毕业设计基于单片机和nRF905无线收发模块实现的医用无线病床呼叫系统.docx

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毕业设计基于单片机和nRF905无线收发模块实现的医用无线病床呼叫系统

摘要

随着科技的发展，无线应用技术已经渗透到生活的各个领域，无线传输技术也越来越成熟。

本设计是将无线传输技术应用到医院的研究型课题，实现基于单片机的由无线传输模块构成的无线医院病房呼叫器。

本毕业设计以STC89C52单片机为控制核心，通过无线收发模块nRF905发射接收信号，经STC89C52单片机处理后显示输出并伴有报警提示,从而实现病人与护士之间的无线远距离通信。

本病房呼叫系统能够实现远距离发射接收，其性能稳定、占用空间小、使用材料少、传输速度快、距离远，能够满足医院应用的要求。

关键词：

单片机STC89C52；无线传输模块；病房呼叫

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thewirelessapplicationtechnologyhaspenetratedintoeveryfieldoflife,andthewirelesstransmissiontechnologyisalsomoreandmoremature.Thisdesignisaboutthatthewirelesstransmissiontechnologyisappliedtohospitalresearchsubjecttomakethewirelesshospitalsickroombeeperwhichisbasedonsinglechipmicrocomputerandwirelesstransmissionmodule.

ThisdesignistakingSTC89C52ascorecontroltorealizethewirelesslong-distancedcommunicationbetweenthepatientsandthenurseswithnRF905wirelessmoduletransmittingandreceivingsignals.Thesickroomcallsystemcanrealizelongtransmissionandreceival.Besides,Ithasstableperformance,hightransmissionspeedandlongtransmissiondistance,andtakeslessrooms,useslessmaterial,andcansatisfytherequirementsofhospitalapplication.

Keywords:

chipmicrocomputerSTC89C52,wirelesstransmitmodule,sickroombeeper

前言

当代科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网络化发展，各种各样的制造业和通信业设备除了可以与计算机联机外，还可以互相联机，而实现设备间相互联机的最具发展潜力的方式就是无线通信。

