基于单片机的病房呼叫与监测系统设计与实现

黄泽慧，陈勇昌

（广东第二师范学院计算机学院，广州 510800）

0 引言

随着科技的不断发展，人们追求越来越好的生活和服务。在医院里，病人需要及时呼叫护士或医生来处理突发情况，因此医院呼叫管理系统的重要性也随之提高。利用病房呼叫系统可以非常方便和高效地寻求医生或护理人员的帮助，这有助于促进医院管理服务质量的提高。目前，病房呼叫系统主要分为有线和无线两种形式［1］。其中有线式病房呼叫系统存在呼叫不及时、布线复杂和抗干扰能力差的现象；相比之下，无线呼叫系统具有显著优势，因为它不需要大量铺设线路，从而使得系统的安装更简捷、经济［2］。

1 系统的整体设计

1.1 整体系统概述

为了让患者处于舒适的环境，在呼叫系统上增加对病房环境温度的实时监测，以便环境温度不适宜时医护人员可采取相应措施。本系统即基于单片机的病房呼叫与监测系统，可分为从机和主机两部分。数据传输主要借助NRF24L01无线收发模块完成。

从机即病房部分主要是实现呼叫的病床号按键检测和病房温度的实时采集，最终实现无线发送数据，比如环境的温度、患者是否按下呼叫键。

主机即医护人员部分负责接收从机的呼叫信息和温度信息以及显示和报警等功能。主机部分在收到来自从机发送过来的信号之后，显示屏实时显示病房温度信息。当从机病床按下呼叫键显示屏会出现患者床号信息，同时指示灯亮起，发出提示音，当医护人员按下响应键，表明已知悉，此时报警声取消，指示灯熄灭，显示屏清空患者床号信息。

1.2 系统设计流程

基于单片机的病房呼叫与监测系统的实现首先需要将系统功能考虑齐全，从而根据功能去设计原理图，确认原理图无误后便是绘制PCB 图，然后检查PCB 布线，无误后便可打板，最后进行元器件的焊接。软件端需要在Keil uVision5完成源程序的设计并生成可执行的目标代码，再通过烧录软件STC-ISP 把代码烧录进单片机，根据系统功能测试是否实现，如果未实现则需要分析是软件问题还是硬件问题。整体的系统设计流程如图1所示。

图1 系统设计流程

2 硬件系统设计

2.1 硬件系统设计概述

根据系统设计功能需求，设计从机和主机的硬件系统。主要的硬件系统包括主从机MCU主控、信号发射电路、信号接收电路、按键扫描处理电路、温度采集处理电路、液晶显示处理电路、声光报警处理及电源转化处理等八个模块，总体硬件系统框图如图2所示。

图2 硬件系统框图

2.2 单片机最小系统

一个处理器即单片机，可以使得单片机恢复到一个确定状态的复位电路和提供时序信号的时钟电路，这三部分是构成单片机最小系统的最低要求，下面将分别介绍这些模块。

2.2.1 单片机

基于本系统的特点，从机部分主要处理病床按键扫描、温度采集和无线通信等任务，而主机部分最重要的是接收、处理从机的数据，其中处理来自从机即病床的呼叫信息和显示处理结果也是其中重要的任务。这些任务都可以通过此主控芯片来实现，从而减少了外接太多元器件的需求，因此很有成本优势。同时，此主控芯片具备丰富的输入输出接口，适合于连接无线模块和各种处理模块。它内部带有8 KB的Flash 存储器可供编程使用，因此在程序编程的时候可以更加灵活地应用修改，故采用的主控芯片为STC89C52型号。

STC89C52 单片机采用DIP40 封装，总的来说它的引脚功能有四类，分别为电源、时钟、控制和并行I/O口引脚。

2.2.2 时钟电路

STC89C52 芯片内部结构的高增益反相放大器是可以用来构成振荡器的。时钟可以通过内部机制或外部机制来生成。本系统设计所采用的时钟电路是一种内部方式，只需要将晶体振荡器和微调电容跨接在单片机的第18 个引脚XTAL1 和第19 个引脚XTAL2 引脚之间，即可组成一个稳定的自激振荡器。

系统中使用了单片机的串行通信，比如单总线和SPI 通信，因此时钟电路是必不可少的，通常采用12 MHz 振荡频率的晶振，电容采用30 pF左右，主要起到稳定频率和快速起振的作用，时钟电路图如图3所示。

图3 时钟电路原理图

2.2.3 复位电路

单片机上电时，利用电解电容C5 的充电过程来触发复位功能。接通电源一瞬间，RST 端的电位会与VCC相同，然后随着电容充电电流逐渐下降。只要保证RST端为高电平的时间大于两个机器周期，系统即可实现正常复位。此外，按下RESET1按键也可以在信号端即RST产生一个复位高电平。复位电路原理图如图4所示。

图4 复位电路原理图

2.3 温度检测模块

DS18B20 是一种单总线数字温度传感器，测试范围为-55℃～125℃。其工作电压范围为3.0～5.5 V，而本系统采用的单片机供电电压为5 V，因此选用5 V 电源供应给DS18B20［3］。该器件通过简单的单总线接口就可以实现信息的传送，因此在单片机和DS18B20 之间仅需要一根通信线DQ，通信方式是异步、半双工的，通信接口是1-Wire（单总线）。在利用温度传感器采集温度时，需要注意单总线的时序结构，主要涉及单总线的初始化、发送一位、接收一位；根据调用发送和接收一位完成发送一个字节和接收一个字节的操作，最终得到一个低位在前的字节。DS18B20的原理图设计如图5所示。

