基于单片机的病床无线呼叫系统

张瑞 刘宇航 陈非

摘  要：此文当中，分析了以单片机为基础的病床无线呼叫系统，当患者感到不适，可通过按键的方式向护士台发出求救信号，护士台收到信号后，单片机会发出指令，令液晶显示出求救患者的编号，同时也会控制蜂鸣器鸣叫，提醒护士处理;患者收到护士台的响应后发出声光提示。病床呼叫一般是患者向医护人员发出呼叫信号的一种设备，减少了时间成本，为患者本身和医护人员治疗都提供了诸多便利。

关键词：信无线病床呼叫;STC89C51单片机

一、系统设计方案

通过以上每个模块的介绍，我们最终选择STC89C51作为本课题的主控制芯片，通过LCD1602显示实时获取信息，系统采用八个按键模拟八位病房的呼叫按键，当有按下数据从NRF24L01无线模块传输到接收端中，接收端接收到有人呼叫（重复按如果前面的呼叫未被处理则本次呼叫无效）时蜂鸣器和LED灯会声光提示有人呼叫，当多人进行呼叫时，液晶会按呼叫顺序依次将变化显示出来，当护士接收到呼叫时进行处理完成后按下“应答”键则可清除第一位呼叫的编号，后面的编号往前显示。

本设计的具体的系统方案如下图1-1所示。

二、硬件系统中主要模块的设计

（一）STC89C51单片机系统介绍

STC89C51采用PDIP（40pin）和PLCC（44pin）封装。在设计中，使用了直接插入式DIP40封装。焊接时，可将IC插座先进行焊接，然后将芯片插入焊接完成后的IC插座。这样操作的目的是，更换芯片会更方便，同时也避免了芯片的损坏。STC89C51共有40个针脚，可以控制的32个引脚为P0，P1，P2和P3，这些引脚可以单独控制或在特定位的IO端口上同时进行控制，且不必定义输入和输出，为I0赋值时，IO端口将自动转换为输出，当读取IO端口时，IO端口将自动转换为输入。

（二）LCD1602液晶显示模块介绍

LCD1602共有11条指令，可发送至LCD1602由单片机完成一些特定的屏幕清洁，开关显示等功能。显示屏也可使用自己的字库进行显示，当然，如果字库中没有字符，也能够按照需求，对字符进行自定义，编写CGROM，自定义字符，具备的分辨率为5*8字符，不过自定义字符，对应的数量有限，应当对其进行合理分配，上限为8个，对字符字体进行自定义，输入CGROMLCD后，能够根据需要进行调用，调用方式，类似于正常显示字符。只需LCD1602能够实现状态的读取，指令的写入，数据的读取和写入就可以。具体的操作对应的引脚电平如表2-1所示。

在上表中，E代表使能端;RS代表寄存器选择。RS=H情况下，选取数据寄存器，RS=L条件下，指令选择寄存器;R/W为信号线R/W=H条件下，实现读取，R/W=L条件下，实现写入。

（三）NRF24L01芯片介绍

NRF24L01属于无线通讯芯片，通过NORDIC公司对FSK调制进行利用，同时集成了ShortBurst协议，实现了内部增强，能够适应点对点，或者满足1对6无线通讯。无线通讯速度能够实现2M（BPS）。嵌入式工程师只要能够对MCU系统留有5个GPIO，以及1个中断输入引脚，就能够完成无线通讯，有利于单片机实现无线通讯功能，具体特点如下以下。

它在2.4GHz国际通用ISM频段，其传输功率高达0dBm。它支持六个通道的无许可证数据接收。

工作电压：1.9v?3.6v;

最高通讯速率：2Mbps，由于具有较短的空气传输时间，较大程度地降低了无线传输中的碰撞情况（软件选取的数值为1Mbps或2Mbps）;

它满足125沟通途径，适合多点通信的需求，符合跳频通信的需求。内置2.4GHz天线，占用较小空间，15×29mm（包含天线）;

