基于單片機(jī)的無線病房呼叫器設(shè)計(jì)

臨床求助呼叫是傳送臨床信息的重要手段，病房呼叫器是病人請(qǐng)求值班醫(yī)生或護(hù)士進(jìn)行診斷或護(hù)理的緊急呼叫工具，可將病人的請(qǐng)求快速傳送給值班醫(yī)生或護(hù)士，并在值班室的監(jiān)控中心電腦上留下準(zhǔn)確完整的記錄，是提高醫(yī)院和病室護(hù)理水平的必備設(shè)備之一。呼叫系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到病員的安危，歷來受到各大醫(yī)院的普遍重視。

它要求及時(shí)、準(zhǔn)確可靠、簡(jiǎn)便可行、利于推廣。我國傳統(tǒng)的病房呼叫系統(tǒng)采用的多是有線傳輸，存在著安裝布線復(fù)雜，檢查維修困難，抗干擾能力差，病房擴(kuò)建不易及費(fèi)用高，不雅觀的缺陷。為克服以上的不足，本研究介紹一種無線的病房呼叫器，其使用專用的射頻模塊，并使用單片機(jī)控制。

這樣不但解決了復(fù)雜布線等問題，更能提高醫(yī)療服務(wù)水平，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)需求。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案由呼叫器和主機(jī)構(gòu)成，使用射頻收發(fā)芯片，使系統(tǒng)工作在頻段433 MHz附近。系統(tǒng)使用單片機(jī)編碼/解碼，每個(gè)呼叫器有一個(gè)唯一的識(shí)別碼，并且識(shí)別碼可以隨時(shí)修改。當(dāng)用戶按發(fā)射鍵后，識(shí)別碼被發(fā)射出去，等待接收器的響應(yīng)，主機(jī)接收到服務(wù)申請(qǐng)后，根據(jù)識(shí)別碼鑒別出是由哪一臺(tái)呼叫器發(fā)出的申請(qǐng)，并給出聲音提示和顯示呼叫器的識(shí)別號(hào)。如果有幾個(gè)呼叫器在短時(shí)間里同時(shí)呼叫，主機(jī)則按照先后順序存儲(chǔ)起來，再按順序輪換顯示。

呼叫分機(jī)和接收主機(jī)的連接組成框圖如圖1和圖2所示。分機(jī)由撥碼開關(guān)來控制地址位的設(shè)置，當(dāng)掃描到呼叫按鈕按下時(shí)，其地址被讀入單片機(jī)，經(jīng)過處理后再送至發(fā)射芯片發(fā)射。分機(jī)用來進(jìn)行呼叫，使用單片機(jī)完成編碼，分機(jī)的核心電路即是單片機(jī)與射頻芯片的連接電路。主機(jī)負(fù)責(zé)接收分機(jī)發(fā)來的信號(hào)，并進(jìn)行解碼、顯示和報(bào)警。

主機(jī)上還設(shè)有鍵盤用于翻查、刪除記錄，所以主機(jī)上應(yīng)接有鍵盤、顯示和報(bào)警電路。

圖1 呼叫分機(jī)原理框圖

圖2 接收主機(jī)原理框圖

1.1 分機(jī)電路設(shè)計(jì)

分機(jī)是由一個(gè)8位的撥碼開關(guān)、單片機(jī)、無線收發(fā)芯片及相應(yīng)外圍電路構(gòu)成。分機(jī)使用便攜式設(shè)計(jì)，采用電池供電，在選用元件時(shí)除需要考慮到功耗和體積外，還需要考慮芯片工作的最低電壓的問題，所以單片機(jī)選用Arr89c2051,它在3V的電壓下就能穩(wěn)定工作，而且其具有AT89C51的內(nèi)核，指令系統(tǒng)也一樣，分機(jī)上所需要的I/O接口也很少，因此使用AT89C2051完全能滿足要求。

1.1.1 分機(jī)號(hào)碼設(shè)定電路的設(shè)計(jì)

分機(jī)采用8位撥碼開關(guān)手動(dòng)定位來確定分機(jī)的地址，如圖3所示。

若需要將分機(jī)移至別的病床，則只需要改變撥盤開關(guān)的狀態(tài)，即可改變分機(jī)的號(hào)碼。

圖3 分機(jī)號(hào)碼設(shè)定電路

1.1.2 分機(jī)nRF401與AT89C2051主連接電路的設(shè)計(jì)

nRF401有休眠（Standby）、接收（RX）和發(fā)射（1x）3種工作狀態(tài)。由nRF401的引腳功能可知，這3種狀態(tài)問的切換由PWR-UP、TXEN的狀態(tài)可以確定。DIN、Dout是串行通信El,分別與單片機(jī)的串行通信口相連。CS腳則選擇工作頻率。nRF401與單片機(jī)的連接電路如圖4所示。在分機(jī)上有1個(gè)信息確認(rèn)燈，在信息發(fā)送成功后確認(rèn)燈閃亮1s,可以由單片機(jī)的I/O口直接點(diǎn)亮。限流電阻選用100Ω,工作電流即可以滿足要求。

