病房无线呼叫系统的设计.docx
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病房无线呼叫系统的设计.docx
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病房无线呼叫系统的设计
病房无线呼叫系统的设计
【摘要】随着人们对医院病房呼叫系统的无线传输距离和稳定性的要求越来越高,因此设计一款稳定度高,并且传输距离远的病房无线呼叫系统就很有必要了。
本设计就是针对这种需要而设计的一个系统,它采用AT89S52单片机作为主控芯片,通过PT2262和PT2272来编码解码,利用MAX公司成产的MAX7044和MAX7033设计无线发射和超外差式接收电路来传递信号,呼叫信息能够通过液晶1602显示出来,并启动音乐报警电路,提醒医护人员处理。
通过测试,稳定性和传输距离都达到了设计要求。
【关键词】无线发射和接收编码解码音乐报警
[Abstract]Asthewirelesstransmissiondistanceandstabilityofhospitalwardcallsystemishigher,itisnecessarytodesignawirelesswardcallsystem.Thisdesignusessingle-chipmicrocomputerAT89S52asthemasterchip,andusesthePT2262andPT2272asthechipofcodinganddecoding,andusesMAX7044andMAX7033designedbytheMAXcompanyasthechipofdeliveringsignalsthroughspecializedwirelesstransmittingandsuperheterodynetypeofreceivingcircuit,usesliquidcrystal1602todisplaycallsignalsandcanstartmusic,whichcanwarmhealthcareprovidertohandle.Thestabilityandthetransmissiondistancemeetthedesignrequirementsthroughthetest.
[Keywords]Wirelesstransmittingandreceiving,Coding,Decoding,Musicalarm
第1章绪论
1.1课题背景与来源
目前,随着人们生活水平的不断提高,国内外很多服务性行业迅速发展,人们对服务性行业的要求也越来越高,行业间的竞争也越来越激烈,而很多服务性企业由于本身的发展跟不上时代而逐渐被无情的淘汰掉了。
当今国内各种大大小小的医院绝大多数还是在使用有线的呼叫系统,有些小医院甚至连有线的都没有,这不仅影响了医院的声誉,也就给病人及家属带来了诸多不变。
有时甚至出现病人遇到突发事情时,如打完点滴了,其家属到处乱跑找医生的情况,有些甚至在医院里大呼小叫的叫唤护士,扰乱了医院安静的环境,破坏了其他病人静养的心情,也吵醒了不少正在休息的病人,给医院制造了很多不必要的噪音,也带来了不少抱怨。
而有线的呼叫系统由于布线复杂,代价昂贵,不可移动,有碍美观,难修复等弊端而逐渐跟不上服务质量,已经落后时代。
医院急需一款便捷,高性能的呼叫系统。
对讲机的出现给人们带来了不少方便,它是一种双向移动通信工具,在不需要任何网络支持的情况下就可以通话,没有话费产生,它呼叫及时方便,在一定区域内也有着广泛的应用。
但是,对讲机本身制造麻烦,代价昂贵,耗电量大,信道少,容易受干扰,不能显示号码,查寻呼叫功能,只能语音通信,务必给周围其他人带来了噪音污染。
由于它本身的局限与不足,注定了对讲机无法适用于服务性的行业中,最终也不是一个让人十分满意的呼叫系统。
如何集有线呼叫系统和对讲机各自的优点于一身,开发一款新的能很好的适用于服务性行业的呼叫系统,经过人们几年的探索与努力,已经初露头角,开始服务于市场,服务于人们。
1.2课题意义
一款新的能满足人们要求,适合服务性行业的无线呼叫系统,对人们生活的改善,对企业形象的提升起着十分重要的作用。
对医院单位而言,在同类行业中,安静清雅的环境更具有竞争优势,快而准的服务极大地提高了工作人员的办事效率,便捷的呼叫系统节约了大量的人力,财力。
对医务人员而言,不需要时刻去查房、巡逻,更不需要高声应答病人或家属,免去了无数次的来回奔波,维护了医院良好的安静环境,及时而准确的给病人带来需要和服务。
语音报警提示更亲切自然,温和的声音让工作人员避免了嘟嘟嘟的噪音骚扰,心情更放松。
对病人及其家属而言,不必在医院大声喧哗地呼叫医务人员,也不用亲自走到护士房告知护士,更不用在各个病房到处寻找护士。
即使病人在没有家属陪伴的情况下,也能及时呼叫得到护理。
只需轻轻一按从机的按钮,无论是在床上还是走廊,还是厕所,都能传达呼叫的信号。
护士只要在总机旁观察就能看到呼叫的房间,呼叫的次数,按键回复便能立刻派护士去查看和护理。
该系统的设计主要分主机和从机两部分,集无线16路数据收发,液晶显示,语音报警于一体,具有施工快捷、简单、故障率低、移动方便,使用无线呼叫器的病人,无需四处张望寻找,也无需高声喊叫,只需轻松地按一下呼叫器的按钮,所需要的服务就会得到及时的解决。
