基于單片機的無線語音多功能呼叫機的設(shè)計與實現(xiàn).doc

分類號：TP274 U D C：D10621-408-(2014)1307-0密 級：公 開 編 號：2010073073多功能呼叫機設(shè)計與實現(xiàn)論文作者姓名：申請學(xué)位專業(yè)：自動化申請學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師姓名（職稱）：論文提交日期：2014年06月01日分類號：TP274 U D C：D10621-408-(2014)1307-0密 級：公 開 編 號：2010073073成都信息工程學(xué)院學(xué)位論文多功能呼叫機設(shè)計與實現(xiàn)論文作者姓名：申請學(xué)位專業(yè)：自動化申請學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士指導(dǎo)教師姓名（職稱）：論文提交日期：2014年06月01日多功能呼叫機設(shè)計與實現(xiàn)摘 要為使醫(yī)院、茶樓、小區(qū)等公共服務(wù)場所工作效率的提高和資源的合理配置，多功能呼叫機系統(tǒng)漸漸走入很多公共服務(wù)場所。醫(yī)院多功能呼叫機就是一個很好的例子，它改變了傳統(tǒng)高聲急促吶喊式的呼叫，使得呼叫變得簡單、快捷。本設(shè)計以醫(yī)院多功能呼叫機作為設(shè)計藍(lán)本，運用單片機專業(yè)知識，設(shè)計了模擬醫(yī)院呼叫的醫(yī)院多功能呼叫機。該設(shè)計的主分機均以52單片機為核心，采用NRF24L01無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，NS73作為語音發(fā)射核心、RAD5807作為語音接收芯片、DS1302作為時鐘源、AT24C02存儲呼叫記錄、LCD12864顯示呼叫狀態(tài)等信息。軟件部分，使用Keil C51語言編制了相應(yīng)的分析、控制軟件程序。通過電子元件選型、硬件繪制、程序編寫，軟硬件聯(lián)調(diào)，大部分完成了呼叫機系統(tǒng)。系統(tǒng)具有語音和按鍵呼叫、語音和按鍵回復(fù)、顯示呼叫和存儲查詢呼叫歷史等功能，滿足醫(yī)院進(jìn)行病員監(jiān)護(hù)的需要。經(jīng)過測試表明，本系統(tǒng)可靠性教高，功耗低，使用便捷，實用價值極強。關(guān)鍵詞：呼叫機；52單片機；NRF24L01；NS73；雙工通信Design and Implementation of Multi-functional Machine CallAbstractTo enable hospitals, restaurants, residential and other public service establishments rational allocation of work efficiency and resources, multi- call systems gradually into many public service establishments. Call the hospital multifunction machine is a good example, it has changed the traditional style of the call loud cry shortness makes the call becomes simple and fast.The design calls hospital multifunction machine as a design blueprint, the use of single-chip expertise to design analog multifunction call the hospital to call the hospital machine. The designs are the main extension 52 microcontroller core, using NRF24L01 wireless data transceiver module, NS73 as a voice transmitter core, RAD5807 as a voice receiver chip, DS1302 as the clock source, AT24C02 store call records, LCD12864 display call status and other information. Software section, use the Keil C51 language preparation of the corresponding analysis, control software program.Selection, hardware rendering electronic components, programming, hardware and software FBI, most complete local calls. And key