（四）蜂鸣器电路的设计

该蜂鸣器使用5V电磁有源蜂鸣器，因为蜂鸣器的工作电流通常很大，因此蜂鸣器的I/O端口，单片机是不能直接驱动的，所以应该使用晶体管开关电路来驱动。这个地方的三极管选择8550，它是PNP类型的三极管。当连接基极时与1K电阻串联到单个芯片的I/O端口，当I/O端口输出为低时，三极管运行，蜂鸣器开始工作;当I/O端口输出高电平，三极管停止运行，同时蜂鸣器结束声响。蜂鸣器电路如下图所示。

（五）蜂鸣器电路的设计

利用几个单独的按钮电路，实现人机交互，该课题中设计了按键电路。按钮连接到电源通过单片机的I/O端口的一端供电。这是由于单片机的I/O当未悬空时，默认情况下处于高级别，当在没有键的情况下时，I/O时悬空状态。在按下过程中，I/O端口电平降低。此种情况下，MCU仅循环检测I/O口是否出现低电平，对是否按下按钮进行判断，此种按钮是金属释放的途径，因此会产生振动波纹，在程序中适当加上短暂的延时用于消抖即可。具体电路如图2-2所示。

三、系统软件部分设计

（一）主函数的设计

主要函数voidmain（）是程序的入口函数，一个完整的程序必须包含的内容。通常被初始化为单片机和一些外围组件以正确使用设备并在无限循环中初始化后，重新赋值，如果添加无限循环，運行一次无限循环程序将退出，程序将不断循环以达到实时的目的，执行测试。在设计主程序时需要注意是主要功能，不应传递更多代码，具体代码通常用于封装函数，因此可以轻松阅读修改内容

在呼叫端上主要就是检测按键信息然后将按键信息第一时间发送到接收端进行处理，具体流程图如图3-1所示。

在接收端上，要不断的接收呼叫端发送过来的信息、对按键的处理和实时显示信息。具体流程图如图3-2所示。

（二） LCD1602显示函数的设计

LCD1602的显示只要根据制造商的时间要求去编程即可达到显示的目的。液晶显示器首先需要通过以下方式显示地址，先写命令，然后写数据。地址是显示第一个内容时自动增加一个，地址写完后函数名称： （ ），参数： ，其中x和y代表LCD屏幕上的位置坐标，* s是要显示的字符数组。软件会计算根据输入的位置坐标确定的地址显示函数流程图如3-3所示。

（三） NRF24L01收发函数的设计

发送数据时，首先，根据 序列，在 的缓冲区，写入接收节点的地址 ，以及写入有效数据 。在 写入时， 应当处于低，同时 写入一次发射即可。设置CE为高级别，并在其中至少保留10个us进入发送模式，持续130微秒后，实现数据的发射，对回复信号进行接收，NRF24L01发送数据流程图如3-4所示。

接收数据时，首先将MCU设置地址TX_ADDR的发送节点，保持130微秒后，处于接收状态，等待数据的发送。当有效地址和CRC被接收端检测到，在RXFIFO中存储数据包，并且设置中断标志位RX_DR为高，同时IRQ转为低电平，出现中断同时满足MCU读取数据，NRF24L01接收数据流程图如下图。

四、结束语

此次设计的无线呼叫系统具有许多优势：稳定性比较高，具有较强的适应能力等等。本次设计使用PLC编程控制，可以很好的解决系统的稳定性问题，并且还可以极大程度的缩减通讯的时间，大大的提高了通讯效率。用可编程控制器作为无线通讯系统的控制系统，运行的时候比较稳定，通讯效果比较理想。

参考文献

[1] 赵丽芬，张学超，陈文娟，“传感器技术及其应用”课程教学改革，铜仁学院大数据学院，2017.09.

[2] 马须敬，朱义彪，传感器的研究现状与发展趋势，青岛科技大学材料科学与工程学院，2017.08.