51单片机病床呼叫器设计思路

第二章  系统硬件设计

2.1 系统原理框图

根据单片机的无线病床呼叫系统要求初步绘制出系统原理框图如图2-1所示。

图2-1 系统原理框图

2.2  单片机STC89C51芯片简介

图2-6为整个中断响应和处理过程。

2.3 硬件模块设计

由图2-1系统原理框图可知，整个系统分为五个模块：无线发射模块、无线接收模块、声音报警模块、液晶显示模块、按键应答模块。

下面将简单的介绍各个模块设计方案。

2.3.1无线发射模块

PT2262是一种CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用编码电路，PT2262最多可有12 位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441 地址码,PT2262 最多可有6 位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17 脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。

PT2262 管脚说明如表2-4

T10A发射模块（如表2-5）采用SMD技术，在稳频处理上采用最先进声表谐振器（SAW）元件，电路板（PCB）采用介质损耗最小的材料，体积小巧。

图2-6所示为无线发射模块图，由PT2262编码，发射模块的四个按键分别代表不同的病床号，按下表示病人呼叫。

图2-6 无线发射模块图

发射模块有密码保证功能，最多可以编6个数据码和6561个地址码，使重复的机会大大减少。其性能参数如下：

? 电源电压: DC3V～DC12V              ? 静态电流:≤0.02uA ? 发射频率:315MHz

? 发射电流:5～50mA                            ? 发射距离:50～800m ? 调制方式:ASK

在通常使用中，一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码芯片PT2262和解码芯片PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，一般生产厂家都把地址编码端悬空，用户可以自己设置编码。设置地址码的原则是：同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。

2.3.3液晶显示模块

图2-10 1602实物图

2.3.4声音报警模块

该设计有声音报警，当有病人呼叫时，蜂鸣器就会大声提示，直到护士应答回复，才会停止鸣叫，控制引脚接在P3.4引脚上，利用三极管当做开关电路可以保护单片机，还可以起到放大电流的作用，当三极管基极为高电平时，发射极截止，为低电平时，发射极导通。报警模块如图2-13所示。

图2-13声音报警模块

2.3.5应答电路

本设计中四个床位使用一个应答按钮，接在P3.3引脚上，当有病人按下按钮，报警开始时，按下应答按钮，即可停止报警，应答模块图如图2-14所示

图2-14应答电路

第三章  系统软件设计

2.3.2无线接收模块

解码接收模块包括接收头和解码芯片PT2272两部分。接收头将接收的信号输入PT2272的14引脚（DIN），PT2272对接收到的信号解码。无线接收模块如图2-7所示。

图2-7 无线接收模块图

编码芯片PT2262 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262 不接通电源，其17 脚为低电平，所以315MHz 的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262 得电工作，其第17 脚输出经调制的串行数据信号，当17 脚为高电平期间315MHz 的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17 脚为低平期间315MHz 的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262 的17 脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK 调制）相当于调制度为100％的调幅。

PT2272管脚说明如表2-9

PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，一般要求译码器振荡频率要高于编码器振荡频率的2.5～8倍，否则接收距离会变近甚至无法接收，随着技术的发展市场上出现一批兼容芯片，在实际使用中只要对振荡电阻稍做改动就能配套使用。在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。市场上大部分产品都是用2262/1.2M＝2272/200K组合的，少量产品用2262/4.7M＝2272/820K。

解码接收模块包括接收头和解码芯片PT2272两部分组成。接收头将收到的信号输入PT2272的14脚（DIN），PT2272再将收到的信号解码。           

接收板工作电压为DC 5V，接收灵敏度： -103dBm ,尺寸(mm)： 49*20*7 ,工作频率：315MHz,工作电流：5mA ,编码类型：固定码(板上焊盘跳接设置)  应用说明：与各类型遥控器配合使用，解码输出后进行相应控制，在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码芯片PT2262和解码芯片PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，地址编码不重复度为38=6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第2脚接地，第3脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第2脚接地，第3脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。

3.1设计的软件环境简介

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。   Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51开发系统各部分功能和使用。Keil_c软件界面如图3-1-1：

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件。Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

Protel99SE软件的特点：

• 可生成30多种格式的电气连接网络表；
• 强大的全局编辑功能；
• 在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；
• 同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络
• 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；
• 满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；
• 支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；
• 强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；
• 智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；
•          提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；
•          放置汉字功能；
•          可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；
•          智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；
•          方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；
•          独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；
•          强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；
•          经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；
•          反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；
  

Protel99SE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。Protel99SE软件界面如图3-1-2。