system with voice calls, voice and touch response, call display and call history stored queries and other functions to meet the hospital s patient care needs. After tests showed that this system teach high reliability, low power consumption, easy to use, practical value highly.Key words: call machines; 52 microcontroller; NRF24L01; NS73; duplex communication目 錄論文總頁數(shù)： 44頁1 引言11.1 課題的背景與意義11.2 呼叫機的現(xiàn)狀和發(fā)展11.3 課題的研究方法12 方案設(shè)計22.1設(shè)計要求22.1.1主要任務(wù)22.1.2 基本功能22.2 系統(tǒng)總體方案32.2.1 設(shè)計內(nèi)容32.2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案32.3 硬件方案選擇和論證52.3.1 主控芯片模塊52.3.2 無線收發(fā)模塊62.3.3 語音模塊62.3.4 時鐘模塊72.3.5 存儲模塊82.3.6 穩(wěn)壓模塊82.3.7 顯示模塊82.4 軟件方案選擇和論證82.4.1 main.c和test.c函數(shù)設(shè)計92.4.2 NRF24L01.c函數(shù)設(shè)計92.4.3 語音收發(fā)程序設(shè)計92.4.4 按鍵調(diào)整程序設(shè)計92.4.5 DS1302.c函數(shù)設(shè)計92.4.6 12864.c函數(shù)設(shè)計92.4.7 AT24C02.c函數(shù)設(shè)計93 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計93.1 系統(tǒng)硬件概述93.2 主要單元模塊設(shè)計103.2.1 電平轉(zhuǎn)換模塊電路103.2.2 語音發(fā)送模塊電路103.2.3 語音接收模塊電路113.2.4 無線收發(fā)模塊電路113.2.5 LED提示報警模塊電路133.2.6 無線語音主控模塊電路143.2.7 時鐘模塊電路143.2.8 按鍵模塊電路153.2.9 顯示模塊電路153.2.10 存儲模塊電路163.2.11 信息顯示主控模塊電路163.2.12 分機呼叫模塊電路173.2.13 分機主控模塊電路174 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計184.1 編程軟件選擇184.2 系統(tǒng)流程圖184.3 各單元模塊程序214.3.1 NRF24L01無線收發(fā)子程序214.3.2 NRF24L01設(shè)置模式和讀狀態(tài)寄存器子程序224.3.3 呼叫子程序234.3.4 串口通信子程序244.3.5 信息顯示函數(shù)254.3.6 時間調(diào)整子程序274.3.7 歷史記錄顯示子程序284.3.8 語音發(fā)送模塊程序284.3.9 語音接收模塊程序295 調(diào)試運行305.1 參數(shù)測試305.1.1 電壓參數(shù)測試305.1.2 時鐘芯片誤差測試315.1.3 語音采集放大電壓測試315.1.4 通信距離測試315.2 硬件調(diào)試325.2.1 電源調(diào)試325.2.2 復(fù)位電路調(diào)試325.2.3 時鐘電路調(diào)試325.2.4 液晶顯示電路調(diào)試325.2.5 語音采集模塊調(diào)試335.3 軟件調(diào)試335.3.1 實時時間錯誤335.3.2 串口通信異常335.3.3 初始化界面顯示混亂圖345.3.4 軟件整體調(diào)試345.4 軟硬聯(lián)調(diào)34結(jié) 論36參考文獻(xiàn)37致 謝38聲 明39附 錄401 引言1.1 課題的背景與意義伴隨電子半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，給我們的生活帶來了最直觀性的改變，尤其是隨著單片機技術(shù)成熟而應(yīng)運而生的產(chǎn)品已經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶。改革開放以來，我國科技的如雨后春筍蓬勃發(fā)展，電力電子行業(yè)獲得長足穩(wěn)定的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品琳瑯滿目，隨著電子產(chǎn)品的更迭變換風(fēng)馳電掣，功能日漸強大，款式新穎、貼切生活的電子產(chǎn)品不斷問世。醫(yī)院多功能呼叫機則是發(fā)展趨勢中的代表，醫(yī)院多功能呼叫機順應(yīng)了人們對醫(yī)療方面的要求。