基于單片機的病房緊急呼叫系統設計

摘要：文中介紹了一種基于AT89S51單片機設計的醫院病房呼叫系統。該系統主要模塊是由51單片機系統、1602液晶顯示器及其他單元電路組成，同時也利用單片機的全雙工通信來實現整個模塊之間的通訊功能。所設計的系統核心控制器主要采用價格低廉，性能可靠的51單片機;整個設計模塊的主要工作原理是分機按鍵呼叫，主機蜂鳴器報警，同時顯示呼叫的號碼和呼叫次數，主機按鍵可查詢分機呼叫次數。使用本設計的病房緊急呼叫系統，具有很重要的應用價值，可以使病人快速找到醫生，以節約病人的寶貴時間。

設計一款能滿足大眾要求，適合各種服務性行業的緊急呼叫系統，無疑會對改善人們生活起著十分重要的作用。對醫院單位而言，在同類行業中，需要對病人或客戶進行快速、準確的服務和治療，這就需要一種能夠提高醫院工作人員辦事效率的設備，而這種便捷服務式的呼叫系統節約了大量的人力，財力。對醫院工作人員而言，不需要頻繁的去查房、更不需要高聲應答病人或家屬，免去了無數次的來回奔波，維護了醫院良好的安靜環境，同時能夠準確的給病人更好的服務和解決突發事件。該系統的設計主要分主機和從機兩部分，集串行通信，液晶顯示，蜂鳴器報警于一體，具有施工快捷、簡單、故障率低、移動方便，使用該呼叫器的病人，無需四處張望尋找，也無需高聲喊叫，只需輕松地按一下呼叫器的按鈕，所需要的服務就會得到及時的解決。

1 串行通信技術

1.1 單片機串行通信功能

計算機與外界的信息交換稱為通信，常用的通信方式可分為兩種：并行和串行通信。一次同時傳送多位數據稱為并行通信。并行通信其特點是通信速度快，但傳輸信號線多，傳輸的距離較遠時線路復雜，成本高。

所以主要用于近距離的傳輸操作。按一位接一位順序傳送數據的通信稱為串行通信。串行通信其特點是傳輸線少，通信線路簡單，通信速度慢，成本低，適合長距離通信。本設計采用串行通信。

51單片機的串行接口是一個全雙工的接口，它可以作為UART(通用異步接受和發送器)用，也可以作為同步移位寄存器用。51單片機串行接口的結構如下：

1)串行數據寄存器(SBUF)

串行數據寄存器SBUF，字節地址為99H，實際對應兩個寄存器：發送數據寄存器和接收數據寄存器。當CPU向SBUF寫數據時對應的是發送數據寄存器，當CPU讀SBUF時對應的是接收數據寄存器。

2)串行控制寄存器(PCON)

SCON用于串行通信方式的選擇，收發控制及狀態指示，各位含義如下：

SM0，SM1：串行接口工作方式選擇位，用于選擇四位工作方式。

SM2：多機通信控制位。

REN：接收允許控制位。軟件置1允許接收;軟件置0禁止接收。

TB8：方式2或3時，TB8為要發送的第9位數據，根據需要由軟件置1或清0。

RB8：為發送數據的第9位，在方式2或3時，存放接收數據的第9位，在方式1時，若SM2=0，則為接收到的停止位。

TI：發送中斷標志。發送完一幀數據后由硬件自動置位，并申請中斷。必須要軟件清零后才能繼續發送。

RI：接收中斷標志。接收完一幀數據后由硬件自動置位，并申請中斷。必須要軟件清零后才能繼續接收。

3)輸入移位寄存器

數據先串行進入輸入移位寄存器，8位數據全移入后，再并行送入接收SBUF中。

4)波特率發生器

波特率發生器用來控制串行通信的數據傳輸速率的，51系列單片機用定時器T1作為波特率發生器，T1設置在定時方式。波特率時用來表示串行通信數據傳輸快慢程度的物理量，定義為每秒鐘傳送的數據位數。

5)電源控制寄存器PCON

其最高位為SMOD，稱為波特率加倍位。若SMOD位為1，則波特率加倍。

6)波特率計算

當定時器T1工作在定時方式的時候，定時器T1溢出率=(T1計數率)/(產生溢出所需機器周期)。由于是定時方式，T1計數率=fORC/12。產生溢出所需機器周期數=模M-計數初值W。

