太原理工大學課程設計PAGEPAGE19課程設計任務書設計題目病人呼叫器學生姓名所在院系專業、年級、班設計要求：=1\*GB1⒈設計一種呼喊器，供醫院住院病人“呼喊”醫護人員時使用。=2\*GB1⒉住院病人可通過按動自己的床位按扭開關向醫護人員發出“呼喊”信號；=3\*GB1⒊一旦有病人發出“呼喊”信號，醫護人員值班室顯示床位編號，揚聲器發出提示聲響信號；4.“呼喊”器所需的直流穩壓電源。5.用相關仿真軟件對電路進行仿真。學生應完成的工作：本設計以AT89C51單片機為主控模塊，利用匯編語言編寫兩位數碼管循環掃描動態顯示的專用程序來實現兩位數碼管動態顯示系統。我們通過查閱手冊和文獻資料來選擇合適的元器件，并設計合理的電路來實現符合要求的電路板實物。主要任務包括：（1）硬件原理圖的設計。（2）軟件程序的設計：學會對不同方案進行比較分析，并通過整體優點與缺點的比較，確定合理的方案。（3）用匯編語言進行軟件的編寫與調試。（4）撰寫課程設計報告。（5）該生負責流程圖和軟件編寫。課程設計提交的成果1）設計說明書2）圖樣資料a)系統原理圖；3）查閱文獻不少于5篇b)硬件電路圖；c)匯編語言源程序d)PROTEUS運行仿真圖工作計劃：2013年12月23日—2013年12月23日：搜索有關資料并進行硬件原理圖設計；2013年12月24日—2013年12月25日：進行硬件電路與軟件程序的編寫及調試；2013年12月26日—2013年12月26日：編寫課程設計說明書；2013年12月27日—2013年12月27日：提交課程設計。任務下達日期：2013年12月23日 任務完成日期：2013年12月27日指導教師（簽名）：學生（簽名）：病人呼叫器摘要：本設計是一個采用89C51單片機配以外圍適當電路完成一個可供64張床位使用的病房呼叫系統。該系統需運用單片機典型外圍接口技術中的矩陣式鍵盤電路完成對病房床號的輸入，由于床位較多，考慮到89C51單片機自身接口有限，需用可編程并行接口芯片8255外擴I/O實現對矩陣式鍵盤的掃描與鍵值的讀入。MCS-51單片機受管腳的限制，P0口不僅要作數據總線口而且還提供低8位A0~A7，所以只能分時工作，故P0口輸出的低8位地址數據必須用鎖存器鎖存。本設計采用74LS373，其鎖存控制信號由引腳ALE提供。在ALE的下降沿將P0口輸出的地址數據鎖存。由于該設計中單片機要實現三種功能：1）床位按鈕的掃描與讀入。2）按鈕按下時振鈴三秒并顯示床號。3）護士響應管滅鈴停。此設計報告包括：概述、系統總體方案及硬件設計、軟件設計、Proteus軟件仿真、心得體會及參考文獻六部分組成。設計任務中含有原程序代碼，Proteus環境下的系統電路圖，流程圖等部分，軟件及硬件電路設計正確性在Proteus界面下仿真來檢驗正誤。關鍵詞：呼叫器/單片機/醫院/顯示目錄1.設計背景 51.1單片機發展前景 52.課程名稱及要求 62.1課程名稱 62.2主要技術要求 63.方案計劃 73.1設計方案及方案論證 74.方案實施 74.1總體模塊 74.1.1裝置組成 74.1.2工作原理及工作流程 84.2各分模塊設計 94.2.1按鈕開關電路 94.2.2單片機控制及顯示電路 104.2.3聲音報警電路 114.2.4外部振蕩電路的設計 124.2.5單片機復位電路設計 134.2.6顯示電路設計的設計 144.2.7proteus_7.8仿真 144.2.8單片機工作原理 165.單片機選用 165.1單片機AT89C51 166.電路板的選用與檢查 167.系統調試 177.1調試 177.2軟件調試問題分析 188.課程設計體會 199.附錄 209.1附錄1 219.2附錄2 229.3附錄3 239.4附錄4 239.5附錄5 291.設計背景1.1單片機發展前景：目前，用于病床呼叫的系統有很多，它們多數都是有線通信，通過聲光報警和LED屏顯示告知呼叫求援的床位號碼，一般由有線的床頭分機、走廊顯示屏和護士臺的由發光二極管組成的病床一覽表（板）組成。這種醫護呼叫系統缺乏對病人呼叫信息的存儲、統計和管理功能，病人呼叫求援方式單一，護士和醫生只能在值班地點才能得到病人的聲光報警，特別是值班醫生和護士不在值班地點時，可能造成不能迅速找到值班醫護人員而延誤病人的搶救時機，給病人和醫院造成不可挽回的損失。護呼叫系統已經成為醫院提高醫護服務質量、提高醫護人員工作效率和減少醫療事故的一種必不可少的基礎設備，臨床求助呼叫（監護）是傳送臨床信息的重要手段，病房呼叫系統是病人請求值班醫生或護士進行診斷和護理的緊急呼叫工具，可將病人的請求傳送給值班醫生或護士，并在值班室的監控中心電腦上留下準確完整的記錄，是提高醫院和病室護理水平的必備設備之一，呼叫系統的優劣直接關系到病員的安危，歷來受到各大醫院的普遍重視。