該系統(tǒng)是一種應(yīng)用于醫(yī)院病房、養(yǎng)老院、KTV等地方，用于醫(yī)護(hù)人員與病員溝通聯(lián)系的專用呼叫系統(tǒng)，是提高醫(yī)院服務(wù)水平的必備設(shè)備之一。多呼叫系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響到病員的安危，歷來受到各大醫(yī)院的普遍重視。它要求及時、準(zhǔn)確可靠、簡便可行、利于推廣。它的出現(xiàn)給醫(yī)護(hù)人員以及病患人員帶來的諸多方便，避免了很多醫(yī)療事故，其作用更是不言而喻。1.2 呼叫機的現(xiàn)狀和發(fā)展目前市場上存在著許多種型號不一功能各異的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)；按呼叫方式來分類，主要分為按鍵呼叫和語音呼叫兩大類。單純的按鍵呼叫系統(tǒng)，功能單一，呼叫原因模糊不清，越來越不能滿足現(xiàn)代醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員與患者的的需求。而按信號傳送途徑來分類，主要分為有線式和無線式。有線式病房呼叫系統(tǒng)存在布線較多、鋪設(shè)線路復(fù)雜、影響美觀、日常維護(hù)困難等問題，故不太適宜大型的醫(yī)院。本文設(shè)計的是無線式兼容按鍵和語音兩種方式的呼叫系統(tǒng)，適合中大型的醫(yī)院病房使用，具有成本低，易于操作、安裝和維護(hù)，而且具有可靠穩(wěn)定，對其他醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生干擾小等特點。病房呼叫系統(tǒng)便于病員快捷的呼叫護(hù)士站值守醫(yī)生和護(hù)士，縮短人工呼叫的時間。當(dāng)今病房呼叫系統(tǒng)正在逐步地向智能化發(fā)展，它可以和對講機、電話乃至攝像頭一起使用，當(dāng)病人按下開關(guān)時，在護(hù)士值班室的大屏幕能夠更直觀地觀察病人的狀態(tài)，了解病人的需要。越來越智能化的病房呼叫系統(tǒng)使病員及時快捷地與醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行溝通，醫(yī)護(hù)人員更及時地了解病人此時的情況以及需求。1.3 課題的研究方法隨著社會的發(fā)展，智能化程度的逐漸提高。也對病房呼叫系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，功能豐富性，維護(hù)便利性有了更高的要求。于是本項目對方案設(shè)計實施者的電子、通信技術(shù)要求也很高，不僅考察了對單片機的掌握能力更加強調(diào)了對單片機擴(kuò)展芯片的應(yīng)用以及C51程序編寫。而且要求設(shè)計的多功能呼叫機在操作上力求簡潔，功能上盡量齊全，顯示界面也要豐富出彩。該多功能呼叫機主機使用兩片STC89C52RC主控芯片搭建控制模塊，命名為MCU1和MCU2；MCU1作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)和語音收發(fā)的控制芯片，MCU2作為呼叫數(shù)據(jù)存儲/讀取、實時時間讀取/寫入，信息顯示的控制芯片，MCU1和MCU2之間進(jìn)行串口通信，傳輸呼叫信息。使用拾音器為主體搭建語音采集電路，日本新瀉精工專業(yè)NS73作為FM發(fā)射芯片搭建語音發(fā)送平臺，RDA5807為主體接收語音信息，通過耳機或音響播放語音。以NRF24L01+為主體搭建無線收發(fā)模塊，AT24C02為主體搭建信息存儲模塊，DS1302為主體搭建實時時間模塊，LCD12864為主體搭建信息顯示模塊，按鍵為主體搭建按鍵呼叫模塊和實時信息調(diào)整模塊，LED為主體搭建信息呼叫提醒模塊，ASM1117-3.3和ASM1117-5.0為主體搭建電平轉(zhuǎn)換模塊。該多功能呼叫機有兩個分機MCU3和MCU4，且設(shè)計電路完全相同，此處以MCU3為例介紹。MCU3同樣以STC89C52RC作為主控芯片搭建控制模塊。以FM電波形式發(fā)送和接收語音，按鍵和LED為主體搭建按鍵呼叫和回復(fù)提示模塊。該多功能呼叫機的設(shè)計既需要較強的硬件電路圖和PCB圖繪制能力、也需要PCB銅板的焊接調(diào)試能力，更需要相當(dāng)能力的keil軟件C51編程能力，設(shè)計的重難點在于NRF24L01、DS1302、AT24C02、LCD12864的程序編寫，核心問題在于FM調(diào)頻收發(fā)和NRF24L01的軟硬件的調(diào)試。2 方案設(shè)計2.1 設(shè)計要求2.1.1 主要任務(wù)1) 可實現(xiàn)基于按鍵的呼叫方式；2) 可進(jìn)行呼叫后LED或蜂鳴器報警提示；3) 可進(jìn)行患者與護(hù)士雙向通話；4) 裝置的電氣原理圖和PCB圖5) 設(shè)計完成各模塊的程序流程圖、源程序；6) 完成裝置的調(diào)試；7) 驗證實現(xiàn)裝置的功能；8) 醫(yī)院住院樓大多一層樓配備一個護(hù)士站。