优雅、安静、舒适的环境无不令人向往;低功耗,微型化,环保、美观,高效的无线通信系统在医院等方面的应用将越来越备受人们的关注。
1.3本论文的主要内容
本文设计主要是通过MAX公司生产的MAX7044和MAX7033来实现发射和超外差式接收电路,PT2262对信号进行编码,通过无线传输,再通过PT2272对收到的信号进行解码,单片机对信号进行处理,相应的信息通过液晶显示,并启动音乐报警电路。
本论文的主要内容分为五章。
第一章介绍了课题的背景和来源以及意义,第二章介绍超外差式收发的理论设计方案,第三章介绍了硬件电路的设计过程,包括发射电路,接收电路,单片机最小系统,液晶显示模块,温度采集模块以及音乐报警模块,第四章介绍了软件设计的思路和流程图,第五章介绍作品的实现过程,包括实物图和调试结果图,并对数据进行了分析和总结。
第2章系统概述
本章将介绍系统的工作过程,系统的总体设计方案,以及各个模块的设计原理,包括无线发射和接收模块,编码解码模块,温度采集模块,液晶显示模块和音乐报警模块,并对主控芯片进行了简单的介绍。
2.1系统总体设计方案
本系统由主机和从机两部分组成,从机上有编码模块,发射模块,主机上有接收模块,解码模块,温度采集模块,CPU,液晶显示模块,音乐报警模块,当用户按下从机上的按键后,经过编码后生成脉冲,对高频载波信号进行调制,通过天线发射出去,主机上的接收模块接收到调制信号,进行解调,解调后的信号交给解码模块进行解码,最终的数字信号交给CPU处理,相关呼叫信息能通过液晶显示出来,当有人呼叫时,可以启动音乐报警电路,主板上的温度采集系统还能实时获得当前环境的温度信息,和呼叫信息一起在液晶上显示。
系统的总体框图如图2-1所示
图2-1病房呼叫系统组成框图
2.2发射和接收模块的设计原理
数字信号有两种传输方式,一种是基带传输,因为在某些有线信道中,特别是在传输距离不太远的情况下,数字信号可以直接传输,这种传输方式被称为数字信号的基带传输;另一种是频带传输或称为调制传输。
由于大多数实际信道都是带通型的,因此必须先用数字基带信号对载波进行调制,形成数字调制信号后再进行传输,这种传输方式被称为数字信号的频带传输或调制传输。
由于本设计要求传输的距离尽可能远,又是无线传输,所以只能选择调制传输了。
在通信系统中实际使用的信道多为带通型,而数字基带信号往往具有丰富的低频成分,只适合在低通型信道中传输。
为了使数字信号能在带通信道中传输,必须使用数字调制方式。
数字调制所用的载波一般是连续的正弦型信号,但调制信号为数字信号。
数字调制可分为三种基本方式:
幅移键控(ASK),频移键控(FSK)和相移键控(PSK),本设计采用的是幅移键控的方式来传输数字信号的[1]。
数字调制系统的基本结构如图2-2所示:
图2-2数字调制系统结构
2.2.1发射与接收电路方案选择
发射电路部分由振荡电路、ASK电路、高频功率放大器、天线构成。
振荡电路可以看做将直流电能转变为交流电能的换能器,图中的载波发生器就具备这一功能。
是无线电发送电路的基本单元。
ASK就是将要传送的数字基带信号加在高频电流上,是一种调制过程。
高频功率放大器是为了提高输出功率,达到发射功率要求后,通过天线辐射出去。
信号的发射过程如图2-3所示
图2-3信号发射过程
接收电路里面主要有:
天线、高频小信号放大器、ASK解调电路等几部分组成,如图2-4所示。
在接收处,先用天线将收到的电磁波转变为已调波电流,然后从已调波电流中检出原始的信号。
由于天线接收到的电磁波很微弱,需要在解调之前加一级至几级高频小信号放大器,然后再解调。
经解调后,再经过适当的低频放大就可以得到原始信号了[2]。
图2-4信号接收过程
方案选择
方案一:
独立元件搭建。
如发射电路用电阻,电感,电容,三极管S9018及发射天线等元器件来搭建,接收电路用电阻,电感,电容,二极管IN4148,三极管S9018,LM358及接收天线等元器件来搭建。
方案二:
专用发射和接收芯片。
用于发射电路的MAX7044芯片里集成了高频发射电路必备的振荡器,锁相环,功率放大器等功能部件;用于接收电路的MAX7033芯片里集成了高频接收电路所需的放大器,混频器,锁相环,晶体振荡器,滤波器和自动增益控制等功能部件。
经过比较,方案一设计比较麻烦,电路复杂。
方案二设计简单,易于实现。
所以系统中发射和接收模块选择方案二。
2.2.2MAX7044和MAX7033简介
MAX7044内部包含功率放大器(PA),晶体振荡器,驱动器,数据有效监测电路,锁定监测电路,锁相环,分频器等电路。
(1)晶体振荡器:
通过外接晶振,经过倍频后可以产生高频载波信号。
(2)锁相环(PLL):
除了晶振,PLL不需要其他外部元器件。
基准频率和载波频率的关系为fXTAL=fRF/32。
在PLL锁定前,锁定检测电路防止功率放大器发射。
另外,如果失去载波频率,器件将关闭功率放大器。
(3)功率放大器(PA):
MAX7044的功率放大器是一个高效率的、漏极开路、C类放大器,使用合适的输出匹配网络,功率放大器能够驱动简单的PCB环行天线和各种形式的50Ω天线。
MAX7033内部包含低噪声放大器,差分镜像抑制混频器,PLL,VCO,10.7MHzIF限幅放大器,AGC,RSSI,模拟基带数据信号恢复等电路。