图5 DS18B20原理图

2.4 液晶显示模块

LCD1602 液晶屏为字符型液晶显示模块，能够展示标准ASCII码字符以及内置的其他特殊字符，呈现内容十分丰富［4］。

该模块显示容量为16×2 个5×7 点阵字符。它的工作电压范围为4.5～5.5 V，而该模块的最佳工作电压为5.0 V。在5.0 V的电压下，模块的工作电流为2.0 mÅ。

LCD1602 具有两行显示，每行能够显示16个字符，因此整个LCD1602 最多可显示32 个字符。其D0-D7八个引脚作为通信脚，用于传输8位数据。每个显示位置对应一个地址，如图6所示。比如想要显示第一行的第四个位置，可以用图中的“03”表示。将其转换为二进制即0000 0011。但是LCD1602 为了显示地址，需要使最高位D7 保持高电位。因此，显示真实地址时，应为1000 0011。

图6 LCD1602内部显示地址

LCD1602 的原理图如图7 所示，背光源正、负极分别接电源和地；V0通过2 kΩ 电阻接到地端，调节LCD显示对比度。

图7 LCD1602原理图

2.5 无线传输模块

NRF24L01 包含多个内部寄存器，并提供SPI接口与外部单片机交互，使外部单片机可以通过SPI接口配置芯片内部的寄存器。这些内部寄存器分别为控制寄存器和数据寄存器。NRF24L01 工作电压为1.9～3.6 V，在电源模块设计了一个稳压电源，提供稳定的3.3 V 工作电压给无线通信模块供电。通过单片机，可以将NRF24L01 配置为发送或接收模式，并对其进行一系列配置，如频道、地址、每次发送的字节数、是否启用CRC校验以及设定功率等［5］。当将其配置为发送模式后，单片机可通过写入要发送的数据至NRF24L01 中，让NRF24L01 自动将数据发出；而在将其设置为接收模式后，单片机则可通过观察IRQ 引脚，了解是否已经接收到了数据，并通过SPI口将数据取出，原理图如图8所示。

图8 NRF24L01电路图

2.6 声光报警模块

当主机检测到从机的呼叫信息，蜂鸣器会发出提示音以及红色LED 指示灯亮起。硬件上通过三极管PNP作为开关，当BEEP 输入低电平时，三极管的发射结正偏，集电结反偏，三极管导通，蜂鸣器会发声、红色LED 指示灯点亮，实现声光电报警提示，原理如图9所示。

图9 声光报警电路

3 软件系统设计及功能实现

3.1 从机主函数部分

从机发送部分总体实现过程为，先定义变量、初始化无线模块，接着检测无线模块是否存在，如果不存在，LED 指示灯闪烁；如果无线模块存在，则进入按键检测和温度处理，将采集到的病床号数据以及环境温度写入发送数据数组，最后通过无线模块发送数据，整体流程如图10所示。

图10 从机流程图

3.2 主机主函数部分

主机接收部分的总体实现过程为，首先是初始化无线模块、LCD 显示屏，接着检测无线模块是否存在，如果不存在，蜂鸣器发出报警声；如果无线模块存在，则进入大循环读取状态寄存器来判断数据接收状况，如果有数据，将读取放在接收缓冲区中，接着将主机配置为接收模块再进行简单的数据验证，验证成功后将数据存放在LCD 显示数组里，再调用LCD 显示函数以及按键处理，最终显示呼叫信息和温度信息，如图11所示。

图11 主机流程图

4 系统调试及结果

4.1 系统调试

在焊接好设计的PCB 板之后，首先需要对电源信号进行检测，使用万用表的蜂鸣档测量各个电源信号与地是否存在短路，若不存在短路给设备上电，使用电压档测量各个电源电压是否正确，以上过程无误就进入源程序生成可执行的目标文件烧录测试。整体的调试流程如图12所示。

图12 调试流程图

4.2 测试结果

本系统的预期使用是实现病房呼叫及病房温度显示，因此需要对每个病房能否呼叫、主机能否呼应、温度能否显示进行测试。为了确保测试的正确性，也需要对主要模块进行单独的测试，比如无线模块损坏测试。最终本系统可以实现从机病床1、2、3、4 号按下呼叫键，按下瞬间指示灯闪烁，主机显示屏第一行显示温度以及第二行显示呼叫的病床号1、2、3、4，同时蜂鸣器发出报警声以及红色指示灯常亮。

以下是主从机的整体外观及实现过程中的部分效果图，当图13（a）所示的从机所处的病床1、2、3、4 号同时按下呼叫键，主机的显示屏显示病床号信息和病房温度信息，同时LED 灯亮起、蜂鸣器响，如图13（b）所示；最终主机按下呼叫键显示屏清空病床号信息，温度仍显示，如图13（c）所示。

图13 主从机整体外观及部分效果

5 结语

本系统经过硬件的搭建、软件的编写、软硬件调试，最终实现护理站即主机可以通过无线模块接收病房从机的呼叫信息和温度信息。通过无线传输模块NRF24L01使从机采集病床是否按下呼叫键以及环境温度信息，而环境的温度利用DS18B20 来采集。主机接收从机发过来的信号，当病床有呼叫信号时，主机会控制蜂鸣器和发光二极管，发出声光报警，以提醒监护人员有病人呼叫，此时LCD 显示屏会显示呼叫的病房号和病房温度，若此时护理人员按下主机的呼应键，则会取消对应的呼叫，表示已知晓病人的呼叫，同时显示屏清空病房号信息。本系统具有易操作、性能可靠等优点。

随着医疗技术、医疗设备和医疗管理的不断进步，病房呼叫和监测系统必将不断改善和更新，更加趋于智能化和无线化。在未来可对本系统逐步增强无线信号覆盖率和使用抗干扰性能更强的无线协议，以此提高医疗服务的效率和质量。