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病床呼叫系统毕业设计532020年4月19日文档仅供参考湖北师范学院自学考试本科毕业论文Bachelors Thesis论文题目病床呼叫系统毕业论文设计作者姓名刘克耐专业名称机电准考证号指导教师程舰通讯地址湖北师范学院12级机电联系电话完成时间 3月1号摘 要医院已经从人工管理模式向智能化方向发展。“病床呼叫系统”能够实现对病房的智能化管理，可实现呼叫、求救警报、信息存储、显示等等功能。患者在住院期间，可能会在任意时间请求医生或护士进行诊断或护理。病床求助呼叫是传送临床信息的重要手段，病床呼叫系统是患者向值班医生或护士发出紧急呼叫的工具，要将患者的请求快速传给值班医生或护士，并在护士站的监控中心留下准确完整的记录，是提高医院和病室护理的重要组成部分。本系统以STC89C51单片机为核心辅以4个外接键盘、LED点阵显示电路和部分简单模拟和数字电路组成的，能够实现病人和医护人员之间信息的传递。在该设计中模拟2个病房每个病房2个病床编号0101/0102和0201/0202，每个病床都有一个按键，当患者有需要时，按下按键，此时 值班室的显示屏可显示此患者的病房号和床位号，医护人员按下“响应”键取消当前呼叫。此系统能够为医院提供一个成本低、效率高、操作方便和易于安装维护的快捷系统。关键词：单片机;键盘;点阵;LED;病床呼叫系统AbstractManagement model of hospital from artificial intelligent direction.Bed call system can achieve the intelligent management of the ward; can realize the call, distress alert, information storage, display and more. Patients during hospitalization may at any time request the doctor or nurse for the diagnosis or nursing. Beds help call is an important means of transmission of clinical information, bed call system is a tool for patients issued an urgent call to the on duty doctor or nurse, you want to the patients request quickly passed to the duty doctor or nurse, and left the nurses station monitoring center accurately the complete record is an important part to improve the care of hospitals and sick rooms.STC89C51 single-chip at the core of the system combined with 4 external keyboard, LED dot-matrix display circuit and some simple consisting of analog and digital circuits, transmission of information between patients and health care personnel can be achieved Simulation in the design of two wards each ward two beds in 0101/0102 0201/0202, each hospital bed has a button, when the patients when necessary, press the button, the display of the duty room to display in this patient ward number and bed number, health care workers press the response to cancel the current call. This system can provide a low cost, high efficiency, easy operation and easy installation and maintenance system for the hospital.Keywords：MCU; Keyboard; Dot matrix; LED display; Calling system目 录1. 绪论11.1 课题背景11.2 病床呼叫系统发展概况11.3 课题研究的目的和意义22. 51系列单片机的简介32.1 单片机的发展介绍32.2 单片机的结构特点32.3 单片机的实际应用32.4 控制器STC89C5142.5 单片机的发展趋势62.6 病床呼叫系统发展73. 接口技术和程序设计语言93.1 键盘接口93.2 显示器接口93.2.1 液晶显示器93.2.2 LED点阵显示屏93.2.3 数码管显示原理103.3 程序设计语言113.3.1 单片机C语言的特点113.3.2 单片机C语言使用的编程软件114. 基于单片机的病床呼叫系统的设计实现134.1 系统总体设计134.1.1 功能要求134.1.2 设计方案134.1.3 总体结构框图134.2 系统硬件设计134.2.1 硬件构成示意图134.2.2 外围电路设计144.3 系统软件设计204.3.1 设计的软件环境简介204.4 系统的调试与结果224.4.1 调试界面显示224.4.2 程序开发及代码调试23结论27致谢28参考文献29附录301 绪 论1.1 课题背景在这个瞬息万变，竞争激烈的时代，选择一个优越的工具往往能提升企业在这个市场上的竞争力。特别医院的竞争越来越激烈，商业医院的生存是第一位，提升档次和服务质量迫在眉睫，陪护问题一直是医患矛盾的主体，也是长期困扰卫生系统服务质量的大问题，使用病房呼叫系统，方便病人更快找到医生，以节约病人的宝贵时间。