(1)低噪声放大器
低噪声放大器是一个nMOS的共基共射放大器,需要使用片外的电感,具有3.0dB的噪声系数和-12dBm的IIP3。
增益和噪声系数与在天线与LNA输入端之间的匹配网络和在LNA输出与混频器之间的LC谐振网络有关。
需要从LNASRC引脚端连接一个电感到地(AGND)。
这个电感设置在LNAIN引脚端的输入阻抗的实部,可以实现更多灵活的阻抗匹配,如使用PCB导线得到天线形式。
对于50Ω的输入阻抗,这个电感值为15nH。
注意这个电感值会受PCB导线长度的影响。
(2)混频器
MAX7033采用独特的镜像抑制混频器(Mixer)结构,可以不使用价格高的SAW滤波器。
混频器单元是一个双平衡的混频器对,完成射频信号到10.7MHzIF的IQ下变频,本振(LO)频率采用低端注入形式。
电路具有44dB的镜像抑制能力。
IF输出阻抗330Ω,可以采用330Ω的陶瓷滤波器。
IRSEL引脚端是一个逻辑电平输入,可用来选择3个镜像抑制频率中的一个。
当VIRSEL=0V时,镜像抑制频率调谐在315MHz。
VIRSEL=VDD5/2,镜像抑制频率调谐在375MHz;当VIRSEL=VDD5,镜像抑制频率调谐在433MHz;当IRSEL引脚端不连接时,在内部设置到VDD5/2,不需要外部VDD5/2电压。
(3)锁相环
除了晶振,PLL不需要其他外部元器件。
VCO产生低端LO。
基准频率、RF频率和IF频率的关系为:
fREF=(fRF-fIF)/32×M
式中:
M=1(VXTALSEL=VDD5),或者M=2(VXTALSEL=0V)。
(4)中频和RSSI
IF部分提供差分330Ω输出阻抗,可以与片外的陶瓷滤波器匹配。
6个内部AC耦合限幅放大器提供大约65dB增益,IF带通滤波器的中心频率10.7MHz,3dB带宽大约为10MHz。
RSSI电路解调IF信号,产生与IF信号电平成比例的直流电压输出,大约为14.2mV/dB。
(5)晶体振荡器
在MAX7033中的晶体振荡器(crystaloscillator),在XTAL1和XTAL2引脚端之间呈现的电容大约为3pF。
使用不同的负载电容,将改变晶振的标准基准频率,如4.7547MHz的晶振使用10pF的负载电容。
MAX7033的振荡器频率为4.7563MHz,有大约100kHz误差。
也可以使用外部基准振荡器驱动VCO,使用一个1000pF的电容交流耦合连接到XTAL2引脚端。
(6)数据滤波器
数据滤波器(datafilter)是一个二阶低通Sallen2Key滤波器,需要2个片上的电阻和外部电容组合。
调节外部电容的数值,可以改变滤波器的截止频率,以适应不同的数据速率。
(7)自动增益控制
当AC引脚端是低电平时,AGC(AutomaticGainControl)电路监控RSSI输出。
RSSI的输出达到1.98V时,对应的射频输入电平为-62dBm,AGC开关通过减少电阻控制LNA增益;当RSDSI电平下降到低于1.39V时,对应的射频输入电平为-70dBm,LNA恢复高增益模式。
当AC引脚端是高电平时和SHDN转向高电平时,AGC电路不使能,LNA总是在高增益模式;当AC引脚端是低电平时和SHDN是高电平时,AGC功能恢复。
2.3编码和解码模块的设计原理
在通常使用中,我们一般采用8位地址码和4位数据码,这时编码电路PT2262和解码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,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,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,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。
用户可将这些信号加一级放大,便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
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。
至于设置什么样的地址码完全随客户喜欢。
地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示,两个窄脉冲表示“0”;两个宽脉冲表示“1”;一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“f”也就是地址码的“悬空”。
表示方法如图2-5所示:
图2-5PT2262/2272地址码和数据码
这里,a=2*时钟振荡周期,位“f”仅对地址码有效。
同步位的长度是4个AD位的长度,含一个1/8AD位宽度的脉冲。
2262每次发射时至少发射4组字码,2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。
因为无线发射的特点,第一组字码非常容易受零电平干扰,往往会产生误码,所以程序可以丢弃处理。
2.3.1编码模块
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。