与有线通信方式相比，无线通信具有一系列优点，特别适用于手持现场设备、电池供电设备、遥控遥测设备、水文气象监控设备、生物信号采集系统、工业数据采集系统等。

在上述无线通信技术应用实际中，无线通信协议起着至关重要的作用，直接关系到无线通信系统的安全性和误码率以及系统运行的速度。

医院病房呼叫器主要应用于医院病房、养老院等地方，方便医护人员和病人之间的沟通，是提高医院水平的必备设备之一。

病房呼叫系统的优劣直接影响到病人的安危，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。

我国传统的医院病房呼叫系统采用的大多都是有线传输，存在着安装布线复杂，检查维修困难，抗干扰能力差，病房扩建不易及费用高，不雅观的缺陷。

为克服以上的不足，本毕业设计介绍的是一种无线的医院病房呼叫器，其使用专用的无线收发模块nRF905，并使用单片机控制。

这样不但解决了复杂布线等问题，更能提高医疗服务水平，适应现代社会需求。

第1章绪论…….…………………………………………………………………….....1

1.1背景…………………………………………………………………………….…..1

1.2设计的目的及意义…………………………………………………………….…..1

1.3相关领域国内外技术和发展趋势……………………….………………….……2

第2章方案设计……………………………………………..……………………………3

2.1方案概述…………………………………………………………………………….3

2.2方案设计…………………………………………………………………………….3

2.2.1单片机的选择………………………………………………………………..4

2.2.2无线收发模块的选择………………………………………………………..4

2.2.3按键的选择…………………………………………………………………..4

2.2.4显示方式的选择……………………………………………………………..5

2.2.5报警器的选择………………………………………………………………..5

2.2.6电源转换电路的选择………………………………………………………..5

第3章硬件电路的设计…………………………………………………………………6

3.1单片机AT89S52的功能及最小系统的电路设计…………………………………7

3.2nRF905无线收发模块的功能…………………………………………………….....9

3.2.1nRF905无线收发模块的特点…………………………………………….10

3.2.2nRF905无线收发模块工作模式…………………………………………….11

3.2.3nRF905无线收发模块与单片机STC89C52的连接方案………………….12

3.3键盘电路设计…………………………….………………………………………..13

3.4地址变更电路的设计………………………...…………………………………....14

3.5LED数码管显示电路………………………...…………………………………....16

3.5.1LED数码管的引脚说明…………………………………………………......16

3.5.2LED数码管与单片机接口电路的设计…………………………………….16

3.6报警电路设计…………………………….………………………………………17

3.7电压转换电路的设计………………………..……………………………………17

第4章软件设计…………………………………………………………………………19

4.1主机软件设计………………………………….………………………………...19

4.2分机软件设计……………………………………..……………………………...21

4.3无线发送模块子程序设计……………………….……………………………...21

4.4无线接收模块子程序设计……………………….……………………………...23

第5章调试与实现………………………………………………………………………26

5.1KeilC51软件简介…………...…………….………………….………………....26

5.2系统硬件调试…………………………….………………………………………28

第6章结论………………………………………………………………………………29

第7章社会经济效益分析………………………………………………………………30

致谢…………………………….…………………………….…………………………..31

参考文献…………………………….…………………………….……………………..32

附录Ⅰ从机电路原理图.……………….....…………………………………………......35

附录Ⅱ主机电路原理图………………...……………………………………….............36

附录Ⅲ主机程序清单...………………….………………………………………............37

附录Ⅳ从机程序清单...…………………..………………………………………...........45

第1章绪论

1.1背景

近年来，随着人们生活水平的不断提高，人们对医疗水平的要求也不断提高，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，这同时也大大提高了医院医护人员应对突发事件的能力。

在以往医院，病人遇到突发情况时，由于向医护人员得不到及时的救助，往往错过了最佳治疗的时间，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,一种新型医院病房呼叫器的研制很有必要。

医院病房呼叫器可将病人的请求快速传送给值班医生或护士,并在值班室的监控中心主机上留下准确完整的记录,是提高医院和病室护理水平的必备设备之一。

呼叫器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。

目前大多医院的病床呼叫系统采用有线传输方式，有线传输占用空间较大，耗材多，而且不易移动，因此现今需要对病床呼叫系统进行升级，近年来在我国无线领域有了大的进展，这为此提供了有力的技术支持。

1.2设计的目的和意义

一款适合服务性行业的无线呼叫系统，对人们生活的改善，对企业形象的提升起着十分重要的作用。

对医院单位而言，在同类行业中，安静清雅的环境更具有竞争优势，快而准的服务极大地提高了工作人员的办事效率，便捷的呼叫系统节约了大量的人力，财力。

对医务人员而言，不需要时刻去查房、巡逻，更不需要高声应答病人或家属，免去了无数次的来回奔波，维护了医院良好的安静环境，及时而准确的给病人带来需要和服务。

对病人及其家属而言，不必在医院大声喧哗地呼叫医务人员，也不用亲自走到护士房告知护士，更不用在各个病房到处寻找护士。

即使病人在没有家属陪伴的情况下，也能及时呼叫得到护理。

只需轻轻一按从机的按钮，无论是在床上还是走廊，还是厕所，都能传达呼叫的信号。

护士只要在总机旁观察就能看到呼叫的房间，便能立刻派护士去查看和护理。

本设计是基于单片机和nRF905无线收发模块实现的医用无线病床呼叫系统，分为无线发射部分、无线接收部分、单片机控制部分、地址变更部分、显示部分、警报呼叫部分等。

本系统采用无线电方式实现信号的传递，单片机作为控制部件协调处理整个系统的工作，实现无线信号的远距离传输，减少了材料的耗费，安装简单，使医患沟通更加灵活，是无线网络技术在医院设备上的大胆应用，具有创新性。

