基于單片機(jī)的病房呼叫與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃澤慧，陳勇昌

（廣東第二師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們追求越來越好的生活和服務(wù)。在醫(yī)院里，病人需要及時(shí)呼叫護(hù)士或醫(yī)生來處理突發(fā)情況，因此醫(yī)院呼叫管理系統(tǒng)的重要性也隨之提高。利用病房呼叫系統(tǒng)可以非常方便和高效地尋求醫(yī)生或護(hù)理人員的幫助，這有助于促進(jìn)醫(yī)院管理服務(wù)質(zhì)量的提高。目前，病房呼叫系統(tǒng)主要分為有線和無線兩種形式［1］。其中有線式病房呼叫系統(tǒng)存在呼叫不及時(shí)、布線復(fù)雜和抗干擾能力差的現(xiàn)象；相比之下，無線呼叫系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗恍枰罅夸佋O(shè)線路，從而使得系統(tǒng)的安裝更簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)［2］。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1.1 整體系統(tǒng)概述

為了讓患者處于舒適的環(huán)境，在呼叫系統(tǒng)上增加對(duì)病房環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便環(huán)境溫度不適宜時(shí)醫(yī)護(hù)人員可采取相應(yīng)措施。本系統(tǒng)即基于單片機(jī)的病房呼叫與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可分為從機(jī)和主機(jī)兩部分。數(shù)據(jù)傳輸主要借助NRF24L01無線收發(fā)模塊完成。

從機(jī)即病房部分主要是實(shí)現(xiàn)呼叫的病床號(hào)按鍵檢測(cè)和病房溫度的實(shí)時(shí)采集，最終實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送數(shù)據(jù)，比如環(huán)境的溫度、患者是否按下呼叫鍵。

主機(jī)即醫(yī)護(hù)人員部分負(fù)責(zé)接收從機(jī)的呼叫信息和溫度信息以及顯示和報(bào)警等功能。主機(jī)部分在收到來自從機(jī)發(fā)送過來的信號(hào)之后，顯示屏實(shí)時(shí)顯示病房溫度信息。當(dāng)從機(jī)病床按下呼叫鍵顯示屏?xí)霈F(xiàn)患者床號(hào)信息，同時(shí)指示燈亮起，發(fā)出提示音，當(dāng)醫(yī)護(hù)人員按下響應(yīng)鍵，表明已知悉，此時(shí)報(bào)警聲取消，指示燈熄滅，顯示屏清空患者床號(hào)信息。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

基于單片機(jī)的病房呼叫與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)首先需要將系統(tǒng)功能考慮齊全，從而根據(jù)功能去設(shè)計(jì)原理圖，確認(rèn)原理圖無誤后便是繪制PCB 圖，然后檢查PCB 布線，無誤后便可打板，最后進(jìn)行元器件的焊接。軟件端需要在Keil uVision5完成源程序的設(shè)計(jì)并生成可執(zhí)行的目標(biāo)代碼，再通過燒錄軟件STC-ISP 把代碼燒錄進(jìn)單片機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)功能測(cè)試是否實(shí)現(xiàn)，如果未實(shí)現(xiàn)則需要分析是軟件問題還是硬件問題。整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求，設(shè)計(jì)從機(jī)和主機(jī)的硬件系統(tǒng)。主要的硬件系統(tǒng)包括主從機(jī)MCU主控、信號(hào)發(fā)射電路、信號(hào)接收電路、按鍵掃描處理電路、溫度采集處理電路、液晶顯示處理電路、聲光報(bào)警處理及電源轉(zhuǎn)化處理等八個(gè)模塊，總體硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

一個(gè)處理器即單片機(jī)，可以使得單片機(jī)恢復(fù)到一個(gè)確定狀態(tài)的復(fù)位電路和提供時(shí)序信號(hào)的時(shí)鐘電路，這三部分是構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)的最低要求，下面將分別介紹這些模塊。

2.2.1 單片機(jī)

基于本系統(tǒng)的特點(diǎn)，從機(jī)部分主要處理病床按鍵掃描、溫度采集和無線通信等任務(wù)，而主機(jī)部分最重要的是接收、處理從機(jī)的數(shù)據(jù)，其中處理來自從機(jī)即病床的呼叫信息和顯示處理結(jié)果也是其中重要的任務(wù)。這些任務(wù)都可以通過此主控芯片來實(shí)現(xiàn)，從而減少了外接太多元器件的需求，因此很有成本優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，此主控芯片具備豐富的輸入輸出接口，適合于連接無線模塊和各種處理模塊。它內(nèi)部帶有8 KB的Flash 存儲(chǔ)器可供編程使用，因此在程序編程的時(shí)候可以更加靈活地應(yīng)用修改，故采用的主控芯片為STC89C52型號(hào)。