病床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，是提高医院水平的必备设备之一。病床呼叫系统的优劣直接影响到病员的安危，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。当前市场上存在着许多种型号不一功能各异的医院病房呼叫系统，主要为两大类：有线式和无线式。无线式病房呼叫系统不存在铺设线路的问题，可是可靠性差，而且无线电波会干扰其它医疗仪器设备。本文设计的是有线式的，适合较小的医院病房使用，具有成本低，易于操作、安装和维护，而且具有可靠稳定，对其它医疗设备不会产生干扰的特点；但受到布线较多，影响美观，故不适宜较大的医院。病床呼叫管理系统便于病员快捷的呼叫护士，缩短人工呼叫的时间。当今病房呼叫系统正在逐步地向智能化发展，它能够和录像机一起使用，当病人按下开关时，在护士值班室的大屏幕能够观察病人的需要。而且能够配备对讲机等设备，能够使病员及时快捷地与医护人员进行沟通。1.2 病床呼叫系统发展概况呼叫系统发展到今天，从应用层面能够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，网络化得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。在中国，约在 30，000 个医院中仅 30 的医院拥有自己的信息管理系统；拥有前端电话接入系统的医院就更少了。当前市场上存在着许多种型号不一功能各异的医院病房呼叫系统，主要为两大类：有线式和无线式。传统的有线式病房呼叫系统往往采用集中式结构，电源线、数据通信线、语音通信线分开传输，具有铺设线路较多、成本高、安装调试困难、实时性差、故障率较高等缺点。无线式病房呼叫系统可靠性差，而且无线电波会干扰其它医疗仪器设备，当前大多数医院不采用无线呼叫系统。1.3 课题研究的目的和意义病床呼叫是传送病床信息的重要手段。病床呼叫系统可将病人的请求快递传送给值班医生和护士。呼叫系统的优劣直接关系到病人的安危，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。单片机多机通信和计算机监控管理技术的具有呼叫、振铃、显示 等功能的病床呼叫系统，基本满足了医院的病房护理要求。本课题基于单片机的医院病床呼叫系统设计，系统维护简单，工作应用简单，有一定的实用价值。2 51系列单片机的简介2.1 单片机的发展介绍单片机的发展经历了几个跨越阶段。单片机也被称作“单片微型计算机”、“微控制器”和“嵌入式微控制器”，单片机一词最初源于“Single Chip Microcomputer”，简称SCM。随着单片机在技术和体系结构上的进步，其控制功能不断扩展，国际上逐渐采用“MCU”（Micro Controller Unit，微控制器）来代替SCM。单片机的发展历史大致分为4个阶段。第一阶段：单片机的探索阶段。这一阶段主要是探索如何把计算机的主要部件集成在芯片上。第二阶段：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48的基础上推出了完善的、典型的MCS-51单片机系列。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构：设置了经典、完善的8位单片机的并行总线结构；外围功能单元由CPU集中管理的模式；体现控制特性的地址空间和位操作方式；指令系统趋于丰富和完善，而且增加了许多突出控制功能的指令。第三阶段：向微控制器发展的阶段。这一阶段主要是为了满足测控系统要求的各种外围电路和接口电路，突出其职能化控制能力。第四阶段：单片机的全面发展阶段。由于很多大半导体和电气厂商都开始参与单片机的研制和生产。随着单片机在各个领域全面深入的发展和应用，逐渐出现了高速、低功耗、大寻址范围、强运算能力的8位、16位、32位通用型单片机以及小型廉价的专用型单片机，还有功能全面的片上单片机系统1。2.2 单片机的结构特点以下介绍了单片机的一些特点。单片机是微型机的一个重要分支，它在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模的集成电路芯片上。单片机内是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要有较强的抗干扰能力，较低的成本。单片机由于这种结构，因此具有很多显著的特点。主要有控制能力强，抗干扰能力强、可靠性高，性能价格比高，低功耗、低电压，扩展了多种串行口和系统扩展容易等特点。2.3 单片机的实际应用单片机在实际应用中占有重要地位。单片机广泛应用于仪表仪器、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为以下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等特点，广泛应用于仪器仪表中看，结合不同类型的传感器，能够实现诸如电压、功率、频率、温度、流量、速度、角度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化。且功能比采用电子和熟悉电路更加强大。（2）在工业控制中的应用用单片机能够构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器中的应用能够这样说，现在的家电基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其它音响视频器材、再到电子称量设备，五花八门，无其不有，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域的应用现在的单片机普遍具有通信接口，能够很方便的与计算机实现数据通信，为计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，能够的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在易用设备领域中的应用相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声波诊断设备及病床呼叫系统等等。