3.2 主函数程序设计

一个完整的程序中只有一个main函数，首先调用初始化函数进行初始化，然后判断并调用显示子程序使液晶1602显示、蜂鸣器鸣响报警。程序流程如图3-2所示。

图3-2 主程序流程图

3.3 初始化程序设计

初始化程序包括液晶初始化显示、定时器中断系统初始化。

（一）、液晶初始化

根据液晶使用手册，在液晶使用之前，要对其设置显示模式，光标设置，然后进行清屏操作。方便之后使用。

（二）、定时器中断系统初始化

STC89C51有两个定时/计数器，都有定时和计数两种工作模式，四种工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3），属于增一计数器。特殊功能寄存器TMOD用于选择定时器/计数器T0、T1的工作模式和工作方式。但无论是工作在定时器模式还是计数器模式，实质都是对脉冲信号进行计数，只是计数的来源不同，计数器模式是对加在T0(P3.4)和T1(P3.5)两个引脚的外部脉冲进行计数，而定时器模式是对单片机的时钟振荡器信号经片内12分频后的内部脉冲信号计数。

•          工作方式控制寄存器TMOD，不能位寻址，其格式如图3-3所示。
  

                        图3-3 寄存器TMOD的格式

• GATE ：门控位。
• M0、M1:工作方式选择位。
• C/T：计数器和定时器模式选择位。C/T=0，为定时器模式；C/T=1为计数器模式。
  

M0、M1共有4种编码，对应于4种工作方式的选择，见表3-4。

表3-4 M1、M0工作方式选择

定时器的工作方式设置好以后就要给定时器装入初值，工作方式不同初值也不同。

1、下面介绍一下单片机的时钟周期、机器周期和指令周期。

• 时钟周期是单片机时钟控制信号的基本时间单位。若时钟晶体的震荡频率为f0sc ,则时钟周期Tosc=1/fosc 。
• 机器周期是CPU完成一个基本操作所需要的时间。AT89C51单片机的每12个时钟周期为一个机器周期，即TCY=12/fOSC 。
• 指令周期是执行一条指令所需的时间。AT89C51单片机中指令按字节来分，可分为单字节、双字节和三字节指令，单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期，三字节指令都是双机器周期，只有乘、除指令占4个机器周期。
  

本设计中，时钟晶体的频率为11.0592MHZ，所以时钟周期为1/12M。T0作为定时器使用，工作方式为方式1，作为16位计数器。设计数个数为N，计数初值为X，那么X=216-N，      定时时间=N×12/晶振频率，所以，定时时间=（216-X）×12/晶振频率。

本设计设置每隔50ms中断一次，那么得出初值X=0x4BFF，定时器T0的高8

位TH0赋值0x4B，低8位TL0赋值0xFF。

2、定时器/计数器控制寄存器TCON，可位寻址，其格式见表3-5。

表3-5 特殊寄存器TCON的格式

① TR0：定时器启动位。TR0=0，关闭定时器0；TR0=1，开启定时器0.

② IT0：选择外部中断0为跳沿触发方式还是电平触发方式。IT0=0，为电平触发方式；IT0=1，为跳沿触发方式。

              4、单片机对各中断源的开放或屏蔽是由片内的中断允许寄存器IE控制的，可位寻址，其格式见表3-6。

表3-6 中断允许寄存器IE的格式

• EA：中断允许总开关控制位。EA=0，所有的中断请求被屏蔽；EA=1，所有的中断请求被开放。
• ES：串行口中断允许位。ES=0，禁止串行口中断；ES=1，允许串行口中断。
• ET0：定时器/计数器T0的溢出中断允许位。ETO=0，禁止T0溢出中断；ETO=1，允许T0溢出中断。
• EX0：外部中断0中断允许位。EX=0，禁止外部中断0中断；ES=1，允许外部中断0中断。STC89C51复位后，IE被清零，所有的中断请求被禁止。所以在初始化时，要令EA=1,EX0=1，ET0=1，开放总中断、允许T0中断。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 延时子程序设定

延时子程序作为方便其他程序调用，避免程序繁琐重复。我将延时子程序定为有参函数，延时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 液晶显示子程序

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);

结束语

至此，本设计的主要内容已经完成。本章是在对前面完成的工作进行总结的基础上，提出今后进一步工作的建议和设想。

选择这个课题之后，我明白要解决的难点：病人都按开关时，在数码显示器能循环显示病床，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、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。

在设计的过程中遇到了很多问题，可以说得是困难重重，在遇到各种各样问题的同时，会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Protel软件应用的不够熟练、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，这次设计终于完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于实现了设计的要求。这一次设计给我的总体感觉很好，因为我学到了很多的东西。只要自己能够找好的学习方法，在过程中不断的努力。那么学到的东西肯定会有很多，我相信我是能够做好的。

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2020-5-15 16:18 上传

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