基于單片機(jī)的病房緊急呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹了一種基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要模塊是由51單片機(jī)系統(tǒng)、1602液晶顯示器及其他單元電路組成，同時(shí)也利用單片機(jī)的全雙工通信來實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊之間的通訊功能。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)核心控制器主要采用價(jià)格低廉，性能可靠的51單片機(jī);整個(gè)設(shè)計(jì)模塊的主要工作原理是分機(jī)按鍵呼叫，主機(jī)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)顯示呼叫的號碼和呼叫次數(shù)，主機(jī)按鍵可查詢分機(jī)呼叫次數(shù)。使用本設(shè)計(jì)的病房緊急呼叫系統(tǒng)，具有很重要的應(yīng)用價(jià)值，可以使病人快速找到醫(yī)生，以節(jié)約病人的寶貴時(shí)間。

設(shè)計(jì)一款能滿足大眾要求，適合各種服務(wù)性行業(yè)的緊急呼叫系統(tǒng)，無疑會對改善人們生活起著十分重要的作用。對醫(yī)院單位而言，在同類行業(yè)中，需要對病人或客戶進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的服務(wù)和治療，這就需要一種能夠提高醫(yī)院工作人員辦事效率的設(shè)備，而這種便捷服務(wù)式的呼叫系統(tǒng)節(jié)約了大量的人力，財(cái)力。對醫(yī)院工作人員而言，不需要頻繁的去查房、更不需要高聲應(yīng)答病人或家屬，免去了無數(shù)次的來回奔波，維護(hù)了醫(yī)院良好的安靜環(huán)境，同時(shí)能夠準(zhǔn)確的給病人更好的服務(wù)和解決突發(fā)事件。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分主機(jī)和從機(jī)兩部分，集串行通信，液晶顯示，蜂鳴器報(bào)警于一體，具有施工快捷、簡單、故障率低、移動(dòng)方便，使用該呼叫器的病人，無需四處張望尋找，也無需高聲喊叫，只需輕松地按一下呼叫器的按鈕，所需要的服務(wù)就會得到及時(shí)的解決。

1 串行通信技術(shù)

1.1 單片機(jī)串行通信功能

計(jì)算機(jī)與外界的信息交換稱為通信，常用的通信方式可分為兩種：并行和串行通信。一次同時(shí)傳送多位數(shù)據(jù)稱為并行通信。并行通信其特點(diǎn)是通信速度快，但傳輸信號線多，傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)時(shí)線路復(fù)雜，成本高。

所以主要用于近距離的傳輸操作。按一位接一位順序傳送數(shù)據(jù)的通信稱為串行通信。串行通信其特點(diǎn)是傳輸線少，通信線路簡單，通信速度慢，成本低，適合長距離通信。本設(shè)計(jì)采用串行通信。

51單片機(jī)的串行接口是一個(gè)全雙工的接口，它可以作為UART(通用異步接受和發(fā)送器)用，也可以作為同步移位寄存器用。51單片機(jī)串行接口的結(jié)構(gòu)如下：

1)串行數(shù)據(jù)寄存器(SBUF)

串行數(shù)據(jù)寄存器SBUF，字節(jié)地址為99H，實(shí)際對應(yīng)兩個(gè)寄存器：發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)CPU向SBUF寫數(shù)據(jù)時(shí)對應(yīng)的是發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)CPU讀SBUF時(shí)對應(yīng)的是接收數(shù)據(jù)寄存器。

2)串行控制寄存器(PCON)

SCON用于串行通信方式的選擇，收發(fā)控制及狀態(tài)指示，各位含義如下：

SM0，SM1：串行接口工作方式選擇位，用于選擇四位工作方式。

SM2：多機(jī)通信控制位。

REN：接收允許控制位。軟件置1允許接收;軟件置0禁止接收。

TB8：方式2或3時(shí)，TB8為要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，根據(jù)需要由軟件置1或清0。

RB8：為發(fā)送數(shù)據(jù)的第9位，在方式2或3時(shí)，存放接收數(shù)據(jù)的第9位，在方式1時(shí)，若SM2=0，則為接收到的停止位。

TI：發(fā)送中斷標(biāo)志。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后由硬件自動(dòng)置位，并申請中斷。必須要軟件清零后才能繼續(xù)發(fā)送。

RI：接收中斷標(biāo)志。接收完一幀數(shù)據(jù)后由硬件自動(dòng)置位，并申請中斷。必須要軟件清零后才能繼續(xù)接收。

3)輸入移位寄存器

數(shù)據(jù)先串行進(jìn)入輸入移位寄存器，8位數(shù)據(jù)全移入后，再并行送入接收SBUF中。

4)波特率發(fā)生器

波特率發(fā)生器用來控制串行通信的數(shù)據(jù)傳輸速率的，51系列單片機(jī)用定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，T1設(shè)置在定時(shí)方式。波特率時(shí)用來表示串行通信數(shù)據(jù)傳輸快慢程度的物理量，定義為每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。

5)電源控制寄存器PCON

其最高位為SMOD，稱為波特率加倍位。若SMOD位為1，則波特率加倍。

6)波特率計(jì)算

當(dāng)定時(shí)器T1工作在定時(shí)方式的時(shí)候，定時(shí)器T1溢出率=(T1計(jì)數(shù)率)/(產(chǎn)生溢出所需機(jī)器周期)。由于是定時(shí)方式，T1計(jì)數(shù)率=fORC/12。產(chǎn)生溢出所需機(jī)器周期數(shù)=模M-計(jì)數(shù)初值W。