另外单片机在工商、金融、科研、教育、国防、航空航天领域都有相当广泛的应用2。2.4 控制器STC89C51本设计采用了STC89C51单片机。STC89C51是中国本土宏晶公司生产的低电压，高性能，超强抗干扰CMOS8位单片机，片上集成1280字节或512字节RAM，工作电压5.5V3.3V，工作频率范围040MHZ，实际工作频率可达48MHZ，片内有EEPROM功能，工作温度范围-40+85。 数据存储器(SRAM)，器件采用宏晶公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大STC89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要特性： 与MCS-51产品指令系统完全兼容 4K字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作:0Hz-40MHz 三级加密程序存储器 1288字节内部RAM 32个可编程I/O口线 2个16位定时/计数器 2个中断源 INTO/INT1 通用异步通信口UART STC89C51单片机采用40Pin封装的双列直插 DIP结构，图1.1是它的引脚配置图。40个引脚中，正电源和地线两根；4组8位I/O口，共32个引脚；时钟电路引脚 XTAL1和 XTAL2；控制信号引脚包含：复位输入端 RST，地址锁存允许输出/编程脉冲输入端 ALE/PROG，片外程序存储器选通控制信号端 PSEN，内外程序存储器选择/编程电源输入端 EA/VPP，其结构如图2.1所示3。P1.0 VccP1.1 P0.0P1.2 P0.1P1.3 P0.2P1.4 P0.3P1.5 P0.4P1.6 P0.5P1.7 P0.6 P0.7P3.0 P2.0P3.1 P2.1P3.2 P2.2P3.3 P2.3P3.4 P2.4P3.5 P2.5P3.6 P2.6P3.7 P2.7XTAL2 PSENXTAL1 ALE/PROGRST EA/Vppstc89C51图2.1 STC89C51单片机引脚图2.5 单片机的发展趋势单片机的发展越来越趋于智能化。1946年电子数字计算机诞生，在此后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性等优势，迅速走出机房；基于高速数值计算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣。当今单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，能够预示单片机的发展趋势，大致有： 低功耗化CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。因此这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。另外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国TW的Winbond系列单片机。因此C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国TW的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。另外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路4。2.6 单片机技术的发展单片机的技术发展日薪月异。数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在当前，用户对单片机的需要越来越多，可是，要求也越来越高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。 内部结构的进步单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常见的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D /A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。 功耗、封装及电源电压的进步 现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列，它是一个 16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。当电源为3V时，如果工作于 LMP1方式，即使外围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于14MHz，这时功耗只有50mA。 工艺上的进步单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它能够嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。当前，把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。可是，Internet一向是一种采用肥服务器，瘦用户机的技术。这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了杀鸡用牛刀了。要实现嵌入式设备和Internet连接，就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和Internet连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备能够和Internet相连，并经过标准网络浏览器进行过程控制。单片机在当前的发展形势下，表现出几大趋势：可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。所集成的部件越来越多；NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图像部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它能够讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。