圖4收發(fā)模塊與單片機(jī)連接電路

1.2 主機(jī)電路設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的原理框圖可知，主機(jī)硬件電路分為電源電路、顯示電路、報(bào)警電路、鍵盤電路等部分。

1.2.1 nRF401與AT89C2051連接電路的設(shè)計(jì)

主機(jī)工作時(shí)也要進(jìn)行狀態(tài)切換、頻率選擇和串行通信，實(shí)現(xiàn)的方法與分機(jī)的一樣，所以連接電路和分機(jī)的也一樣，這里給出nRF401的連接圖，如圖5所示。

圖5 nRF401的連接

1.2.2 顯示電路的設(shè)計(jì)

P1.5,P1.6和P1.7端口分別控制數(shù)碼管的個(gè)位、十位和百位的供電，當(dāng)相應(yīng)的端口變成低電平時(shí)，相應(yīng)的三極管會(huì)導(dǎo)通，+5V的電源通過驅(qū)動(dòng)三極管給數(shù)碼管相應(yīng)的位供電，這時(shí)只要鎖存器口送出數(shù)字的顯示代碼，數(shù)碼管就能正常顯示數(shù)字。因?yàn)橐@示幾位不同的數(shù)字，所以必須用動(dòng)態(tài)掃描的方法來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的顯示部分采用LED共陽極接法，采用動(dòng)態(tài)顯示。首先將顯示的個(gè)十百位分別存放，然后逐個(gè)取出進(jìn)行顯示。為了防止閃爍，每位LED顯示160 us.為了防止重影，當(dāng)一位顯示完畢后立刻將其關(guān)閉，然后進(jìn)行下一位的顯示。LED顯示電路如圖6所示。

圖6 LED顯示電路

1.2.3 鍵盤電路設(shè)計(jì)

主機(jī)上的鍵盤總共需要2個(gè)，即翻查鍵和刪2軟件設(shè)計(jì)除鍵，連接圖見圖7。

圖7 主機(jī)鍵盤電路

1.2.4 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

主機(jī)在接受到呼叫信號(hào)后，首先進(jìn)行報(bào)警告知值班人員。報(bào)警電路可以用單片機(jī)P2.0輸出1 kHz和500 Hz的音頻信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警發(fā)聲電路見圖8。

圖8 主機(jī)報(bào)警發(fā)聲電路

2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)分為主程序和顯示、報(bào)警與鍵盤操作等子程序設(shè)計(jì)。主程序設(shè)計(jì)中包括通信協(xié)議和收發(fā)程序的設(shè)計(jì)。為獲得主機(jī)和呼叫器之間較大的通信速率，當(dāng)單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12 MHz時(shí)，我們將串口的波特率選定在19.2 kb/s。

2.1 主機(jī)軟件流程

主機(jī)開機(jī)便進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)等待。當(dāng)接收到呼叫信號(hào)后，便進(jìn)行存儲(chǔ)，然后調(diào)用顯示子程序進(jìn)行循環(huán)顯示，給呼叫器發(fā)送出回應(yīng)信號(hào)，發(fā)送完畢后，射頻芯片再次置于接受狀態(tài)等待信息，其總流程如圖9所示。

圖9 主機(jī)流程

2.2 分機(jī)軟件流程

分機(jī)在開機(jī)后首先初始化，然后就進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電能。系統(tǒng)查詢掃描發(fā)射鍵，如果沒有按下則繼續(xù)等待。如果掃描到發(fā)射鍵被按下，系統(tǒng)便掃描撥碼開關(guān)的狀態(tài)以確定地址碼，然后將射頻芯片置于發(fā)射狀態(tài)，并且開始傳送地址碼。地址碼傳送完畢后再將射頻芯片回復(fù)到接收狀態(tài)等待確認(rèn)信息，確認(rèn)信息收到后點(diǎn)亮確認(rèn)燈1 s,然后休眠狀態(tài)等待，如此循環(huán)工作，總流程如圖10所示。

圖10 分機(jī)流程

本文中僅附帶主機(jī)主程序，作為對(duì)主機(jī)軟件設(shè)計(jì)的參考。

主機(jī)主程序：

3 結(jié)束語

本呼叫器的硬件設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔，成本低廉，能實(shí)現(xiàn)醫(yī)院呼叫所需的一般功能，但不能完全排除遇到主機(jī)忙而導(dǎo)致呼叫失敗的情況。一但由于分機(jī)上有一個(gè)確認(rèn)燈，遇到呼叫失敗的情況，呼叫后確認(rèn)燈不會(huì)閃亮，則需要用戶再次呼叫一次。該硬件和軟件設(shè)計(jì)方案已通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，功耗低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信誤碼率低，具有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。