病房呼叫系统.doc

摘要本设计是基于51系列的单片机设计的病房呼叫系统。在该设计中每个患者床头都有一个按键，当患者有需要的时候，按下按键，此时，值班室的系统板上会显示此患者的床位号，并且为了提醒效果更好会震铃3秒。此时，值班室的护士会看到哪个病房的患者又需要，然后护士按下“响应”键取消当前呼叫。本系统是一个64个床位的的病房呼叫系统，核心部件选择内部存储资源丰富的AT89C51单片机， 输入采用88矩阵键盘。显示采用2位7段共阴极LED动态显示，复位电路采用上电加按钮复位，时钟采用12MHz晶体振荡电路。编程语言方面针对病房呼叫系统程序比较简单，接口可以不通过扩展而实现，而且考虑到汇编的语言对端口的操作比较直观，故采用汇编语言，由于采用AT89C51单片机内部有充足的程序存储单元和数据存储单元，因此不需要进行外围存储扩展。又采用了直观的汇编语言，故该系统具有安装方便，成本低等特点。在这个瞬息万变、竞争激烈的时代，选择一个优越的工具往往能提升企业在这个市场上的竞争力。尤其医院的竞争越来越激烈，商业医院的生存是第一位的，提升档次和服务质量迫在眉睫，陪护问题一直是医患矛盾的主体，也是长期困扰卫生系统服务质量的大问题，使用病房呼叫系统，方便病人更快找到医生，以节约病人的宝贵时间。系统主要用于医院、门疹、养老院等场所。可大大降低护理成本，增强护理的及时性和有效性，而且无需布线、安装极其简便。以前当病人需要服务时就不得不亲自到值班室去叫。安装该呼叫系统后，在病人与护士之间架起一座及时沟通的桥梁 。使用呼叫服务系统可在减少护理人员的同时，保证病员随时能够得到服务，让每个病人及时得到最佳护。该系统就能够满足这个要求，且实际意义在于能够为医院提供一个成本低、不复杂、生产和安装方便的简单快捷系统。21目录目录21概述31.1单片机总体功能简介31.2 AT89C51单片机介绍42系统总体方案及硬件设计82.1系统设计要求82.2总体设计方案82.3系统硬件设计83 系统软件设计103.1系统结构设计103.2系统初始化及呼叫过程103.3响应过程114 Proteus软件仿真134.1Proteus ISIS简介134.2用wave编译执行程序134.3 Proteus运行流程144.3 Proteus功能仿真145课程设计体会17参考文献17附1 源程序代码18附2 系统原理图221 概述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（Micro Control Unit）。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。1.1单片机总体功能简介单片机是在工业测控需要背景下而产生的，在一个应用系统中。按照测控系统的特点和要求，单片机的应用可分为单机应用和多机应用两大类。我们这次要完成的单片机课程设计就是它的单机应用，下面在介绍一下单片机在单机应用领域内的主要内容。（1）智能产品单片机与传统机械产品相结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，购成新一代机电一体化产品。目前，利用单片机构成的智能产品已广泛应用于家用电器、办公设备、数控机床、纺织机械、工业设备等行业。（2）智能仪表目前，各种传感器、变送器、控制仪表已普遍采用单片机应用系统。它集测量、处理、控制功能于一体，具有各种智能化功能，如存储、数据处理、查找、判断、联网和语音等功能。单片机构成的智能仪表，能使仪表具有数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化等优点，赋予测量仪表以崭新的面貌，使传统的仪器、仪表发生根本性的变革，它代表了仪器仪表的发展趋势。（3）测控技术用单片机构成的各种工业控制系统中的数据采集系统具有工作稳定可靠、抗干扰能力强的优点，如炉温恒温控制系统、电镀生产自动控制系统等。（4）智能接口在计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中，除通用外部设备外，还由许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。这些外部设备与接口如果完全由主机进行管理，势必会造成主机负担过重，运行速度降低，接口的管理水平也不可能提高。如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行加工处理，可以大量降低接口的通信密度，极大的提高了接口控制管理水平。在一些通用计算机外部设备上，已实现了单片机的键盘管理、打印机控制、绘图仪控制、硬盘驱动控制等。