它要求及時準確可靠簡便可行。2.課題名稱及要求2.1課題名稱：醫院住院病人“呼叫”器2.2主要技術要求：（1）本課題要求1.設計一種呼喊器，供醫院住院病人“呼喊”醫護人員時使用。2.住院病人可通過按動自己的床位按扭開關向醫護人員發出“呼喊”信號；3.一旦有病人發出“呼喊”信號，醫護人員值班室顯示床位編號，揚聲器發出提示聲響信號；4.“呼喊”器所需的直流穩壓電源。5.用相關仿真軟件對電路進行仿真。（2）設計作用及目的

病人呼叫系統已經成可以為醫院提高醫護服務質量、提高醫護人員工作效率和減少醫療事故。實驗的目的是了解到電路從設計到調試等過程，加強對電路的了解。3.方案設計3.1設計方案和方案論證為使電路設計盡可能合理，應注意以下幾個方面：（1）盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路，功能強的芯片可以代替若，普通芯片，隨著生產工藝的提高，新型芯片的價格不斷下降，并不比若干芯片價格的總和高。（2）留有設計余地。在設計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設計，如果現在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。（3）程序空間。選用片內程序空間足夠大的單片機。（4）I/O端口。在樣機研制出來后進行現場試用時，往往會發現一些被忽略的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施可以解決的，如有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端，有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設計就預留出一些I/O端口，雖然當時空著沒用，那么到用的時候就派上用場了。4.方案實施4.1總體模塊：4.1.1裝置組成由于綜合各方面考慮，我們采用端口模式，應用單片機設計該醫院呼叫器系統。對于無限發射模塊，課題沒做要求。所以我們為了力求簡潔和考慮成本問題，采用該方案。我們這個實做，由單片機，和按鈕、數碼管、晶振、電容、電阻、導線若干而成。4.1.2工作原理及工作流程系統組成如圖1所示。此設計以單片機AT89C51為核心，由單片機I/O口采集檢測開關信號，經過單片機內部MCU程序處理后通過數碼管顯示相應的按鍵號，并進行相應的聲音報警，提醒醫生注意當病人需要呼叫醫務人員的時候，只要按一下床頭的開關，醫務人員值班室的指示臺上就會發出音頻信號，并且有指示燈指示出病人所在的房號及床號。聲音報警單片機處理聲音報警單片機處理按鈕開關按鈕開關數碼顯示數碼顯示圖1：醫院呼叫器裝置原理框圖圖2：工作流程圖4.2各分模塊設計4.2.1.按鈕開關電路鍵盤是單片機不可缺少的輸入設備，是實現人機對話的紐帶。鍵盤按結構形式可以分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤，前者用軟件方法產生鍵碼，而后者則用硬件方法來產生鍵碼。在單片機中使用的都是非編碼鍵盤，因為非編碼鍵盤結構簡單，成本低廉，非編碼鍵盤的類型很多，常用的有獨立式鍵盤，行列式鍵盤等，本文按鈕開關電路如圖2所示。圖2按鈕開關電路按鈕開關電路采用低電平有效。通過單片機檢測P1口狀態分別判斷是幾號按鈕（病床）按下按鈕。該電路總共采用8路，分別代表8個病房，如果想要擴展，可在該基礎上進行擴展。此處為了便于設計，采用8路按鈕開關。備注：此處優先級是相同的，也就是說如果某一病床呼叫，在報警期間，其他按鈕也有效。我們設計的報警時長是5S。我們此處設計的是簡易裝置，如果需要優先級或者可查詢，可在此基礎上進行軟硬件的擴展，實現所需功能。4.2.2.單片機控制及顯示電路單片機控制及顯示電路如圖3所示。采用靜態顯示方式，利用單片機的P0口的P0.0～P0.6作為數碼管七段碼的輸入。采用共陽極數碼管(見圖3)。單片機檢測到按鍵信號，通過內部程序處理進行相應病床的顯示。圖3單片機控制及顯示電路4.2.3.