STC89C52 單片機(jī)采用DIP40 封裝，總的來說它的引腳功能有四類，分別為電源、時(shí)鐘、控制和并行I/O口引腳。

2.2.2 時(shí)鐘電路

STC89C52 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高增益反相放大器是可以用來構(gòu)成振蕩器的。時(shí)鐘可以通過內(nèi)部機(jī)制或外部機(jī)制來生成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的時(shí)鐘電路是一種內(nèi)部方式，只需要將晶體振蕩器和微調(diào)電容跨接在單片機(jī)的第18 個(gè)引腳XTAL1 和第19 個(gè)引腳XTAL2 引腳之間，即可組成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。

系統(tǒng)中使用了單片機(jī)的串行通信，比如單總線和SPI 通信，因此時(shí)鐘電路是必不可少的，通常采用12 MHz 振蕩頻率的晶振，電容采用30 pF左右，主要起到穩(wěn)定頻率和快速起振的作用，時(shí)鐘電路圖如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘電路原理圖

2.2.3 復(fù)位電路

單片機(jī)上電時(shí)，利用電解電容C5 的充電過程來觸發(fā)復(fù)位功能。接通電源一瞬間，RST 端的電位會(huì)與VCC相同，然后隨著電容充電電流逐漸下降。只要保證RST端為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)正常復(fù)位。此外，按下RESET1按鍵也可以在信號(hào)端即RST產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位高電平。復(fù)位電路原理圖如圖4所示。

圖4 復(fù)位電路原理圖

2.3 溫度檢測(cè)模塊

DS18B20 是一種單總線數(shù)字溫度傳感器，測(cè)試范圍為-55℃～125℃。其工作電壓范圍為3.0～5.5 V，而本系統(tǒng)采用的單片機(jī)供電電壓為5 V，因此選用5 V 電源供應(yīng)給DS18B20［3］。該器件通過簡(jiǎn)單的單總線接口就可以實(shí)現(xiàn)信息的傳送，因此在單片機(jī)和DS18B20 之間僅需要一根通信線DQ，通信方式是異步、半雙工的，通信接口是1-Wire（單總線）。在利用溫度傳感器采集溫度時(shí)，需要注意單總線的時(shí)序結(jié)構(gòu)，主要涉及單總線的初始化、發(fā)送一位、接收一位；根據(jù)調(diào)用發(fā)送和接收一位完成發(fā)送一個(gè)字節(jié)和接收一個(gè)字節(jié)的操作，最終得到一個(gè)低位在前的字節(jié)。DS18B20的原理圖設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 DS18B20原理圖

2.4 液晶顯示模塊

LCD1602 液晶屏為字符型液晶顯示模塊，能夠展示標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼字符以及內(nèi)置的其他特殊字符，呈現(xiàn)內(nèi)容十分豐富［4］。

該模塊顯示容量為16×2 個(gè)5×7 點(diǎn)陣字符。它的工作電壓范圍為4.5～5.5 V，而該模塊的最佳工作電壓為5.0 V。在5.0 V的電壓下，模塊的工作電流為2.0 m?。

LCD1602 具有兩行顯示，每行能夠顯示16個(gè)字符，因此整個(gè)LCD1602 最多可顯示32 個(gè)字符。其D0-D7八個(gè)引腳作為通信腳，用于傳輸8位數(shù)據(jù)。每個(gè)顯示位置對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，如圖6所示。比如想要顯示第一行的第四個(gè)位置，可以用圖中的“03”表示。將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制即0000 0011。但是LCD1602 為了顯示地址，需要使最高位D7 保持高電位。因此，顯示真實(shí)地址時(shí)，應(yīng)為1000 0011。

圖6 LCD1602內(nèi)部顯示地址

LCD1602 的原理圖如圖7 所示，背光源正、負(fù)極分別接電源和地；V0通過2 kΩ 電阻接到地端，調(diào)節(jié)LCD顯示對(duì)比度。

圖7 LCD1602原理圖

2.5 無線傳輸模塊

NRF24L01 包含多個(gè)內(nèi)部寄存器，并提供SPI接口與外部單片機(jī)交互，使外部單片機(jī)可以通過SPI接口配置芯片內(nèi)部的寄存器。這些內(nèi)部寄存器分別為控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。NRF24L01 工作電壓為1.9～3.6 V，在電源模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓電源，提供穩(wěn)定的3.3 V 工作電壓給無線通信模塊供電。通過單片機(jī)，可以將NRF24L01 配置為發(fā)送或接收模式，并對(duì)其進(jìn)行一系列配置，如頻道、地址、每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)、是否啟用CRC校驗(yàn)以及設(shè)定功率等［5］。當(dāng)將其配置為發(fā)送模式后，單片機(jī)可通過寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)至NRF24L01 中，讓NRF24L01 自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)出；而在將其設(shè)置為接收模式后，單片機(jī)則可通過觀察IRQ 引腳，了解是否已經(jīng)接收到了數(shù)據(jù)，并通過SPI口將數(shù)據(jù)取出，原理圖如圖8所示。