1.2 AT89C51单片机简介 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图1-1 AT89系列单片机本系统采用的就是51系列的AT89C51单片机进行的病房呼叫系统设计设计。由于51系列的上下兼容性，51核的内部功能大体一致。上图为51系列单片机的管脚图，如图1-1中的左图(AT89C51)。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1主要特性1与MCS-51 兼容 24K字节可编程闪烁存储器 3寿命：1000写/擦循环4数据保留时间：10年5全静态工作：0Hz-24Hz6三级程序存储器锁定7128*8位内部RAM832可编程I/O线9两个16位定时器/计数器105个中断源 11可编程串行通道12低功耗的闲置和掉电模式13片内振荡器和时钟电路 2管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2系统总体方案及硬件设计2.1系统设计要求病房呼叫系统设计要求：（1） 设计一个可容64张床位的病房呼叫系统。（2） 要求每个床位都有一个按钮，当患者需要呼叫护士时，按下按钮。此时护士值班室内的呼叫系统板上显示该患者的床位号，并振铃3秒。（3） 当护士按下“响应”键时，取消当前呼叫。（4） 编写程序，用Proteus软件进行仿真并在报告中给出操作过程及运行效果图。2.2总体设计方案因该系统需要比较多的输入、输出口，所以采用内部存储资源和I/O口比较多的MCS-51指令系列的AT89C51单片机，2位LED动态显示，需要8根数据线，采用P0口作为数据线，P3口的P3.0，P3.1作为线选，相当于地址线，选择其中一位显示，P3.2口作为中断1的专门接口外接一个接地的按钮以实护士响应该患者的请求产生中断。根据要求至少有64个病房的输入要求的，采用88矩阵键盘，采用矩阵键盘也是利用软件节省硬件，利用内部ROM，进行循环查询。扬声器可以用一个准IO口，这里采用P0的第八口P3.7。采用AT89C51作为运算和控制单元完全满足系统的需求。2.3系统硬件设计复位电路：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。如下图2-1所示。图2-1 上电加按钮复位电路时钟电路：时钟是时序的基础，8951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。如下图2-2所示。2-2 时钟电路显示电路：采用2位8段共阴极LED，P0口作为LED显示码输出端（如图2-3），P3.0、P3.1口接线选端。P3.2位“响应按钮”端（如图2-4） 图2-3 LED显示器 图2-4振铃键盘电路：采用P3口与矩阵8*8键盘连接。键盘的选用方面，在程序调试时经过橡胶键盘与按钮键盘进行比较，橡胶键盘的正确率较高，易用性较强。最终采用用橡胶键盘如图2-5。 图2-5 8*8矩阵键盘3系统软件设计31系统结构设计图3-1（呼叫系统结构设计）病房呼叫系统结构图如图6所示。3.2系统初始化及呼叫过程启动系统后，系统进行初始化，此时，单片机执行SETB EA SETB EX0 SETB IT0 及 CLR P3.7 MOV 30H,#0FFH LCALL DISPLED进行系统初始化LED显示00，等待呼叫，如下图3-2图3-2等待呼叫图之后，进入键盘扫描，端口P2进行键盘横向扫描，初始化后输出高电平。P0端口扫描键盘列向，当有患者按下呼叫键按钮时，按钮左右电路接通，有信号输入。此时显示对应的病房号,如图3-3为按下32键图3-3LED显示此时，接通LED的端口输出相应信号，连接响铃spesker的P3.7端置位，LED显示按钮所代表的病床位，响铃发出报警响声，提醒值班室人员有病人出现紧急情况。如图3-3，假如32床位按下按钮，LED显示32，响铃如图3-4。图3-4 32呼叫振铃3.3响应过程当有呼叫发出时，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INTR_0: MOV 30H,#0FFH CLR P3.7图3-5 护士看到呼叫时的响应（按下按钮）4 Proteus软件仿真4.1Proteus ISIS简介Proteus ISIS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、RS232动态仿真、I2 C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、PIC4.2 用wave编译执行程序（图12）图4-1（wave编译执行程序）4.3Proteus运行流程Proteus ISIS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。