51單片機病床呼叫器設(shè)計思路

第二章  系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)單片機的無線病床呼叫系統(tǒng)要求初步繪制出系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示。

圖2-1 系統(tǒng)原理框圖

2.2  單片機STC89C51芯片簡介

圖2-6為整個中斷響應(yīng)和處理過程。

2.3 硬件模塊設(shè)計

由圖2-1系統(tǒng)原理框圖可知，整個系統(tǒng)分為五個模塊：無線發(fā)射模塊、無線接收模塊、聲音報警模塊、液晶顯示模塊、按鍵應(yīng)答模塊。

下面將簡單的介紹各個模塊設(shè)計方案。

2.3.1無線發(fā)射模塊

PT2262是一種CMOS 工藝制造的低功耗低價位通用編碼電路，PT2262最多可有12 位(A0-A11)三態(tài)地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供531441 地址碼,PT2262 最多可有6 位(D0-D5)數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17 腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。

PT2262 管腳說明如表2-4

T10A發(fā)射模塊（如表2-5）采用SMD技術(shù)，在穩(wěn)頻處理上采用最先進聲表諧振器（SAW）元件，電路板（PCB）采用介質(zhì)損耗最小的材料，體積小巧。

圖2-6所示為無線發(fā)射模塊圖，由PT2262編碼，發(fā)射模塊的四個按鍵分別代表不同的病床號，按下表示病人呼叫。

圖2-6 無線發(fā)射模塊圖

發(fā)射模塊有密碼保證功能，最多可以編6個數(shù)據(jù)碼和6561個地址碼，使重復的機會大大減少。其性能參數(shù)如下：

? 電源電壓: DC3V～DC12V              ? 靜態(tài)電流:≤0.02uA ? 發(fā)射頻率:315MHz

? 發(fā)射電流:5～50mA                            ? 發(fā)射距離:50～800m ? 調(diào)制方式:ASK

在通常使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3的8次方為6561，所以地址編碼不重復度為6561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用，一般生產(chǎn)廠家都把地址編碼端懸空，用戶可以自己設(shè)置編碼。設(shè)置地址碼的原則是：同一個系統(tǒng)地址碼必須一致；不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分。

2.3.3液晶顯示模塊

圖2-10 1602實物圖

2.3.4聲音報警模塊

該設(shè)計有聲音報警，當有病人呼叫時，蜂鳴器就會大聲提示，直到護士應(yīng)答回復，才會停止鳴叫，控制引腳接在P3.4引腳上，利用三極管當做開關(guān)電路可以保護單片機，還可以起到放大電流的作用，當三極管基極為高電平時，發(fā)射極截止，為低電平時，發(fā)射極導通。報警模塊如圖2-13所示。

圖2-13聲音報警模塊

2.3.5應(yīng)答電路

本設(shè)計中四個床位使用一個應(yīng)答按鈕，接在P3.3引腳上，當有病人按下按鈕，報警開始時，按下應(yīng)答按鈕，即可停止報警，應(yīng)答模塊圖如圖2-14所示

圖2-14應(yīng)答電路

第三章  系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.2無線接收模塊

解碼接收模塊包括接收頭和解碼芯片PT2272兩部分。接收頭將接收的信號輸入PT2272的14引腳（DIN），PT2272對接收到的信號解碼。無線接收模塊如圖2-7所示。

圖2-7 無線接收模塊圖

編碼芯片PT2262 發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當發(fā)射機沒有按鍵按下時，PT2262 不接通電源，其17 腳為低電平，所以315MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當有按鍵按下時，PT2262 得電工作，其第17 腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號，當17 腳為高電平期間315MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號，當17 腳為低平期間315MHz 的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262 的17 腳輸出的數(shù)字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控（ASK 調(diào)制）相當于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。

PT2272管腳說明如表2-9

PT2262和PT2272除地址編碼必須完全一致外，振蕩電阻還必須匹配，一般要求譯碼器振蕩頻率要高于編碼器振蕩頻率的2.5～8倍，否則接收距離會變近甚至無法接收，隨著技術(shù)的發(fā)展市場上出現(xiàn)一批兼容芯片，在實際使用中只要對振蕩電阻稍做改動就能配套使用。在具體的應(yīng)用中，外接振蕩電阻可根據(jù)需要進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越大，發(fā)碼一幀的時間越長。市場上大部分產(chǎn)品都是用2262/1.2M＝2272/200K組合的，少量產(chǎn)品用2262/4.7M＝2272/820K。