接口说明如下表2-1所示
表2-1PT2262管脚功能表
名称
管脚
说明
A0~A11
1~8,10~13
地址管脚,进行地址编码,可置为“0”“1”“f”(悬空)
D0~D5
7~8,10~13
数据输入端
Vcc
18
电源正端(+)
Vss
9
电源负端(-)
TE
14
编码启动端,用于数据的编码发射,低电平有效
OSC1
16
振荡电阻输入端,与OSC2所接电阻决定振荡频率
OSC2
V15
振荡电阻振荡器输出端
Dout
17
编码输出端(正常时为低电平)
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,编码的宽带越大,发码一帧的时间越长。
2.3.2解码模块
解码芯片PT2272有不同的后缀,表示不同的功能,有L4/M4/L6/M6之分,其中L表示锁存输出,数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态,直到下次遥控数据发生变化时改变。
M表示非锁存输出,数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应,可以用于类似点动的控制。
后缀的6和4表示有几路并行的控制通道,当采用4路并行数据时(PT22722M4),对应的地址编码应该是8位,如果采用6路的并行数据时(PT22722M6),对应的地址编码应该是6位。
接口说明如下表2-2所示
表2-2PT2272管脚功能表
名称
管脚
说明
A0~A11
1~8,10~13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”“1”“f”(悬空)
D0~D5
7~8,10~13
地址或者数据管脚
Vcc
18
电源正端(+)
Vss
9
电源负端(-)
DIN
14
数据信号输入端,来自接收电路输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端,与OSC2接收电阻决定振荡频率
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端
VT
17
解码有效确认
2.4CPU方案选择
方案一:
采用普通8位单片机AT89S52。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
方案二:
采用嵌入式ARM的32位单片机LPC2138。
LPC2138功能庞大,不但具有一般单片机的所有功能,还内置了PWM,具有很强的串行通信功能,引脚非常丰富,如GPIO、UART、I2C,可以在系统编程ISP,功耗低、稳定性好、易于功能扩展。
从本系统要求角度来考虑,系统所需资源不多,并不要求控制芯片要有庞大的功能,但从系统的资源利用率来比较,单片机有较高的资源利用率;从造价出发,ARM芯片的价格昂贵,而单片机的价格低,综合以上分析,本系统设计采用方案一的AT89S52为主控芯片。
功能特性:
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,与MCS-51单片机产品兼容,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2.5液晶模块
这个模块采用LCD1602液晶,1602由5V电压驱动,带背光,可以显示两行,每行16个字符,不能显示汉字,内置128个字符的ASCII字符集字库,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
只有并行接口,无串行接口。
1602液晶接口说明如下表2-3所示
表2-31602管脚使用说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端(H/L)
12
D5
DataI/O
5
R/W
读写选择端(H/L)
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
基本操作时序
基本操作时序包括读状态,写指令,读数据,写数据等,实现方法如下表2-4所示
表2-41602的操作时序
读状态
输入:
RS=L,RW=H,E=H
输出:
D0-D7=状态字
写指令
输入:
RS=L,RW=L,D0-D7=指令E=高脉冲
输出:
无
读数据
输入:
RS=H,RW=H,E=H
输出:
D0-D7=数据
写数据
输入:
RS=H,RW=L,D0-D7=数据,E=高脉冲
输出:
无
RAM地址映射图
控制器内部带有80×8位(80字节)的RAM缓冲区,对应关系如下图2-6所示:
图2-6地址映射图
当我们向上图中的00~0F,40~4F地址中的任一处写入显示数据时,液晶都可立即显示出来,当写入到10~27,或50~67地址处时,必须通过移屏指令将它们移入可显示区域,方可正常显示。
2.6温度采集模块
这个模块采用的是DS18B20温度传感器,它是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,而对AT89S
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