1.2 MAX232芯片

MAX232芯片是美信(MAXIM)公司專為RS-232串口設計的單相電源電平轉換的芯片，使用正5 V單相電源供電系統。如圖1所示。

第1部分主要是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成的。其功能是產生+12v和-12v電源，提供給RS-232串口。

第2部分主要是數據轉換。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成其中的兩個數據通道。

其中13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數據通道。

8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)為第二數據通道。

TTL/CMOS數據從11引腳(T1IN)、10引腳(T2IN)轉換成RS-232數據從14腳(T1OUT)、7腳(T2OUT)送到電腦DB9插頭;DB9插頭的RS-232數據從13引腳(R1IN)、8引腳(R2IN)輸入轉換成TTL/CMOS數據后從12引腳(R1OUT)、9引腳 (R2OUT)輸出。

第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC(+5 V)。

1.3 串行通信軟件實現

1)串行口工作于方式1;用定時器1產生9600bit/s的波特率。

2)通信協議：主機首先發送連絡信號(AAH)，從機接收到之后返回一個連絡信號(BBH)表示從機已準備好接收。

3)通信過程使用第九位發送奇偶校驗位。

4)從機接收到一個數據后，立即進行奇偶校驗，若數據沒有錯誤，則返回00H，否則返回FFH。

5)主機發送一個數據后，等待從機返回數據;若為00H，則繼續發送下一個數據，若為FFH，則重新發送數據。

2 液晶顯示1602

2.1 電路設計

液晶顯示LCM1602[3，4，5，6]是利用液晶經過處理后能改變光線的傳輸方向的特性來實現信息顯示。一種常用的2行16個字的液晶模塊，它的顯示功能比較豐富，通過不同的地址編碼，既可以顯示出不同的阿拉伯數字、英文字母的大小寫，還可以顯示出常用的符號和日文假名等。它的電路設計比較簡單，八個數據線口可以直接和單片機的口相連，典型的結構如圖2所示。

2.2 LCM1602引腳及功能介紹

LCM1602共16個引腳，各個引腳功能如下：

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：V0為液晶對比度調整端，當其接正電源時對比度是最弱的，而接地電源時其對比度最高。

第4腳：RS為寄存器選擇端，高電平時表示選擇數據、低電平時表示選擇指令。

第5腳：RW為讀寫信號端，高電平時表示讀操作，低電平表示寫操作。RS和RW共同為低電平時表示可以寫入指令或顯示地址。

第6腳：E端為使能端，當由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行其命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向的數據線。

第15～16腳：為背光的陽極腳和陰極腳，如果模塊是不帶背光的，則為空腳。

說明：1為高電平、0為低電平

3 系統的軟件實現

主機程序流程圖如圖3所示。

系統的軟件實現中主機的流程圖主要由以下幾個主要部分組成：首先開啟主程序，程序經過初始化之后，主機發送AAH到從機，從機如果不應答，則返回上一層流程，否則主機發送數據進行檢驗判斷輸出是否完成，若完成則清除標志位，否則返回上一層流程。

分機程序流程圖如圖4所示。

系統的軟件實現中分機的流程圖主要由以下幾個主要部分組成：首先開啟主程序，程序經過初始化之后，接收數據，同時計算檢驗主機發送數據的累加值，如果檢驗的累加值和主機的數據相等，則發送00H到主機，否則發送FFH;發送00H到主機后，進行接收完成判斷，若完成則清除標志位，然后將結果顯示到LCD屏上，否則返回到第三個流程階段，再次計算檢驗主機發送數據的累加值，然后重復后續流程階段。

4 結論

本設計在設計過程中遇到的最大的困難就是程序的調試，串口程序的初始調試還算比較順利，先根據數碼管實現了串口間的發送與接收，然后換成1602液晶以后問題接踵而來，開始的時候復位需要在分機上進行，但是問題是分機上復位了患者也不能立馬看到主機上的復位效果，所以效果不能真正的實現。然而通過再次查閱有關串口通信的資料，得知串口通信發送接收一次要進行一次初始化，問題隨之而解。其次在進行主機按鍵查詢的程序設計中費了不少功夫，開發板上的按鍵不能中斷串口通信的過程，而且串口通信的接口和鍵盤的一排按鍵的接口是復用的，給設計帶來了不小的麻煩，最后利用中斷的優先級的設定，利用外部中斷的優先級高于定時器中斷的優先級有效的解決了主機按鍵查詢的問題。