聲音報警電路我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線的高電平或低電平，則在該口線上就能產生一定頻率的巨型波，接上喇叭就能發出一定頻率的聲音，若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調，使喇叭發出不同的聲音。本文設計聲光報警電路見圖4。當有按鍵按下時，單片機從P1.7口輸出一周期高低信號，控制三極管的通斷，從而使揚聲器通斷，發出一定周期的音頻報警信號。報警時間為5S。圖4聲音報警電路4.2.4外部震蕩電路的設計單片機必須在時鐘的驅動下才能工作，在單片機結構內部有一個時鐘振蕩電路，只需要外部接一個震蕩源就能產生一定的時鐘信號，送到單片機內部的各個單元，決定單片機的工作速度。如圖5。圖5震蕩電路一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL0引腳產生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調。單片機在工作時，由內部振蕩器產生或由外直接輸入的送至內部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數。圖中時鐘頻率為24MHz。4.2.5單片機復位電路的設計單片機的第9引腳RST為硬件復位端，只要將該端持續4個機器周期的高電平，即可實現復位，復位后單片機的各狀態都恢復到初始化狀態，其電路圖如圖6。圖6復位電路4.2.6顯示電路的設計顯示電路使用了七段數碼管，它是共陰極的，由低電平點亮.顯示功能與硬件關系很大，當硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下，提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。4.2.7Proteus仿真硬件鍵盤電路工作原理：單片機上電運行即進入判斷鍵盤是否有鍵按下主程序，8255PA口輸出全0值，后讀8255PC口若其值全1則證明鍵盤無鍵按下，若其值不全為1則證明64個鍵中有一鍵按下。單片機隨機鍵盤掃描子程序，本設計首先將第0列送0其它列送1，然后讀8255PC口通過對ACC各位的判斷來識別鍵值。若第0列無鍵按下則轉判下一列，最后返回。鍵值通過：行首鍵號+列值=鍵值計算得出。例如當單片機第5列即8255PA.5口輸出0時，讀其PC口若ACC.3為0，則鍵值為24+5=29。該電路的仿真，我們采用Proteus這個仿真軟件進行做的，仿真效果非常好，達到課程實際之要求。仿真按鍵按下，聲音報警和數碼管顯示相應的按鍵號碼。該圖為我按下按鍵23時的顯示數值，在按下5S內，蜂鳴器持續發出音頻報警信號。4.2.8單片機工作原理1.由單片機檢測P0口的按鍵狀態，當有低電平輸入時候，單片機做相應的軟件執行。2.由單片機內的顯示和聲音報警程序進行相應輸出，來告知醫生某床位有病人呼叫。3，數碼管按優先級別循環顯示病房號，閃爍燈閃爍。通過復位端，還可以進行手動的復位功能5.單片機的選用5.1選用單片機AT89C51經綜合分析選用單片機AT89C51適合。AT89C51是一種低功耗高性能的8位單片機，片內帶有一個4KB的Flash在線可編擦除只讀存儲器，它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和指令系統和51系列單片機兼容。片內的存儲器允許在線重新編程或用常規的非易失性存儲器編程器來編程。同時已具有三級程序存儲器保密的性能。在眾多的51系列單片機中，要算ATMEL公司的AT89C51更實用，因為它不僅和MCU-51系列單片機指令、管腳完全兼容，而且它將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個芯片上。這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。7.系統調試7.1調試系統調試主要為軟件調試，軟件調試一般包括分塊調試和聯機調試兩個階段。程序的分塊調試一般在單片機開發裝置上進行，可根據所調程序功能塊的入口參量初值編制一個特殊的程序段，并連同被調程序功能塊一起在開發裝置上運行；也可配合對應硬件電路單獨運行某程序功能塊，然后檢查是否正確，如果執行結果與預想的不一致，可以通過單步運行或設置斷點的方法，查出原因并加以改正，直到運行結果正確為止。這時該程序功能塊已調試完畢，可去掉附加程序段。其它程序功能塊可按此法進行調試。程序聯機調試就是將已調試好的各程序功能塊按總體結構聯成一個完整程序，在所研制的硬件電路上運行。