解碼接收模塊包括接收頭和解碼芯片PT2272兩部分組成。接收頭將收到的信號輸入PT2272的14腳（DIN），PT2272再將收到的信號解碼。           

接收板工作電壓為DC 5V，接收靈敏度： -103dBm ,尺寸(mm)： 49*20*7 ,工作頻率：315MHz,工作電流：5mA ,編碼類型：固定碼(板上焊盤跳接設(shè)置)  應(yīng)用說明：與各類型遙控器配合使用，解碼輸出后進行相應(yīng)控制，在通常使用中，我們一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，地址編碼不重復度為38=6561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用，遙控模塊的生產(chǎn)廠家為了便于生產(chǎn)管理，出廠時遙控模塊的PT2262和PT2272的八位地址編碼端全部懸空，這樣用戶可以很方便選擇各種編碼狀態(tài)，用戶如果想改變地址編碼，只要將PT2262和PT2272的1～8腳設(shè)置相同即可，例如將發(fā)射機的PT2262的第2腳接地，第3腳接正電源，其它引腳懸空，那么接收機的PT2272只要也第2腳接地，第3腳接正電源，其它引腳懸空就能實現(xiàn)配對接收。當兩者地址編碼完全一致時，接收機對應(yīng)的D1～D4端輸出約4V互鎖高電平控制信號，同時VT端也輸出解碼有效高電平信號。

3.1設(shè)計的軟件環(huán)境簡介

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。   Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。Keil_c軟件界面如圖3-1-1：

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以網(wǎng)設(shè)計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設(shè)計軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層。

Protel99SE軟件的特點：

• 可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；
• 強大的全局編輯功能；
• 在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；
• 同時運行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)
• 既可以進行正向注釋元器件標號（由原理圖到PCB），也可以進行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計上的一致性；
• 滿足國際化設(shè)計要求（包括國標標題欄輸出，GB4728國標庫）； * 方便易用的數(shù)�；旌戏抡妫�兼容SPICE 3f5）；
• 支持用CUPL語言和原理圖設(shè)計PLD，生成標準的JED下載文件； * PCB可設(shè)計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層；
• 強大的“規(guī)則驅(qū)動”設(shè)計環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計規(guī)則檢查；
• 智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；
•          提供大量的工業(yè)化標準電路板做為設(shè)計模版；
•          放置漢字功能；
•          可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件，實現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換；
•          智能封裝導航（對于建立復雜的PGA、BGA封裝很有用）；
•          方便的打印預覽功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印結(jié)果；
•          獨特的3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果；
•          強大的CAM處理使您輕松實現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔文件、貼片機文件、測試點報告等；
•          經(jīng)過充分驗證的傳輸線特性和仿真精確計算的算法，信號完整性分析直接從PCB啟動；
•          反射和串擾仿真的波形顯示結(jié)果與便利的測量工具相結(jié)合；
  

Protel99SE的工作界面是一種標準的Windows界面，如圖所示，包括：標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。Protel99SE軟件界面如圖3-1-2。

3.2 主函數(shù)程序設(shè)計

一個完整的程序中只有一個main函數(shù)，首先調(diào)用初始化函數(shù)進行初始化，然后判斷并調(diào)用顯示子程序使液晶1602顯示、蜂鳴器鳴響報警。程序流程如圖3-2所示。

圖3-2 主程序流程圖

3.3 初始化程序設(shè)計

初始化程序包括液晶初始化顯示、定時器中斷系統(tǒng)初始化。

（一）、液晶初始化

根據(jù)液晶使用手冊，在液晶使用之前，要對其設(shè)置顯示模式，光標設(shè)置，然后進行清屏操作。方便之后使用。

（二）、定時器中斷系統(tǒng)初始化

STC89C51有兩個定時/計數(shù)器，都有定時和計數(shù)兩種工作模式，四種工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3），屬于增一計數(shù)器。特殊功能寄存器TMOD用于選擇定時器/計數(shù)器T0、T1的工作模式和工作方式。但無論是工作在定時器模式還是計數(shù)器模式，實質(zhì)都是對脈沖信號進行計數(shù)，只是計數(shù)的來源不同，計數(shù)器模式是對加在T0(P3.4)和T1(P3.5)兩個引腳的外部脈沖進行計數(shù)，而定時器模式是對單片機的時鐘振蕩器信號經(jīng)片內(nèi)12分頻后的內(nèi)部脈沖信號計數(shù)。

•          工作方式控制寄存器TMOD，不能位尋址，其格式如圖3-3所示。
  

                        圖3-3 寄存器TMOD的格式

• GATE ：門控位。
• M0、M1:工作方式選擇位。
• C/T：計數(shù)器和定時器模式選擇位。C/T=0，為定時器模式；C/T=1為計數(shù)器模式。
  

M0、M1共有4種編碼，對應(yīng)于4種工作方式的選擇，見表3-4。

表3-4 M1、M0工作方式選擇

定時器的工作方式設(shè)置好以后就要給定時器裝入初值，工作方式不同初值也不同。

1、下面介紹一下單片機的時鐘周期、機器周期和指令周期。

• 時鐘周期是單片機時鐘控制信號的基本時間單位。若時鐘晶體的震蕩頻率為f0sc ,則時鐘周期Tosc=1/fosc 。
• 機器周期是CPU完成一個基本操作所需要的時間。AT89C51單片機的每12個時鐘周期為一個機器周期，即TCY=12/fOSC 。
• 指令周期是執(zhí)行一條指令所需的時間。AT89C51單片機中指令按字節(jié)來分，可分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令，單字節(jié)和雙字節(jié)指令一般為單機器周期和雙機器周期，三字節(jié)指令都是雙機器周期，只有乘、除指令占4個機器周期。
  

