医院住院呼叫系统的设计与实现.docx

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医院住院呼叫系统的设计与实现

毕业设计（论文）

题目：

医院住院呼叫系统的设计与实现

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摘要

随着科学与技术的发展，医院呼叫系统也成了医院的必须设备。

为了丰富了医院呼叫系统的控制方式，使医生更加及时的了解病房动态及病人情况，同时也为了满足病人与护士取得实时联系，本论文采用了PLC可编程控制器为核心控制件，设计实现了新型PLC医院住院呼叫系统。

所设计的PLC病床呼叫系统结构简单、易于管理、可靠性强，且可编程控制器病床呼叫系统可以及时、准确的实现病房呼叫管理，具有良好的应用前景。

此系统应用于病人呼叫护士寻求帮助，护士根据护士站内显示器上的指示灯及响铃获取到求助信息的来源，并且及时的给病人提供帮助，提高了医院的工作效率，也更好地服务了病人，使医院医疗更科学化与人性化，在现实生活中具有举足轻重的作用。

关键词：

病床呼叫系统；PLC；S7-200

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thehospitalcallsystemhasbecomethenecessaryequipmentforthehospital.Inordertoenrichthecontrolofthehospitalcallsystem,allowingphysicianstomoretimelyunderstandingofwarddynamicandpatients,butalsotomeetthepatientsandnursestoobtaininrealtime,thepaperadoptsPLCprogrammablecontrollerasthecorecontrolparts,DesignandImplementationthenewPLChospitalcallsystem.PLCbedscallsystemstructureissimple,easytomanage,reliability,andprogrammablecontrollerbedscallsystemcanbetimely,accuratewardcallmanagement,andhasgoodapplicationprospects.Thissystemisappliedtothepatientnursecallforhelp,nurseaccordingtotheindicatorsonthemonitorinthenursesstationandringstogettothesourceofhelpinformation,andtimelyhelptothepatient,toimprovetheefficiencyofthehospital,butalsotobetterservethepatients,thehospitalmedicalscientificandhumane,hasapivotalroleinreallife.

KeyWords:

WardCallingSystem;PLC;S7-200

1绪论

1.1选题的背景和意义

医院病床呼叫系统是一种应用于医院病房的专用呼叫系统，是医护人员和病人之间联系的重要桥梁。

当病人需要医生帮助时，可以通过病床呼叫系统发出呼叫请求。

当医生需要了解病人病情时，也可以通过病床呼叫系统来询问病人的状况。

它的应用一方面提高了医院的工作效率，使医院医疗更科学化与人性化，另一方面也方便了病人，大大拉近了医院跟病人及其家属的距离，使病人更加安心与舒适，使家属更加放心。

病床呼叫系统是提高医院和病房护理水平的必需的设备，由于它的性能及时、准确、可靠，简便可行，在医院中起着巨大的作用。

随着科技与医疗水平的不断发展与提高，人们将先进的自动化控制技术、计算机技术、通信技术和信息技术等运用在医院中，使医疗技术的发展更加繁荣。

病床呼叫系统可以让医护人员及时收到病人的呼叫信息，对迅速到达现场为病人进行帮助提供了技术保障，使病人得到及时的护理与诊断，以免延误了治疗的最佳时间。

同时它还为医院医疗的管理体系提供了技术支持，使医疗管理更趋规范和合理，具有广泛的社会意义和重大的使用价值。

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.2.1国外研究情况

电子计算机应用在医院中已经有三十多年的历史，在60年代初，美国就开始了对HIS（HospitalInformationSystem，医院信息系统）的研究。

美国一家医院开发的COSTAR系统是60年代初开始并一直发展到现在，成为大规模的病人信息系统。

由于计算机的不断发展，70年代，HIS有了更大的发展，在美国日本欧洲的各大医院，尤其是大学医院和医学中心，他们纷纷也研制出HIS，使得医药信息学得到了形成和发展。

从70年代起到80年代，美国的HIS产业发展到了很大的规模。

目前在国外无线医用呼叫系统也有了很大的发展，由于医院住院呼叫系统大多数是有线安装，而有线安装布线复杂、成本也很高,且在实际应用中信息传输的可靠性不是很高,因此设计出了一种基于ZigBee的无线呼叫系统:

采用美国TI公司的SOC芯片CC2430完成系统中护士站主控制器、病床呼叫器和便携式应答器的硬件设计,在软件上则用了TI公司的Z-Stack协议栈和IAREmbeddedWorkbench开发工具。

结果表明,该系统各项指标都较高,有效的替换了现在的有线式呼叫系统。

1.2.2国内研究情况

医院住院呼叫系统是医院提高医护服务质量、提高工作效率的一种必不可少的基础设施。

中国呼叫系统经历了三个阶段，即从早期的口头呼叫到后来的摇铃呼叫和现在的电子呼叫。

在80年代时，医院开始使用比较简单的局域呼叫系统，用这个系统可以实现声光报警，但是该系统当时就暴露出很多弊端。

随着科技的发展，90年代，医院开始采用数字编码、扩频和单片机等控制技术，使医院住院呼叫系统有了进一步的发展，也得到了更加广泛的应用。

近年来，医院住院呼叫系统不断向智能化、科学化、人性化的方向发展着。

新型医院住院呼叫系统以PLC（ProgrammablelogicController，可编程控制器）技术为基础核心，实现了医院现代化和科学化的管理。

过去医院的呼叫系统采用的是接触继电控制系统。

PLC是一种替代继电接触器而产生的一种新型的控制设备。

PLC在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接到离散量输出的接触器上，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。

但是现在由可编程序控制器和微机组成的医院呼叫器控制系统，正以很快的速度发展着。

采用PLC控制的呼叫器可靠性高、维护方便、开发周期短，这种呼叫器运行更加可靠，并具有很大的灵活性，可以完成更为复杂的控制任务，己成为呼叫系统的发展方向，其许多功能是传统的继电器控制系统无法实现的。

总之，PLC是专门为工业过程控制而设计的控制设备，随着PLC应用技术的不断发展，它的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠，抗干扰性能增强、机械与电气部件被有机地结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。

因此，它已经成为呼叫器运行中的关键技术。

1.3本文研究内容及安排

本设计从可编程控制器PLC的应用出发，提出了一种以PLC为核心的医院住院呼叫系统。

该系统利用PLC特殊的I/O接口，使系统结构更加简单，充分展示了它的特色和应用前景。

该系统具有呼叫、指示灯报警、响铃、优先显示等功能，使医院对病房管理和护理的要求得到了满足。

该系统还可以通过计算机将全院各病房区呼叫子系统连接在一起，构成病房监护管理中心，使病区管理更加合理和规范。

全文共分为如下五个章节：

第一章是绪论，讲述了医院住院呼叫系统的背景和意义及它的发展趋势，介绍了目前国内外发展现状和所存在的问题，预测了医院住院呼叫系统的发展方向。

并针对这些问题提出了一些基于PLC的医院呼叫系统的构想。

第二章简述了PLC，讲述了它的应用特点及结构组成，介绍了它的工作原理，让我们很直观的感受到他的应用前景和优势。

并通过制出直观的结构图，让我们很清晰的看到他的构成，展示出了它的控制优点。

第三章则是介绍医院住院呼叫系统的设计与实现。

着重介绍了以医院的需求而设计出的呼叫系统。

通过医院在现实生活中的需求及现代医疗发展的需要，设计出一套符合现代化医院要求的呼叫系统。

并详细的介绍了该系统的功能特点、所需的运行环境及使用方式，并画出了输入/输出接线图，使系统的运行方式更加直观明了的展示在我们眼前。

使其在现代医院中能够更好的服务病患及家属，同时方便是病人得到及时有效的医护救助。

第四章是介绍程序的调试方法以及仿真情况。

着重介绍了程序仿真的过程及方法，最后得出仿真结果，与实际情况进行对比，得出该系统程序可行性较高，符合实际需求。

第五章为结束语，对全文进行总结，对今后的技术发展，应用领域及研究工作进行了展望。

2可编程序控制器的组成与工作原理

2.1概述

PLC（ProgrammablelogicController，可编程控制器），是指以微处理器为基础，把计算机技术、自动控制技术和通讯技术综合起来而发展起来的一种新型工业控制装置。

继电器控制和计算机技术是PLC的基础，同时它把继电器的控制技术和计算机信息处理技术两者的优点完美的结合在一起，成为现代工业中极为重要、应用最为广泛的控制设备，并已登上工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。