從而試驗程序整體運行的完整性、正確性和與硬件電路的配合情況。在聯調中可能會有某些支路上的程序、功能塊因受條件制約而得不到相應的輸入參數，這時，調試人員應創造條件進行模擬調試。在聯調中如發現硬件問題也應及時修正，直到單片機系統的軟件調試成功為止。系統調試完成后，還要進行一段時間的試運行，從而檢驗系統的穩定性和抗干擾能力，驗證系統功能是否達到設計要求，是否達到預期的效果。7.2軟件調試問題分析數碼管顯示問題：本次設計的最終方案是采用數碼管顯示屏實現顯示功能，最初數碼管顯示不正常，出現閃爍現象。通過調試發現這是由于延時時間選擇不當會使人眼產生視覺暫留效果，每一次顯示時都必須加入適當的時間延時。由于一開始所選用的延時時間太短因此出現閃爍現象，在增加顯示延時之后，數碼管顯示正常。蜂鳴器異常啟動問題：蜂鳴器的啟動/關閉是通過單片機輸出的控制信號來實現的，當前時間與鬧鐘設置時間比較吻合時，單片機將對鬧鈴控制口執行取反命令，從而啟動蜂鳴器發聲。一開始編寫程序時，沒有對控制口的最初狀態作正確設置，由于系統開機復位后，鬧鈴控制口處于高電平狀態，因此出現一開機蜂鳴器就處于啟動狀態的情況。通過在主程序最開始加入對鬧鈴控制口取零命令后，蜂鳴器啟動/關閉控制恢復正常。我們通過認真研究，對一些部件進行簡化，再結合軟件模擬，得出了達到實驗要求的設計結果。經過運行，本設計可以實現課程設計要求里的所有要求。當無輸入的時候，數碼管上無顯示；當有一路輸入的時候，數碼管顯示該病房號，對應病房的燈亮；當有多路輸入時，對應病房的燈亮，數碼管按優先級別循環顯示病房號，通過復位端，還可以進行手動的復位。8.課程設計體會通過此次設計,我進一步加深了對單片機的理解，使我的編程思想更趨于成熟，編程思路更加開闊，比如當選定病房呼叫系統課題時我發現是64張床位，由于這么多的床位得占用大量的I/O線，這給我的第一直覺就是得采用靜態顯示因為它只需用到RXD和TXD兩個端口即可完成顯示任務。畫完硬件電路圖后我將編譯好的程序載入單片機后我屏住呼吸懷著激動的心情按下了運行鍵，然而我并沒看到我期望看到的結果，心情很是失落。于是我開始認真排查錯誤，我發現：1）后面幾行以行為單位的鍵值顯示有重復。2）兩個LED只有十位能顯示而個位剛上電時亮待有鍵按下時熄滅。3）有鍵按下時揚聲器并不發聲。4）護士按鈕不能使外部中斷起作用。5）鍵盤有鍵按下時鍵盤掃描動作遲緩。對第5個問題我首先想到可能是我的延時程序延時時間太長，于是我將延時時間變短些，果真不出所料單片機對鍵盤的掃描迅速了。但是其它四個問題還是老樣子。對第4個問題當我反復按護士按鈕時發現單片機的INT0引腳始終是高電平不變。此時我頓然想到可能時上拉電阻阻值過大使開關失去了作用，于是我將電阻值改小點，成功的給INT0引腳送入低電平，令我興奮的是外部中斷居然起作用了，它可以將亮的那個LED熄滅。對第1個問題我對照圖2-1按鍵序號圖發現顯示重復原來是正常現象因為鍵值的十位都有十個數是一樣的。對第2個問題，顯示床號個位的74LS164移位寄存器的輸入由顯示床號十位的74LS164移位寄存器的最低位數據線提供，我將該最低位數據線不通向LED時，居然發現顯示床號個位的LED也能正常工作，但是顯示床號十位的LED顯示就出現了殘缺。此問題我最終通過給顯示床號十位的74LS164移位寄存器的最低位數據線接上電阻后再輸入到顯示床號個位的74LS164移位寄存器得以解決。對第3個問題是揚聲器驅動電路沒有起作用，我用一個三極管加一個電阻將此問題解決。當聽到我做的系統發出定時3S的聲音時，我激動不已，心想我成功的將該課題完成了。然而好事多磨，又一個攔路虎出現了，我發現我做的鍵盤第1、3、5、列按鍵待第二次有鍵按下時自動鎖死不起作用了，我知道我的主程序有問題，最后經過認真排查我發現我將MOVA,#00H寫成了MOVA,00H，MOVA,00H可能將00H單元的不確定數送給A顯然會引起錯誤。將MOVA,00H改為MOVA,#00H后至此我的課程設計已完滿完成。在我解決以上問題的過程中，我提高了理論分析水平，更提高了我的心理承受能力，這是我受益非淺，更堅定了我學好后續課程的信心。9.附錄附1：參考文獻[1]單片微型計算機原理及應用[M].張毅坤、陳善久、裘雪紅編。西安電子科大出版社。[2]單片機程序設計及應用[M].楊將新，李華軍編.北京:電子工業出版社,2006。[3]報警集成電路和報警器制作實例[M].陳有卿,張曉東編.北京人民郵電出版社2001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