本設(shè)計中，時鐘晶體的頻率為11.0592MHZ，所以時鐘周期為1/12M。T0作為定時器使用，工作方式為方式1，作為16位計數(shù)器。設(shè)計數(shù)個數(shù)為N，計數(shù)初值為X，那么X=216-N，      定時時間=N×12/晶振頻率，所以，定時時間=（216-X）×12/晶振頻率。

本設(shè)計設(shè)置每隔50ms中斷一次，那么得出初值X=0x4BFF，定時器T0的高8

位TH0賦值0x4B，低8位TL0賦值0xFF。

2、定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON，可位尋址，其格式見表3-5。

表3-5 特殊寄存器TCON的格式

① TR0：定時器啟動位。TR0=0，關(guān)閉定時器0；TR0=1，開啟定時器0.

② IT0：選擇外部中斷0為跳沿觸發(fā)方式還是電平觸發(fā)方式。IT0=0，為電平觸發(fā)方式；IT0=1，為跳沿觸發(fā)方式。

              4、單片機對各中斷源的開放或屏蔽是由片內(nèi)的中斷允許寄存器IE控制的，可位尋址，其格式見表3-6。

表3-6 中斷允許寄存器IE的格式

• EA：中斷允許總開關(guān)控制位。EA=0，所有的中斷請求被屏蔽；EA=1，所有的中斷請求被開放。
• ES：串行口中斷允許位。ES=0，禁止串行口中斷；ES=1，允許串行口中斷。
• ET0：定時器/計數(shù)器T0的溢出中斷允許位。ETO=0，禁止T0溢出中斷；ETO=1，允許T0溢出中斷。
• EX0：外部中斷0中斷允許位。EX=0，禁止外部中斷0中斷；ES=1，允許外部中斷0中斷。STC89C51復位后，IE被清零，所有的中斷請求被禁止。所以在初始化時，要令EA=1,EX0=1，ET0=1，開放總中斷、允許T0中斷。初始化程序如下：
  

void init()

{

              bg_1602=0;

              TMOD=0x01;

              TL0=0x4b;

              TH0=0xff;

              EA=1;

              ET0=1;

              TR0=1;

              E=0;

              com_1602(0x38);

              com_1602(0x0c);

              com_1602(0x06);

              com_1602(0x80);

              com_1602(0x01);

}

3.4 延時子程序設(shè)定

延時子程序作為方便其他程序調(diào)用，避免程序繁瑣重復。我將延時子程序定為有參函數(shù)，延時1ms，程序如下：

void delay(ui x)

{

              ui i,j;

              for(i=0;i<x;i++)

              for(j=0;j<121;j++);

}

3.5 液晶顯示子程序

void display()

{

              if(num_D0||num_D1||num_D2||num_D3)

              {

                            if(num_D0==1)

                            {

                                          dis_1602(1,0,2,0,1);

                                          dis_1602(1,0,3,0,10);

                            }

                            if(num_D1==2)

                            {

                                          dis_1602(1,0,4,0,2);

                                          dis_1602(1,0,5,0,10);

                            }

                            if(num_D2==3)

                            {

                                          dis_1602(1,0,6,0,3);

                                          dis_1602(1,0,7,0,10);

                            }

                            if(num_D3==4)

                            {

                                          dis_1602(1,0,8,0,4);

                                          dis_1602(1,0,9,0,10);

                            }

                            dis_1602(10,1,5,1,0);

              }

              else

              dis_1602(15,0,0,3,0);

結(jié)束語

至此，本設(shè)計的主要內(nèi)容已經(jīng)完成。本章是在對前面完成的工作進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出今后進一步工作的建議和設(shè)想。

選擇這個課題之后，我明白要解決的難點：病人都按開關(guān)時，在數(shù)碼顯示器能循環(huán)顯示病床，這也就是考驗我們對所學知識有比較透徹的了解和我們的耐心。

接下來每天奔波在宿舍、餐廳三點一線的生活，雖然有點累，但很充實，在這之中還去請教老師和同學，他們耐心的教導讓我更加堅定了對該課題的研究，另外還有很多老師的幫助。

在設(shè)計的過程中遇到了很多問題，可以說得是困難重重，在遇到各種各樣問題的同時，會發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，如對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。比如說Protel軟件應(yīng)用的不夠熟練、Proteus仿真知識及操作、對單片機匯編語言掌握得不好。不過通過這次設(shè)計之后，也學到了很多知識，更重要的是一定把以前所學過的知識重新溫故，學好用好，學以致用。

最后在百般努力下，這次設(shè)計終于完成了，在設(shè)計中遇到了很多編程問題，最后在老師的辛勤指導下，終于實現(xiàn)了設(shè)計的要求。這一次設(shè)計給我的總體感覺很好，因為我學到了很多的東西。只要自己能夠找好的學習方法，在過程中不斷的努力。那么學到的東西肯定會有很多，我相信我是能夠做好的。

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2020-5-15 16:18 上傳

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