基于单片机的病房呼叫系统毕业设计.docx
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基于单片机的病房呼叫系统毕业设计
基于单片机的病房呼叫系统毕业设计
毕业设计任务书………………………………………..……….….……….……........I
摘要………………………………………..……….….……….……............................I
绪论………………………………………..……….….……….……...........................1
第1章系统整体设计………………………………………..……….….………......3
1.1功能与方案确定………………………………………..……….….……….…........3
1.2框架模块功能描述………………………………………..……….….………..........5
第2章系统硬件设计………………………………………..……….….………......6
2.1硬件构成示意图………………………………………..……….….……….….......6
2.2外围电路设计………………………………………..……….….……….…….......6
2.3呼叫系统控制器AT89C51……………………………………..……….….……........6
2.4键盘电路设计……………………………………..……….….……........................9
2.5显示电路设计……………………………………..……….….……........................13
2.6控制电路设计……………………………………..……….….…….......................19
第3章系统软件设计………………………………………..……….….……........21
3.1设计的软件环境简介……………………………………..……….….…...….........21
3.2系统程序设计………………………………………..……….….……….…….....23
第4章调试与结果………………………………………..……….….……….........27
4.1调试界面显示………………………………………..……….….……….……......27
4.2结果分析………………………………………..……….….……….…….............28
结论/展望………………………………………..……….….……….……................30
致谢………………………………………..……….….……….……..........................31
参考文献………………………………………..……….….……….……..................32
附录………………………………………..……….….……….…..............................33
附录A……………………………………....……….….……….….............................33
附录B……………………………………..………….….……….…............................34
第1章呼叫系统总体设计
1.1功能与方案确定
1.1.1呼叫系统功能要求
本课题主攻方向是使系统实现以下目的：
1．任一病房（共16张）呼叫，医护值班室马上能响应并显示病房号；
2．显示病房床号；
3．若有多个病床呼叫就循环显示；
4．处理完毕后清除记录；
5.显示器不重复显示按一次以上的病床号
设计目的和要求：
①软件方面
要求界面美观，功能齐全，能写出最优控制算法，并能制成软件。
②硬件方面
研制出到一套及时、准确、可靠、简便可行、利于推广的硬件控制系统，能做成集成电路，减小体积，方便存放和测试。
a、系统框架建立
输入系统和显示系统是设计的两大系统，因此，在开题之前要对其单独进行分析，能准确的构建系统的框架，这是对系统进行分析和控制的前提。
b、控制算法的研究
采用各种不同的控制方法，实现控制要求。
比较控制效果和考虑性价比，从中选择合适的控制算法作为控制器，进而进行下一步的系统仿真和实验。
1.3框架模块功能描述
本设计是基于AT89C51单片机设计的病房呼叫系统设计，该系统就是以Atmel公司的AT89C51单片机作为主控器，包括键盘输入电路，显示电路，以及晶振复位电路等来实现病房呼叫系统。
病床呼叫系统结构框图如图1-1所示
图1-1病房呼叫系统结构框图
1.1.2.病床呼叫系统的方案论证
方案一:
使用8051单片微机外加作地址锁存用的一块8三态锁存器74LS373芯片和一块EPROM芯片可构成一个完整的最小微机电路。
以此为基础，在智能装置中若要配置多位数码管显示器，以及m行n列矩阵键盘的话，可通过扩展诸如8255或8279之类的并行1/0芯片来完成，或者通过串行通讯口P3.0（RXD）和P3:
1（TXD）经多块串—并，并—串转换电路74LS164和74LS165IC芯片实现接口。
按照一般的设计方法，显示和键盘搜索按下键均按动态扫描的方法进行，显示电路接口由P1口和P2口组成，键盘接口由P2口和P3口组成。
在完成显示功能过程中，P1口锁存器显示字符的八段字形码，P2口的高6位（P2.7-P2.2）锁存待显示字符的位选码。
8051按分时方式执行程序进入到键盘搜索时，经P2.7-P2.2输出键盘扫描的行选码，键盘的列输入由P3口的P3.7-P3.4承担缓冲功能。
利用P2.7-P2.2输出数据代码的做法是通过改变程序计数器高6位数值来实现的。
方案二：
用8051自身接口实现数码管静态显示和键盘扫描,使用8051单片微机外加作地址锁存用的四块8三态锁存器74LS373芯片和一块74LS138芯片可构成一个完整的最小微机电路。
以此为基础，在智能装置中若要配置多位数码管显示器，以及m行n列矩阵键盘的话，可以不扩展I/O芯片而由8051自身I/O口，实现上述功能,即用P0口的八个端口作为LED的段选,用P2口的高三位连接一个三八译码器74LS138作为四个LED的片选.用P1口和P2口的低五位做键盘电路的接口。
综上所述，方案一中键盘显示均采用动态扫描方式，其软件实现起来比较简单，但硬件电路过于复杂，没有合理利用单片机的I/O．而方案二外围电路简单，且软件实现起来也不是太复杂，合理利用单片机I/O口，比较起来本文采用的是方案二。
1.1.3总体结构框图
本设计是基于AT89C51单片机设计的病房呼叫系统设计
该系统就是以Atmel公司的AT89C51单片机作为主控器，包括键盘输入电路，显示电路，以及晶振复位电路等来实现病房呼叫系统。
病房呼叫系统结构框图如1-2所示
图1-2病房呼叫系统结构框图
1.2框架模块功能描述
（1）输入部分包括按键输入，按键输入相当于一个外界的干扰信号，用于向单片机传输命令或数据。
（2）调节电路部分包括晶振和复位，需要时对控制器发出中断信号，以对系统进行调节。
（3）微处理器采用常见的AT89C51单片机为控制核心，通过软件编程，对实时采集的温度进行处理，同时也对调节电路进行驱动和控制。
（4）输出部分包括LED显示电路，将从键盘上输入的信号显示出来，给人以直观的印象。