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Pick Devices 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。Proteus ISIS的工作界面（图13）：图4-2仿真效果图4.4Proteus功能仿真Proteus仿真效果最后载入hex文件后可以进行模拟仿真，可以全速运行也可以单步调试运行。按键如图14 图4-3执行按键图系统开机初始化上电复位后和按下响应按键后LED显示：如图4-4：图4-4系统初始化15号病房呼叫按下按键时如图4-5图4-5 15号病房呼叫64号病房呼叫图4-6整个程序流程如上述所示。5课程设计体会在大三下学期开学的第一周，我们进行为期一周的单片机课程设计，看到那么多课题，经过慎重考虑我选择了病房呼叫系统，接下来我用了一周的时间设计一个64个床位的的病房呼叫系统，感触颇多。首先选择这个课题之后，在设计中首先考虑到键盘的设计问题，由于这个题目的键盘设计是所有题目中最多的，达到了64个按键，想到我们刚学习的键盘设计知识，没有采用独立式键盘，因为如果采用这种方案的话I/O口是远远不够用的，于是采用按钮构造的矩阵式键盘，但是矩阵式键盘对程序编写的要求多而且也很麻烦，这也就是考验我们对所学知识有比较透彻的了解和我们的耐心。接下来每天奔波在宿舍、网吧、餐厅三点一线的生活，虽然有点累，但很充实，在这之中还去请教我院科技创新实验室的老师和同学，他们耐心的教导让我更加坚定了对该课题的研究，另外还有很多老师的帮助，有一次在Proteus仿真中使用扬声器的时候不会使用，加入音乐不会加入，就打电话给杨俊起老师，杨老师在线帮我调试，整理当然在设计的过程中遇到了很多问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说wave仿真不熟练，Proteus仿真知识及操作、对单片机汇编语言掌握得不好不过通过这次课程设计之后，也学到了很多知识，更重要的是一定把以前所学过的知识重新温故，学好用好，学以致用。最后在百般努力下，这次课程设计终于完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在崔立志老师的辛勤指导下，终于实现了设计的要求。同时，在杨俊起老师的身上也让我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献（1）余发山 单片机原理及及应用技术. 中国矿业大学出版社 2003.12（2）何立民著，单片机中级教程（原理与应用），北京航空航天大学出版社，2000（3）楼然苗;李光飞 单片机课程设计指导. 北京航空航天大学出版社 2007 .7 （4）王建校 51系列单片机及C51程序设计. 科学出版社 2002.4（5）杨长春.电子报( 2001 年合定本) .成都: 四川科学技术出版社, 1997.附1 源程序代码ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INTR_0 ORG 0030HMAIN: SETB EA ;初始化系统，EA/EXO/IT0置位 SETB EX0 SETB IT0MAIN1: CLR P3.7 ;P3.7清零 MOV 30H,#0FFH LCALL DISPDP1: LCALL KEY LCALL DISP LJMP DP1KEY: LCALL KS JNZ K1 LCALL DELAY2 ;延时消抖 RETK1: LCALL DELAY2 JNZ K2 LJMP KEYK2: MOV R2,#0FEH MOV P1,#0FFH ;使P1口置高电平 MOV R4,#00HK3: MOV P2,R2LOOP0: JB P1.0,LOOP1 ;扫描按钮键盘 MOV A,#00H LJMP LOOPKLOOP1: JB P1.1,LOOP2 MOV A,#08H LJMP LOOPKLOOP2: JB P1.2,LOOP3 MOV A,#10H LJMP LOOPKLOOP3: JB P1.3,LOOP4 MOV A,#18H LJMP LOOPKLOOP4: JB P1.4,LOOP5 MOV A,#20H LJMP LOOPKLOOP5: JB P1.5,L