圖8 NRF24L01電路圖

2.6 聲光報(bào)警模塊

當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到從機(jī)的呼叫信息，蜂鳴器會(huì)發(fā)出提示音以及紅色LED 指示燈亮起。硬件上通過三極管PNP作為開關(guān)，當(dāng)BEEP 輸入低電平時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器會(huì)發(fā)聲、紅色LED 指示燈點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)聲光電報(bào)警提示，原理如圖9所示。

圖9 聲光報(bào)警電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 從機(jī)主函數(shù)部分

從機(jī)發(fā)送部分總體實(shí)現(xiàn)過程為，先定義變量、初始化無線模塊，接著檢測(cè)無線模塊是否存在，如果不存在，LED 指示燈閃爍；如果無線模塊存在，則進(jìn)入按鍵檢測(cè)和溫度處理，將采集到的病床號(hào)數(shù)據(jù)以及環(huán)境溫度寫入發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)組，最后通過無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，整體流程如圖10所示。

圖10 從機(jī)流程圖

3.2 主機(jī)主函數(shù)部分

主機(jī)接收部分的總體實(shí)現(xiàn)過程為，首先是初始化無線模塊、LCD 顯示屏，接著檢測(cè)無線模塊是否存在，如果不存在，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲；如果無線模塊存在，則進(jìn)入大循環(huán)讀取狀態(tài)寄存器來判斷數(shù)據(jù)接收狀況，如果有數(shù)據(jù)，將讀取放在接收緩沖區(qū)中，接著將主機(jī)配置為接收模塊再進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后將數(shù)據(jù)存放在LCD 顯示數(shù)組里，再調(diào)用LCD 顯示函數(shù)以及按鍵處理，最終顯示呼叫信息和溫度信息，如圖11所示。

圖11 主機(jī)流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

在焊接好設(shè)計(jì)的PCB 板之后，首先需要對(duì)電源信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，使用萬用表的蜂鳴檔測(cè)量各個(gè)電源信號(hào)與地是否存在短路，若不存在短路給設(shè)備上電，使用電壓檔測(cè)量各個(gè)電源電壓是否正確，以上過程無誤就進(jìn)入源程序生成可執(zhí)行的目標(biāo)文件燒錄測(cè)試。整體的調(diào)試流程如圖12所示。

圖12 調(diào)試流程圖

4.2 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)的預(yù)期使用是實(shí)現(xiàn)病房呼叫及病房溫度顯示，因此需要對(duì)每個(gè)病房能否呼叫、主機(jī)能否呼應(yīng)、溫度能否顯示進(jìn)行測(cè)試。為了確保測(cè)試的正確性，也需要對(duì)主要模塊進(jìn)行單獨(dú)的測(cè)試，比如無線模塊損壞測(cè)試。最終本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從機(jī)病床1、2、3、4 號(hào)按下呼叫鍵，按下瞬間指示燈閃爍，主機(jī)顯示屏第一行顯示溫度以及第二行顯示呼叫的病床號(hào)1、2、3、4，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲以及紅色指示燈常亮。

以下是主從機(jī)的整體外觀及實(shí)現(xiàn)過程中的部分效果圖，當(dāng)圖13（a）所示的從機(jī)所處的病床1、2、3、4 號(hào)同時(shí)按下呼叫鍵，主機(jī)的顯示屏顯示病床號(hào)信息和病房溫度信息，同時(shí)LED 燈亮起、蜂鳴器響，如圖13（b）所示；最終主機(jī)按下呼叫鍵顯示屏清空病床號(hào)信息，溫度仍顯示，如圖13（c）所示。

圖13 主從機(jī)整體外觀及部分效果

5 結(jié)語

本系統(tǒng)經(jīng)過硬件的搭建、軟件的編寫、軟硬件調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)護(hù)理站即主機(jī)可以通過無線模塊接收病房從機(jī)的呼叫信息和溫度信息。通過無線傳輸模塊NRF24L01使從機(jī)采集病床是否按下呼叫鍵以及環(huán)境溫度信息，而環(huán)境的溫度利用DS18B20 來采集。主機(jī)接收從機(jī)發(fā)過來的信號(hào)，當(dāng)病床有呼叫信號(hào)時(shí)，主機(jī)會(huì)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管，發(fā)出聲光報(bào)警，以提醒監(jiān)護(hù)人員有病人呼叫，此時(shí)LCD 顯示屏?xí)@示呼叫的病房號(hào)和病房溫度，若此時(shí)護(hù)理人員按下主機(jī)的呼應(yīng)鍵，則會(huì)取消對(duì)應(yīng)的呼叫，表示已知曉病人的呼叫，同時(shí)顯示屏清空病房號(hào)信息。本系統(tǒng)具有易操作、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

隨著醫(yī)療技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療管理的不斷進(jìn)步，病房呼叫和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將不斷改善和更新，更加趨于智能化和無線化。在未來可對(duì)本系統(tǒng)逐步增強(qiáng)無線信號(hào)覆蓋率和使用抗干擾性能更強(qiáng)的無線協(xié)議，以此提高醫(yī)療服務(wù)的效率和質(zhì)量。