（5）系统过程的综述：
键盘（按钮）输入信号，AT89C51单片机收到信号后进行处理，通过输出系统将信号显示在点阵屏上，此时还可以通过按键进行中断调节，显示会发生相应变化，实际情况出发，人们易于操作。
第2章系统硬件设计
2.1呼叫系统硬件
呼叫系统的构成由键盘电路、单片机、显示电路和报警电路构成。
呼叫系统的构成示意图如图2-1所示
图2-1呼叫系统硬件构成示意图
2.2外围电路设计
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统。
单片机是单片微型机的简称，故又称为微控制器MCU（MicroControlUnit）。
通常由单块集成电路芯片组成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器CPU，存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
2.1呼叫系统控制器AT89C51
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL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AT89C51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。
AT89C51主要特性：
a与MCS-51产品指令系统完全兼容
b4K字节可重擦写Flash闪速存储器
c1000次擦写周期
e全静态操作:
0Hz-24MHz
f三级加密程序存储器
g128×8字节内部RAM
h32个可编程I/O口线
i2个16位定时/计数器
j6个中断源
k可编程串行UART通道
l低功耗空闲和掉电模式※输入输出引脚AT89C51引脚如图2-2示：
图2-2AT89C51引脚图
P0~P3：
通用I/O口；
VCC：
电源端，一般接5V；
GND：
电源地；
XTAL1，XTAL2：
外接晶体振荡器，不能超过24M；需加微调电容，一般为30pF；
RST/VPD：
复位端，平时为低电平；
ALE/PROG：
地址锁存允许信号端；
EA/Vpp：
外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端；
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，所以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。
上电复位和按键复位如下图2-3所示。
图2-3上电复位和按键复位
时钟电路：
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，可以由它产生时钟，时钟可以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。
单片机外接电路如下图2-4所示。
图2-4单片机外接电路
2.2键盘电路设计
1、矩阵式键盘
最简单的键盘，每个键对应I/O端口的一位，没有什么键闭和时，各位均处于高电位。
当有一个键按下时，就是对应位接地而成为低电位，而其它位仍为高电位。
这样，CPU只要检测到某一位为”0”，便可判别出对应键已经按下。
但是，当键盘上的键较多时，引线太多，占用的I/O端口也太多。
比如，一个有64个键的键盘，采用这种方法来设计时，就需要64条连线和8个8位并行端口。
所以，这种简单结构只用在仅由几个键的小键盘中。
通常使用的键盘结构是矩阵式的，如图3.5所示。
设有
个键盘，那么，采用矩阵式结构以后，便只要
条引线就行了。
比如，有
个键，那么，只要用两个并行端口和16条引线便可以完成键盘的连接。
矩阵键盘示意图如下图2-5所示
图2-5矩阵键盘示意图
2、键的识别
为了识别键盘上的闭和键，通常采用两种方法，一种称为行扫描法，另一种称为行反转法。
（1）行扫描法的原理：
行扫描法识别闭和键的原理如下：
先使第0行接地，其余行为高电平，然后看第0行是否有键闭和，这是通过检查列线电位来实现的，即在第0行接地时，看是否有条列线变成低电平。
如果有某条列线变为低电平，则表示第0行和此列线相交位置上的键被按下；如果没有任何一条列线为低电平，则说明第0行上没有键被按下。
此后，再将第1行接地，，然后检测列线中是否有变为低电平的线。
如此往下逐行扫描，直到最后一行。
在扫描过程中，当发现某一行有键闭合时，也就是列线输入中有一位为0时，便在扫描中途退出，而将输入值进行移位，从而确定闭合键所在的列线位置。
根据行线位置和列线位置便能再扫描法来确定具体位置。
将行线和一个并行接口相接，CPU每次使并行输出接口的某一位为0，便相当于将某一行线接地，而其他位为1，则相当于使其他行线处于高电平。
为了检查列线上的电位，将列线和一个并行输入输出口相接，CPU只要读取输入输出口中的数据，就可以设法判别出第几号键被按下。
从上面的原理中知道，程控扫描法是由程序控制键扫描的方法。
程控扫描的任务是：
①首先判断是否有键按下。
其方法是使所有的行输出均为低电平，然后从端口A读入列值。
如果没有键按下，则读入的列值为FFH；如果有键按下，则读入的列值不为FFH。
②去除键抖动。
若有键按下，则延时5～10ms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上有一个键处于稳定闭合期。
③若有键闭合，则求出闭合键的键值.求键值的方法是对键盘逐行扫描。
行扫描法如图2-6所示：
图2-6行扫描法的流程图
（2）行反转法的原理。
行反转法也是识别闭合键的常用方法，它的原理如下所述。
这了叙述方便，以4×4=16键的键盘为例。
行反转法的工作示意图如图2-7所示
图2-7行反转法连接图
从图中可以看到，用行反转法识别闭合键时，要将行线接一个并行口，先让它工作为输出方式，将列线接到一个并行口，先让它工作在输出方式。
程序使CPU通过输出端口往各行线上全部送低电平，然后读入列线的值。
如果此时有某一个键被按下，则必定会使某一列线值为0，然后，程序再对两个并行端口进行方式设置，使接行线的并行端口工作在输出方式，而使接列线的并行端口工作在输出方式，并且将刚才读得的列线值从所接的并行端口输出，再读取行线的输入值，那么，在闭合键所在的行线上的值必定为0。
这样，当一个键被按下时，必定可以读得一对惟一的行值和列值。
在键盘设计时，除了以键码的识别以外，还有抖动问题需要解决。
有软件方法可以很容易解决抖动问题，这就是通过延迟来等待抖动消失，这之后，再读入键码。
2.3显示电路设计
1、LED点阵显示屏概述
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。
目前，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。
2、8*8点阵
如图2-8和图2-9是8*8点阵原理图和实物图。
图2-88*8点阵LED等效电路图
图2-9为8×8单基色点阵的结构图，从内部结构可以看出8×8点阵共需要64个发光二极管，且每个发光二极管是放置在各行和列的交叉点上。
当对应的某
图2-98*8点阵LED外观及引脚图