PLC从诞生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；它的功能从弱到强，从逻辑控制发展到数字控制；它的应用领域从小发展到大，实现了从单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。

如今的PLC可以更加有效的处理数字运算、模拟量和网络等方面，这些能力都得到了大幅度的提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业都占有极为重要的地位。

2.2PLC的特点

2.2.1使用灵活、通用性强

PLC用程序代替了布线逻辑，生产工艺流程改变时，只需修改用户程序，不必重新安装布线，十分方便。

结构上采用模块组合式，可像搭积木那样扩充控制系统规模，增减其功能，容易满足系统要求。

2.2.2编程简单、易于掌握

PLC采用专门的编程语言，指令少，简单易学。

通用的梯形图语言，直观清晰，对于熟悉继电器线路的工程技术人员和现场操作人员很容易掌握。

对于熟悉计算机的人还有语言表编程语言，类似于计算机的汇编语言，使用非常方便。

2.2.3可靠性高、能适应各种工业环境

PLC面向工业生产现场，采取了屏蔽、隔离、滤波等安全防护措施，可有效地抑制外部干扰，能适应各种恶劣的工业环境，具有极高的可靠性；其内部处理过程不依赖于机械触点，所用元器件都经过严格筛选，其寿命几乎不用考虑；在软件上有故障诊断与处理功能；以三菱F1、F2系列PLC为例，其平均无故障时间可达30万小时，A系列的可靠性又比之高几个数量级。

多机冗余系统和表决系统的开发，更进一步提高了可靠性。

这是继电器控制系统无法比拟的。

2.2.4接口简单、维护方便

PLC的输入、输出接口设计成可直接与现场强电相接，有24V、48V、110V、220V交流、直流等电压等级产品，组成系统时可直接选用。

接口电路一般为模块式，便于维修更换。

有的PLC的输入、输出模块可带电插拔，实现不停机维修。

大大缩短了故障修复时间。

2.3采用PLC控制的优点

（1）采用PLC控制，主要是用软件实现对其运行的自动控制，可靠性大大提高；

（2）控制系统结构较简单，外部线路比较简化，直观易懂；

（3）可实现各种复杂的控制系统，方便增加或改变控制功能；

（4）可以实现故障自动检测和报警提示，使运行更加安全，检修更加方便；

（5）可用于群控调配及管理，并提高病床呼叫运行效率；

（6）如果控制方案改变时，它的硬件接线不需要改动。

2.4PLC的构成

PLC是专为工业生产过程控制而设计的控制器，实际上就是一种工业控制专用计算机。

不同厂家的产品有不同的结构，但都包含硬件和软件两部分，本文以三菱

系列PLC为例进行介绍。

PLC的硬件基本组成包括CPU（CentralProcessingUnit，中央处理器）、存储器、输入/输出接口（缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等）、电源、扩展接口及外部设备编程器，见图2-1。

PLC内部通过控制总线、电源总线、数据总线和地址总线将各组成单元连接起来，外部则依据实际控制对象的相关配置和相应设备与控制装置形成PLC控制系统。

图2-1PLC结构框图

2.4.1CPU的构成

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。

CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。

CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。

按照PLC系统程序所赋予的功能它可以接收同时存储用户程序和数据，并将这些数据和状态存入规定的寄存器中。

同时它还能够诊断电源和PLC内部电路的工作状态等。

等到进入运行状态后它从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按照指令规定的任务产生相应的控制信号，使有关的控制电路被指挥。

为了使PLC的可靠性更加强大，大型PLC需要采用双CPU构成冗余系统，或者三CPU的表决式系统。

这样的话，如果其中一个CPU出现故障，整个系统仍然可以正常运行。

CPU的内部电路由运算器、控制器、寄存器构成，运算器用于进行数字或逻辑方面的运算。

控制器控制CPU工作，由它来读取指令、解释指令及执行指令。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器的指挥下工作的。