1.3相关领域国内外技术和发展趋势

无线呼叫器是在有线呼叫器的基础上发展起来的，我们所常见的有线呼叫器，如：

医院的病床呼叫器、电梯里的求助按钮和公共场所的紧急报警按钮等，因其操作简单而有效。

但是有线呼叫器需要布线，费用高，施工繁琐而无法得到广泛应用。

有需求，就会有产品，无线呼叫器应运而生。

无线呼叫器从技术和应用可大致分为三个阶段：

第一阶段以调幅AM技术为主（即：

第一代无线呼叫器），主要用于场地较小的场所；第二阶段是以调频FM为核心技术的产品（即：

第二代无线呼叫器系统），信号稳定，适合大型组网，应用行业从茶楼、咖啡厅等小型服务场所，发展到大型娱乐场所、酒店、工厂、超市、学校和银行等行业，这个阶段是无线呼叫器应用发展最为迅速的一个时期；第三阶段是调频技术、语音技术和对讲技术为核心的语音无线呼叫系统，实现了无线呼叫器从模拟、数字到语音的蜕变，成为无线呼叫器系统应用的趋势和主流。

第2章方案设计

在对课题进行了深入了解的基础上，形成了最终的设计方案，本章的内容对本设计方案进行较为详细的说明。

首先应该对所设计的电路的总体框图有所了解，更应该了解各个部分。

根据对系统的分析与构思，本系统主要是由呼叫机和主机两部分组成。

呼叫机部分包括：

无线发送部分、单片机控制部分、地址变更部分、按键部分；主机部分包括：

无线接收部分、单片机控制部分、按键部分、报警部分、显示部分。

所以本章旨在如何最优的选择各部分器件以达到最佳的性价比。

2.1方案概述

本毕业设计是医院病房呼叫器的设计，设计的关键是实现呼叫机与主机之间的单工通信。

通过SPI通信协议，实现单片机对无线收发模块nRF905的控制以及数据的读取。

当主机收到呼叫机的呼叫时，单片机会控制报警器发出报警信号并通过LED数码管进行显示。

此外还可以通过主机上的按键来对其进行删除、翻页等操作。

本设计系统的硬件设计是以单片机STC89C52与nRF905无线模块为核心器件的一套收发系统，以制作出的电路板为实物，以C语言进行软件程序设计。

系统主要由无线收发模块、数码显示电路、键盘电路、报警电路、单片机控制电路部分组成，电路图如附录I与附录II所示。

2.2方案设计

根据对系统工作的基本原理的了解，此设计的总体设计方案如图2.1所示。

图2.1总的设计方案图

2.2.1单片机的选择

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机诞生于二十世界70年代末，各种制造商也是很多。

比如台湾的义隆公司出品的EMC单片机，MICROCHIP公司出品的PIC单片机，还有STC公司出品的STC系列单片机，以及ATMEL公司出品的AT系列单片机。

根据本课题，选择了STC公司的STC89C52单片机。

因为其性价比最高，价格还很便宜，而且能完全能满足所需的功能。

2.2.2无线收发模块的选择

本毕业设计的无线收发模块选择的是nRF905无线模块。

nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1．9-3．6V。

32引脚QFN封装（5x5mm），工作于433／868／915MHz三个ISM（T业、科学和医学）频道，频道之间的转换时间小于650us。

nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表面滤波器，ShockBurst工作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。

此外，其功耗非常低，以一10dBm的输出功率发射时电流只有1lmA，工作于接收模式时的电流为12．5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。

nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。

nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，曼彻斯特编码／解码由片内硬件完成．无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。

2.2.3按键的选择

在单片机中，常用的按键有独立按键和行列式按键两种。

独立式按键就是指各键相互独立，每个按键分别各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态就可以很容易地判断出哪个按键被按下。