1.2 MAX232芯片

MAX232芯片是美信(MAXIM)公司專為RS-232串口設(shè)計(jì)的單相電源電平轉(zhuǎn)換的芯片，使用正5 V單相電源供電系統(tǒng)。如圖1所示。

第1部分主要是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成的。其功能是產(chǎn)生+12v和-12v電源，提供給RS-232串口。

第2部分主要是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成其中的兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。

其中13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數(shù)據(jù)通道。

8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數(shù)據(jù)通道。

TTL/CMOS數(shù)據(jù)從11引腳(T1IN)、10引腳(T2IN)轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從14腳(T1OUT)、7腳(T2OUT)送到電腦DB9插頭;DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從13引腳(R1IN)、8引腳(R2IN)輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從12引腳(R1OUT)、9引腳 (R2OUT)輸出。

第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC(+5 V)。

1.3 串行通信軟件實(shí)現(xiàn)

1)串行口工作于方式1;用定時(shí)器1產(chǎn)生9600bit/s的波特率。

2)通信協(xié)議：主機(jī)首先發(fā)送連絡(luò)信號(AAH)，從機(jī)接收到之后返回一個(gè)連絡(luò)信號(BBH)表示從機(jī)已準(zhǔn)備好接收。

3)通信過程使用第九位發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。

4)從機(jī)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，若數(shù)據(jù)沒有錯(cuò)誤，則返回00H，否則返回FFH。

5)主機(jī)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)后，等待從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù);若為00H，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，若為FFH，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 液晶顯示1602

2.1 電路設(shè)計(jì)

液晶顯示LCM1602[3，4，5，6]是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線的傳輸方向的特性來實(shí)現(xiàn)信息顯示。一種常用的2行16個(gè)字的液晶模塊，它的顯示功能比較豐富，通過不同的地址編碼，既可以顯示出不同的阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫，還可以顯示出常用的符號和日文假名等。它的電路設(shè)計(jì)比較簡單，八個(gè)數(shù)據(jù)線口可以直接和單片機(jī)的口相連，典型的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 LCM1602引腳及功能介紹

LCM1602共16個(gè)引腳，各個(gè)引腳功能如下：

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：V0為液晶對比度調(diào)整端，當(dāng)其接正電源時(shí)對比度是最弱的，而接地電源時(shí)其對比度最高。

第4腳：RS為寄存器選擇端，高電平時(shí)表示選擇數(shù)據(jù)、低電平時(shí)表示選擇指令。

第5腳：RW為讀寫信號端，高電平時(shí)表示讀操作，低電平表示寫操作。RS和RW共同為低電平時(shí)表示可以寫入指令或顯示地址。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行其命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向的數(shù)據(jù)線。

第15～16腳：為背光的陽極腳和陰極腳，如果模塊是不帶背光的，則為空腳。

說明：1為高電平、0為低電平

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

主機(jī)程序流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)中主機(jī)的流程圖主要由以下幾個(gè)主要部分組成：首先開啟主程序，程序經(jīng)過初始化之后，主機(jī)發(fā)送AAH到從機(jī)，從機(jī)如果不應(yīng)答，則返回上一層流程，否則主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)判斷輸出是否完成，若完成則清除標(biāo)志位，否則返回上一層流程。

分機(jī)程序流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)中分機(jī)的流程圖主要由以下幾個(gè)主要部分組成：首先開啟主程序，程序經(jīng)過初始化之后，接收數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算檢驗(yàn)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的累加值，如果檢驗(yàn)的累加值和主機(jī)的數(shù)據(jù)相等，則發(fā)送00H到主機(jī)，否則發(fā)送FFH;發(fā)送00H到主機(jī)后，進(jìn)行接收完成判斷，若完成則清除標(biāo)志位，然后將結(jié)果顯示到LCD屏上，否則返回到第三個(gè)流程階段，再次計(jì)算檢驗(yàn)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的累加值，然后重復(fù)后續(xù)流程階段。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中遇到的最大的困難就是程序的調(diào)試，串口程序的初始調(diào)試還算比較順利，先根據(jù)數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)了串口間的發(fā)送與接收，然后換成1602液晶以后問題接踵而來，開始的時(shí)候復(fù)位需要在分機(jī)上進(jìn)行，但是問題是分機(jī)上復(fù)位了患者也不能立馬看到主機(jī)上的復(fù)位效果，所以效果不能真正的實(shí)現(xiàn)。然而通過再次查閱有關(guān)串口通信的資料，得知串口通信發(fā)送接收一次要進(jìn)行一次初始化，問題隨之而解。其次在進(jìn)行主機(jī)按鍵查詢的程序設(shè)計(jì)中費(fèi)了不少功夫，開發(fā)板上的按鍵不能中斷串口通信的過程，而且串口通信的接口和鍵盤的一排按鍵的接口是復(fù)用的，給設(shè)計(jì)帶來了不小的麻煩，最后利用中斷的優(yōu)先級的設(shè)定，利用外部中斷的優(yōu)先級高于定時(shí)器中斷的優(yōu)先級有效的解決了主機(jī)按鍵查詢的問題。