CPU的速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

2.4.2存储器

PLC的存储器有两种：

一是单片机上带的存储器，主要用于存储系统监控程序及系统工作区间，生成用户环境。

二是用户程序存储器，通常都是CMOS型的RAM，存储用户程序及参数，用锂电池做后备，调试起来也方便。

还可用EPROM或EEPROM。

2.4.3输入/输出接口电路

输入/输出接口电路是PLC与被控对象（机械设备或生产过程）联系的桥梁。

现场信息经输入接口传送给CPU，CPU的运算结果、发出的命令经输出接口送到有关设备或现场。

输入/输出信号分为开关量、模拟量、数字量。

输入接口电路。

PLC的输入接口电路可分为直流输入电路和交流输入电路。

直流输入电路的延迟时间比较短，可以直接与接近开关，光电开关等电子输入装置连接；交流输入电路适用于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

交流输入电路和直流输入电路类似，外接的输入电源改为220V交流电源。

由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接在PLC的输入接口电路上，为了防止因为触点抖动或干扰脉冲所引起错误的输入信号，输入接口电路须拥有很强的抗干扰力。

如图2-2所示，输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：

一是应用光电耦合器来增强抗干扰力。

 光电耦合器的工作原理是：

发光二极管有驱动电流流过时，导通发光，光敏三极管接收到光线，由截止变为导通，将输入信号送入PLC内部。

光电耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。

而干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进入PLC 内，实现了电隔离。

二是利用滤波电路提高抗干扰能力。

 最常用的滤波电路是电阻电容滤波，如图2-2中的R1、C 。

图2-2中，S为输入开关，当S闭合时， LED点亮，显示输入开关S处于接通状态。

光电耦合器导通，将高电平经滤波器送到PLC内部电路中。

当CPU在循环的输入阶段锁入该信号时，将该输入点对应的映像寄存器状态置1；当S断开时，则对应的映像寄存器状态置0。

图2-2可编程控制器输入电路

 根据常用输入电路电压类型及电路形式不同，可以分为干接点式、直流输入式和交流输入式。

输入电路的电源可由外部提供，有的也可由PLC内部提供。

输出接口电路。

按输出开关器件的种类来分，PLC通常由三种形式的输出电路即：

继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。

继电器输出形式：

如图2-3所示。

这种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。

它的优点是适用电压范围比较宽，导通压降小，有很强的能力来承受瞬时性过电压和过电流。

它的缺点是动作速度较慢，动作次数（寿命）有一定的限制。

建议在输出量变化不频繁时优先选用。

图2-3所示电路工作原理是：

当内部电路的状态为1时，使继电器K的线圈通电，产生电磁吸力，触点闭合，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。

当内部电路的状态为0时，使继电器K的线圈无电流，触点断开，则负载断电，同时LED熄灭，表示该路输出点无输出。

图2-3小型继电器输出形式电路

晶体管或场效应管输出形式：

如图2-4所示。

这种输出形式只可驱动直流负载。

它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。

缺点是过载能力差。

适合在直流供电、输出量变化快的场合选用。

图2-4所示电路工作原理是：

当内部电路的状态为1时，光电耦合器T1导通，使大功率晶体管VT饱和导通，则负载得电，同时点亮LED，表示该路输出点有输出。

当内部电路的状态为0时，光电耦合器T1断开，大功率晶体管VT截止，则负载失电，LED熄灭，表示该路输出点无输出。

当负载为电感性负载，VT关断时会产生较高的反电势，VD的作用是为其提供放电回路，避免VT承受过电压。

图2-4大功率晶体管输出形式电路

晶闸管输出形式：

如图2-5所示。

这种输出形式适用于驱动交流负载。

由于双向可控硅和大功率晶体管都属于半导体材料元件，因此它的优缺点和大功率晶体管或场效应管输出的形式相似，适合用于交流供电和输出量变化快的场合。

图2-5所示电路工作原理是：

当内部电路的状态为1时，发光二极管导通发光，相当于双向晶闸管施加了触发信号，无论外接电源极性如何，双向晶闸管T均导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮，表示该输出点接通；当对应T的内部继电器的状态为0时，双向晶闸管施加了触发信号，双向晶闸管关断，此时LED不亮，负载失电。