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

即一个按键对应着一个端口输入，每一个按键都有一个按键电路来判断其是否按下。

行列式按键，也称矩阵式按键，用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行，列的交叉点上。

在按键数目较多的场合，行列式按键与独立式按键相比，要节省很多的I/O口线。

所以综合比较之下，因为本次设计中，只需要1个发送键，1个删除键，1个翻页键，按键不是很多，完全没有必要选择复杂的行列式按键。

所以，选择独立式按键作为本次设计的按键系统。

2.2.4显示方式的选择

显示系统是设计中重要的输出部分，用来显示系统的输出结果，以便设计人员对系统进行调试和维护等。

LCD与LED都是目前两种成熟的显示技术，LCD是由液态晶体组成的显示屏，而LED则是由发光二极管组成的显示屏。

LED显示屏与LCD显示屏相比，LED技术更加先进，而且本次毕业设计只需要1个LED数码管即可实现所要求的功能，所以选择LED数码管作为显示系统。

2.2.5报警器的选择

报警电路也是本次设计电路当中一个比较重要的环节。

可使用蜂鸣器，扬声器，喇叭等多种器件，蜂鸣器是由蜂鸣片振动而发声的，扬声器一般指由线圈驱动而发声的。

虽然蜂鸣器只能发出滴滴的警报音，但是比较适用于本系统，为得到最高的性价比，所以选择蜂鸣器作为报警系统的主体器件。

2.2.6电源转换电路的选择

本毕业设计中使用的无线模块需要的供电电压为3.3V，而单片机所使用的电压为5V，故需要电源转换电路。

这里使用的是AMS1117-3.3V芯片。

AMS1117分为两个版本，固定电压输出版本和可调电压输出版本，固定电压输出版本的输出电压可以为：

1.8V，3.3V和5.0V，可调电压输出版本能提供的输出电压范围为：

1.8V~5.5V。

考虑到使用上的稳定和方便，所以我选择了3.3V固定电压输出版本的AMS1117。

第3章硬件电路的设计

本毕业设计的设计方案是由呼叫机和主机构成，使用nRF905无线收发模块，使系统工作在频段433MHz附近。

一个完整的无线呼叫系统，是由一台主机、若干台呼叫机构成。

每个呼叫机有唯一的识别码，并且识别码可以随时修改。

当用户按发射键后，识别码被发送出去，主机接收到服务申请后，根据识别码鉴别出是由哪一台呼叫器发出的申请,并给出声音提示和显示出呼叫器的识别号。

如果有几个呼叫器在短时间里同时呼叫,主机则按照先后顺序存储起来,通过按键实现翻页查询。

此外，为了避免重复处理服务申请，主机还可以通过按键实现删除功能。

呼叫分机和接收主机的连接组成框图如图3.1和图3.2所示。

图3.1呼叫分机框图

图3.2接收主机框图

分机由拨码开关来控制地址位的设置,当扫描到呼叫按钮按下时,其地址被读入单片机,经过处理后再送至无线发射模块发射。

分机用来进行呼叫,分机的核心电路即是单片机与无线发送模块的连接电路。

主机负责接收分机发来的信号,并进行显示和报警。

主机上还设有键盘用于翻查、删除记录,所以主机上应接有键盘电路、显示电路和报警电路。

3.1单片机STC89C52的功能及最小系统的电路设计

STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

STC89C52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

STC89C52共有四个8位的并行I/O口：

P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。

每根线可以单独用作输入或输出。

　P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P3口亦作为STC89C52特殊功能使用，在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

单片机的引脚图如图3.3所示。

图3.3STC89C52单片机引脚图

单片机最小系统，是指用最少的元件与单片机组成的可以工作的系统。

对52单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、晶振电路、复位电路。

单片机接口电路主要用来连接计算机和其他外部设备，各功能模块及原理如下：

复位电路：

单片机最小系统复位电路的极性电容C3的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10-30μF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

单片机工作之后，只要在RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能有效地复位。

CS-51单片机通常采用自动复位和按键复位两种方式。

这里采用按键复位和上电复位两种电路结合。

晶振电路：

典型的晶振取11.0592MHZ，晶振越大，则单片机的处理速度越快。

单片机的最小起振电容C1，C2一般采用15-33pF，并且电容离晶振越近越好。

单片机最小系统的设计电路如图3.4所示。

图3.4单片机最小系统的设计电路

3.2nRF905无线收发模块的功能

nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。

nRF905无线收发模块的引脚图如图3.5所示。

图3.5nRF905引脚图

nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使