3 接口技术和程序设计语言3.1 键盘接口在单片机的应用系统中，一般都有“人机”对话功能。它包含人对系统的状态干预、数据的输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果等。键盘成为人机联系的必要手段，此时需要配置适当的键盘输入设备5。键盘中的每个按键都是一个常开的开关电路，当所设置的功能键或数字键按下时，则处于闭合状态。对于一组键或一个键盘，需要经过接口电路与单片机相连，以便将键的开关状态通知单片机。单片机能够采用查询或中断方式检查有无键的输入以及是哪个键被按下，并经过转移指令转入执行该键的功能程序，执行完再返回到原始状态。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态都不会影响其它I/O口线的工作状态6。3.2 显示器接口显示器主要是为了快速的反馈信息。为了方便人们观察和监视单片机运行情况，一般需要利用显示器作为单片机的输出设备，以显示单片机的键输入值、中间信息以及运算结果等。在单片机应用系统中，常见的显示器主要有LCD（液晶显示器）和LED（发光二极管显示器）。这两种显示器都具有耗电省，配置灵活，线路简单，安装方便，耐振动，寿命长等优点。3.2.1 液晶显示器液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是一种极低功耗的显示器。由于其具有清晰度高，信息量大等特点，从而使得它越来越广泛地应用在小型仪器的显示中。把LCD与驱动器组装在仪器的部件的英文名称为LCD Module，简称LCM。LCM一般分为三类，即段码型液晶模块、点阵字符液晶模块和点阵图形液晶模块。3.2.2 LED点阵显示屏LED点阵显示屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、程序库，具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示，称可编程序型。当前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内的另一种LED显示屏可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点7。3.2.3 数码管显示原理本设计采用了八段数码管。我们最常见的是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点其它的基本相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，经过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一LED的一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。其原理如图3.1和图3.2所示。图3.1 八段LED数码管图3.2 LED数码管原理图单片机能执行的程序能够用很多种语言编写。从语言结构及其与单片机的关系两方面可分为三大类：分别是机器语言、汇编语言和高级语言。3.3 程序设计语言单片机程序设计语言主要包括：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是一种用二进制代码“0”和“1”表示指令和数据 的最原始的程序设计语言。由于计算机只能识别二进制代码，因此，这种语言与计算机的关系最为直接，计算机能够快速识别并立即执行，响应速度最快。但这种语言编写程序非常繁琐、费时，且不易看懂，不便记忆，容易出错。汇编语言是一种用助记符来表示的面向机器的程序设计语言。不同的机器所使用的汇编语言一般是不同的。这种语言比机器语言更加直观、易懂、易用，且便于记忆。可是由于不同机器的汇编语言不同，这种语言有一定的局限性，移植性差。高级语言是一种面向过程且独立于计算机硬件结构的通用计算机语言。当前在单片机应用最广泛的是C语言8。3.3.1 单片机C语言的特点对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对单片机的存储结构有初步的了解。寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理。程序有规范的结构，可分为不同的函数，可使程序结构化。关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用。编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率。提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力等。3.3.2 单片机C语言使用的编程软件 编程软件编程软件主要运用了Keil C51。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，经过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN 、WINXP、WIN7等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 仿真软件Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，能够仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。它是当前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然当前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。4 基于单片机的病床呼叫系统的设计实现4.1 系统总体设计4.1.1 功能要求本课题主攻方向是使系统实现以下目的：任一病房（共2个病房）呼叫，医护值班室马上能响应并显示病房号；显示病房床号（每个病房2个床位）；并在护士值班室发出警报提示音和警报提示灯显示处理完毕后清除记录；显示器不重复显示按一次以上的病床号4.1.2 设计方案本课题的设计方案主要思想为：用89C51自身接口实现数码管静态显示和键盘扫描，使用89C51单片微机外加一块MAX232-CPE芯片可构成一个完整的最小微机电路。