信，省去主控制器很多的接口，在电路设计上非常简单，这就是此方案的优势，由于这种优势，很多的产品方案都是选择这种方案进行数据传。SPI电路接口如图2-5所示。

图 2-1晶振电路 图 2-2 复位电路 图 2-3蜂鸣器报警电路图 图 2-4 按键电路 图 2-5无线通信电路
3 系统软件设计
C语言是目前使用最多的一门单片机开发语言，它的语言设计简单易懂。开发语句容易理解，很想英文，有的关键词完全可以和英文含义对上号[10]。很多复杂的逻辑可以用C语言中简单的语句实现。相比于汇编语言，C语言的优势非常明显，汇编语言非常难以理解，对于开发非常不适合，C语言的出现，让开发者更容易去完成软件设计。开发环境Keil是专用单片机开发工具。
3.1 主机系统软件设计
系统设计代码开发涵盖：软件初始化、按键扫描、无线通信、显示控制、报警控制等。通过无线模块实现通信。当病房中有按键按下后，通过无线模块通知主机，有报警信息。主机显示床位报警信息，并且进行声音报警提示。见图3-1所示。
3.2 显示软件设计
数码管选择的是4位一体数码管，需要对其的位选信号进行扫描，在选择对应的位信号的输出对应的数据信号[11]。LED数码管动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管的，因此要考虑每一位点亮的保持时间和间隔时间。保持时间太短，则发光太弱而人眼无法看清；时间太长，则间隔时间也将太长。在程序中要合理的选择合适的保持时间和间隔时间。如图3-2所示。
3.3 无线通信子程序设计
系统的无线通信包括发送数据和接收数据。需要进行数据发送时，将nRF24L01控制在待机工作状态，IO设计状态，工作状态选择完成后可以对寄存器进行操作，若此时单片机要传输数据，就可以按照数据手册要求时序对无线模块进行操作。给定需要传输的地址数据，这个地址就是要发送的地址，接收端和发送端数据的宽度以及参数必须要一致，否则不能进行通信[12]。以上工作完成后，单片机可以进行数据传输。
3.4 按键扫描子程序设计
独立按键的扫描，首先需要对按键有效信号进行检测，当第一次检测到按键有效信号后，需要进行消抖，也就是延时一段时间，再次判断按键信号是否有效，这样的设计是为了避免有干扰信号，所以必须进行按键消抖，这样可以保证按键扫描的稳定性。独立按键软件设计流程图如图3-3所示。

图3-1系统软件设计流程图 图3-2显示软件设计流程图 图3-3按键软件设计流程图
4 组装和测试
4.1 系统组装
在进行系统实物的制作前需要根据系统要实现的功能以及电路设计原理图来进行系统实物的制作，然后根据要实现的功能来分别对其进行相应的测试，以检验其功能是否能够实现。在此之前需要做好充分的准备工作，检查电子元器件的数量、规格、型号以及元器件是否完好，这是确保硬件实物焊接的基础。上电前调试，首先需要完成实物的焊接，组装，需要有详细的器件清单。在采购电子元器件时应尽量每种电子元器件多备份至少一个，以防止出现问题时有替代品可以进行更换[13]。然后利用万能表或者其他的电子仪器来检测电子元件的好坏，避免在使用过程因为某个元器件坏掉了而影响到系统的正常工作；最后需要按照实物连接顺序来进行硬件电路的焊接，焊接时需要小心不要损坏到电子元器件和硬件电路，并且在要做好电路连接的调试工作，防止出现焊接松动、脱落等问题导致系统出现接触不良或者影响系统的正常工作。在实物连接完成后上电前需要再次检查硬件电路有没有问题，确认无误之后通过下载器与引出来的单片机引脚进行连接完成程序的下载，并上电进行初始化测试[14]。在做开发的时候一般是完成项目设计，然后对所有功能进行方案设计，硬件和软件的设计需要先进行硬件开发，硬件设计没有一点问题，才可以开始软件开发，单片机系统无误后，进行为他外围设计的开发，可以借助单片机系统调试外围设备，可以设计简单的电路帮助我们进行开发，比如按键、指示灯作为开发指示作用。如果系统不工作了，首先要测量系统电源是否正常，在确认这个信息的情况下检查其他电路数据才是有意义的。如果电源正常，则就需要检测系统的核心部件，单片机的电源是否正常，检测电源需要在所以测量器件本身的电源处，越近越好，排除其他因素的干扰。如果单片机的电源正常，则需要测量他的核心电路，也就是晶振电路，晶振电路有问题，单片机也是无法工作的。晶振的测量除了需要检测电源，还可以使用示波器，观察晶振输出的脉冲信号是否有效。