图2-5双向可控硅输出形式电路

2.4.4电源

电源是PLC整机的能源供给中心。

PLC系统中有两种电源：

一种是内部电源，是PLC主机内部电路的工作电源。

要求性能稳定、工作可靠，一般使用开关稳压电源。

与普通稳压电源相比，具有以下优点：

（1）体积小、重量轻；

（2）功耗低、发热少；

（3）能适应较大范围内的电压波动，稳压效果好；

（4）具有良好的自动保护功能，而且保护动作灵敏、可靠；

（5）电路集成化，外部元件少、成本低。

另一种是外部电源（或称用户电源），用于传送现场信号或驱动现场执行机构，通常由用户另备。

2.4.5扩展接口和通信接口

PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、打印机、其他的PLC或是计算机相连，从而可以实现“机-机”或“人-机”间的对话。

2.4.6底板或机架

有很多数模块式的PLC都会使用底板或机架，它的作用是可以分为两方面，在电气上，可以实现各模块之间的联系，能够使CPU访问底板上所有的模块；在机械上，可以实现各模块之间的连接，使各模块合为一体。

2.4.7PLC系统的其它设备

编程设备：

编程器在PLC的应用主要是包含开发应用、检测、维护和检查其它部件，目前大多数编程器都是通过计算机软件实现运行。

人机界面：

最简单的人机操作接触界面是按钮指示灯等，目前随着科技的发展，使用计算机软件，触屏式的显示界面操作越来越广泛，用计算机来充当人机界面非常普及。

2.4.8PLC的通信联网

在PLC及其网络中有两种通信：

一种是并行通信，另一种是串行通信。

并行通信一般在发生在可编程控制器的内部，它指的是PLC中多台处理器之间的通信和PLC中CPU单元与智能模板CPU之间的通信。

这里所谓的通信方法就是存取控制方式和数据传送方式的结合。

PLC的通信联网的功能，是它可以使PLC与PLC间、PLC与上位计算机以及其他智能设备间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

2.5PLC的工作原理

2.5.1扫描技术

PLC具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。

微机一般采用等待命令的工作方式，而PLC则采用循环扫描工作方式。

当PLC投入运行后，其工作是以循环扫描的方式来完成的，一般有三个阶段，即：

输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。

一个扫描周期就是完成以上三个阶段。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行以上三个阶段，一个周期所用时间为：

T=（读入时间*输入点数）+（运算速度*程序步数）+（输出时间*输出点数）+自诊断时间。

2.5.2输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端点和数据，并将它们的状态存入相对应的I/O映象寄存器中。

此时，输入映像寄存器被刷新。

接着，进入程序执行阶段和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入状态和数据发生什么变化，其内容不会变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才能重新写入输入端的新内容。

如果输入是脉冲信号，则输入信号的宽度必须要大于一个扫描周期，否则可能会造成信号的丢失。

2.5.3用户程序执行阶段

依照PLC梯形图程序的扫描原则，一般来说PLC按从左到右、由上而下的步骤顺序来执行。

只要指令中涉及输入、输出状态，PLC就会从输入映像寄存器中“读入”采集到的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件的当前状态。

然后进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。

对元件映像寄存器来讲，每一个元件的状态都会随着程序执行过程而变化。

其执行程序过程如图2-6所示：

2-6PLC执行程序过程示意图

2.5.4输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态都在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过输出端子和外部电源来驱动外部负载。

由此可见输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果，输出锁存器中的数据取决于上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据，而输出端子的接通和断开状态完全取决于输出锁存器。

2.6PLC的软件系统

PLC的软件是其工作所需要的各种程序的集合，包括系统监控程序和用户程序。

2.6.1监控程序

系统监控程序是由生产厂家编制，用于管理、协调PLC各部分工作，充分发挥系统硬件功能，方便用户使用的通用程序。

监控程序通常固化在ROM中，一般具有如下功能：

（1）系统配置登记及初始化：

系统程序在PLC上电或复位时先对各模块进行登记、分配地址、作初始化，为系统管理及运行做好准备；

（2）系统自诊断：

对CPU、存储器、I/O模块、电源进行故障诊断测试，发现异常则停止执行用户程序，显示故障代码；

（3）命令识别与处理：

系统程序不断地监视键盘，接收操作命令并加以解释，按指令完成相应的操作，并显示结果；

（4）用户程序编译：

系统编译程序对用户编写的工作程序进行翻译，变成CPU可识别执行的指令码程序，存入用户程序存储器；对用户输入的程序作语法检查，发现错误便返回并提示；

（5）模块化子程序及调用管理：

厂家为方便用户编