用P0口的八个端口作为LED数码管的段选，用P1口的第四位的四个端口作为LED4*8数码管的位选，用P3口的高四位做4端子的键盘电路的接口，用P1口的6号端口（P15）作为报警蜂鸣器的电源接口，用P2口的八个端口作为LED报警信号灯的段选。报警信号灯以流水灯方式动态点亮八个发光二极管，以每200ms/个的速度点亮LED信号灯，实现肉眼难以察觉的流水显示状态，当病房端按下呼叫按钮，在护士值班室相应点亮LED信号灯，并持续显示到值班室响应呼叫。4.1.3 总体结构框图总体结构包含了整机的设计。本设计是基于STC89C51单片机设计的病房呼叫系统设计，该系统就是以宏晶公司的STC89C51单片机作为主控器，包括键盘输入电路，显示电路，晶振复位电路，报警蜂鸣器电路，以及LED报警信号灯电路等来实现病房呼叫系统，总体架构如图4.1所示。输入部分键盘输入控制器Stc89C51输出部分LED显示图4.1病房呼叫系统结构框图4.2 系统硬件设计4.2.1 硬件构成示意图硬件构成主要包含了各功能模块的设计。该硬件电路由键盘电路，单片机，显示电路（包括数码管显示），报警电路（包括流水警报灯、蜂鸣警报器），硬件构成结构图如图4.2所示。键盘电路单片机显示电路报警电路图4.2 硬件构成示意图4.2.2 外围电路设计中央处理器输入模块动态LED显示定时部分声光提示模块电源模块病人端处理提示模块图4.3 外围电路输入模块包括病人呼叫使用按键、医护人员处理后的复位按键和调节定时时间的按键，病人呼叫经过按键输入信号经过中央处理器处理后从动态LED输出显示，同时有声光提示。动态LED能够显示病人病床号、呼叫持续时间和定时时间。病人端处理提示模块用发光二极管实现，声光提示包括中断结束声光提示和病人呼叫时的声光提示。外围电路的整体架构图如图4.3所示。 控制器AT89C51复位电路：RST引脚是复位信号输入端，高电平有效。采用上电加按钮复位，因为本系统设计考虑到该系统比较重要，因此除了采用上电复位的方式外，应该还有按钮复位备用复位方式以防止系统死机时能。其设计电路如图4.4所示。VCCRSTMCU51 C110uF R12K R2200KRESET 图4.4 上电复位和按键复位 时钟电路：时钟电路提供了一个准确的定时器功能。时钟是时序的基础，AT89C51核片内由一个反相放大器构成振荡器，能够由它产生时钟，时钟能够由两种方式产生内部方式和外部方式。本系统采用内部方式，在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频。电容采用30pF电容。始终电路设计如图4.5所示9。XTAL1XTAL2单片机C1C2图4.5 内部时钟电路 键盘电路设计 按键的分类按键有许多中分类。一般来说，按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。当前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。按键按照接口原理又可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的识别。全编码键盘由专门的芯片实现识键及输出相应的编码，一般还具有去抖动和多键、窜键等保护电路，这种键盘使用方便，硬件开销大，一般的小型嵌入式应用系统较少采用。非编码键盘按连接方式可分为独立式和矩阵式两种，其它工作都主要由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中。 按键的输入原理按键一般分为触点式和其它按键。在单片机应用系统中，一般使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL 逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。另外，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。因此，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。 对于一组键或一个键盘，经过接口电路与单片机相连。单片机能够采用查询或中断方式了解有无按键输入并检查是哪一个按键按下，若有键按下则跳至相应的键盘处理程序处去执行，若无键按下则继续执行其它程序。 按键的特点与去抖按键有抖动时间会影响单片机做出反应。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，一般伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5 10 ms。在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。一般来说，在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。常见的按键由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时或断开时不会马上稳定下来，因而在闭合和断开的瞬间都伴随着一连串的抖动，抖动的时间长短由按键的机械特性来决定，一般为510ms。这种抖动对人来说是感觉不到的，可是对单片机来说，则是完全能够感知的，因为单片机的处理速度在微秒量级。如果不对按键消除抖动则会引起程序处理的误操作，去抖动的方法有很多种，如用R-S触发器等的硬件方法，运用不同算法的各种软件方法等。硬件方法会增加成本和体积，软件方法用的比较普遍，现在常应用加固定软件延时来去抖动。具体就是有按键按下时，利用软件延时10ms或者更长的时间后再次检测按键是否按下，实际上避开了按键按下时的抖动时间，实践证明，不对按键释放的抖动进行处理，也能满足设计的要求10。本设计中就采用了后者软件方法去抖动，具体方法如下：当第一次检测到有按键按下时，程序先不做任何其它的操作，运用延时函数delay(10)延时10ms后再次判断按键是否按下，如果再次检测到按键按下则做相应的动作。图4.6 独立式按键和矩阵式按键（本设计采用四个独立