一列置高电平，另一列置低电平时，则在该行和列的交叉点上相应的二极管就亮。
图2-9为8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图2-8所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。
例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。
应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。
3、16×16点阵显示原理
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大，因为我们仅仅是16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套驱动器。
具体就16ｘ16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。
当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。
显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。
当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。
但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。
这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。
对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。
为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。
经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。
这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
图2-10为显示屏电路实现的结构框图。
图2-10显示屏系统框图
点阵显示屏由32个8×8点阵LED显示模块32片8×8点阵LED显示模块利用总线形组成一个32×64的LED点阵，用于同时显示8个16×16点阵汉字或数字。
单元显示屏可以接收来自控制器或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。
4、取字原理
取字原理：
由于采用共阴极的LED显示模块，故在取字符时，取字符阴码，即点亮LED灯的信号为1。
取模顺序是从左到右，逐行取位，即第一个点作为最高位。
每取8个点作为一个字节。
取字的字体由软件写入时的字体决定，每个LED灯的亮灭都是由一个数位来标志的取字原理图如图2-11所示
图2-11取字原理图
每一个字由16行16列的点阵组成显示。
即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。
我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。
事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形
5.显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
刷频率（帧频）=1/16×T0溢出率
=1/16×f/12（65536-t）
其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。
然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。
为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
图2-12为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图
图2-12显示驱动流程图
2.4控制电路设计
三个控制按键分别接p3.2，p3.3，p3.4口，当有呼叫发出时，值班室人员收到相应信息后，可按下“响应按钮”，单片机执行中断程序。
控制按键图如图2-13所示
图2-13控制按键
2.5示警电路
报警电路由一个led灯与p3.1口相接，当有键按下时，有信号输入，灯亮示警，提醒值班人员有病人出现紧急情况。
第3章系统软件设计
3.1设计的软件环境简介
3.1.1Kevil_c
于AT89C51的控制设计，以Kevil_c为软件编程环境，以proteus软件为电路仿真设计环境。
二者的结合为该系统的设计提供有利条件。
Kevil_c软件界面如图3-1所示：
图3-1Kevil_c软件界面
该软件是一款集编程和仿真于一体的软件，它支持汇编、C语言及二者的混合编程。
3.1.2ProteusISIS
ProteusISIS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，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路。
该软件的特点是：
（1）全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。
（2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS－232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
（3）目前支持的单片机类型有：
ARM7系列、68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
（4）支持大量的存储器和外围芯片。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，可仿真ARM、51、AVR、PIC。
ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图所示，包括：
标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
电路仿真界面如图3-2所示
图3-2电路仿真界面
运行Proteus程序后，进入软件的主界面。
通过左侧工具栏中的P（从库中选择元件命令）命令，在PickDevices左侧窗口中选择所需元件的关键字，然后放置元件并调整方向和位置以及参数设置，最后进行连线。
3.2系统程序设计
3.2.1系统主程序设计的流程如图3-3所示：
图3-3系统主程序设计的流程
主程序程序描述：
首先对各存储单元初始化，设定定时初值，接4着判断清零键，看是否按下，若按下，则清零，然后继续扫描键盘，如扫描到键盘有键按下，则调用计数显
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