本設(shè)計以1個樓層，1個護(hù)士站主機，2個病房分別1個分機，每病房3個病員來模擬呼叫系統(tǒng)；2.1.2 基本功能設(shè)計一個具有按鍵呼叫方式、使用無線傳輸呼叫方式信息及內(nèi)容信息，使用顯示屏顯示當(dāng)前狀態(tài)的醫(yī)院多功能呼叫機。可液晶顯示呼叫對應(yīng)的房號病床號、呼叫時間；存儲一段時間內(nèi)的呼叫記錄；使用無線傳輸模式方便布線和安裝；2.2 系統(tǒng)總體方案2.2.1 設(shè)計內(nèi)容此設(shè)計方案中分機和主機均已STC89C52RC為控制核心。結(jié)合外圍模塊電路實現(xiàn)對呼叫機的控制，其具體設(shè)計的內(nèi)容含以下幾個方面：硬件內(nèi)容：1）穩(wěn)壓模塊：設(shè)計電源使用9V電池，其中單片機最小系統(tǒng)、時鐘模塊、存儲模塊、顯示模塊使用ASM1117-5.0穩(wěn)壓后的5V電壓供電；無線模塊和語音模塊使用ASM1117-3.3穩(wěn)壓后的3.3V供電。2）無線收發(fā)模塊：設(shè)計使用NRF24L01+模塊，進(jìn)行無線數(shù)據(jù)收發(fā)。3）LED提示模塊：設(shè)計使用8個LED，代表呼叫、回復(fù)狀態(tài)的提醒。4）信息顯示模塊：設(shè)計使用128642液晶顯示屏作為核心構(gòu)成呼叫信息、歷史記錄、時間顯示模塊。5）語音收發(fā)模塊：設(shè)計使用NS73和RDA5807芯片為核心分別構(gòu)成語音發(fā)送和語音接收模塊。6）信息存儲模塊：設(shè)計使用AT24C02芯片為呼叫信息存儲芯片。便于呼叫信息的寫入和讀出顯示7）按鍵調(diào)整模塊：設(shè)計使用4腳按鍵，完成呼叫、調(diào)整、查詢功能。軟件內(nèi)容：1）編寫test.c和main.c程序，作為整個軟件系統(tǒng)的核心。2）編寫NRF24L01.c無線收發(fā)子程序。3）編寫DS1302.c、12864.c、AT24C02子程序。4）編寫按鍵呼叫、調(diào)整、查詢、串口通信子程序。5）編寫語音收發(fā)子程序。2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案本設(shè)計主機硬件系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖2-1 主機硬件系統(tǒng)框圖圖2-2 主機軟件結(jié)構(gòu)圖設(shè)計以1主機2分機來模擬整個呼叫系統(tǒng)，且分機的原理、功能和電路都完全相同，以下都以分機1為例，介紹分機的工作原理，分機1的硬件系統(tǒng)框圖如圖2-3所示，軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。圖2-3 分機硬件系統(tǒng)框圖圖2-4 分機軟件結(jié)構(gòu)圖2.3 硬件方案選擇和論證2.3.1 主控芯片模塊方案1：使用51系列宏晶公司STC89C52RC作為主控芯片，其片內(nèi)ROM全都采用FlashROM：能以3V的超低電壓工作，與MCS-51系列單片機完全兼容，該芯片內(nèi)部存儲器為8KB ROM存儲空間，同時具有89C51的功能，具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或程序的新增功能需要燒入程序時，不需要對芯片進(jìn)行多次插拔，所以不會對芯片造成損壞。方案2：使用TI公司16位MSP430F149單片機作為主控芯片，具有超低功耗、強大的處理能力、豐富的片內(nèi)外設(shè)、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點。在運算性能方面，MSP430系列單片機能夠在8MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)125ns的指令周期。16位RISC結(jié)構(gòu)，使MSP430運算速度很快。而且其配套編程軟件IAR早已成熟，有很多開源代碼，對編程幫助很大。方案3：使用意法半導(dǎo)體推出的STM32F107作為主控芯片，其具有64K256KB Flash，達(dá)64KB的SRAM ，STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用，有2個12位 AD，2個12位DA(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、2個IIC接口、5個USART接口和3個SPI端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口IIS，另外STM32F107擁有全速USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊，72MHz超高運行頻率，1.25DMIPS/MHz。綜上，以上各芯片作為主控芯片都能達(dá)到系統(tǒng)的處理速度和其他要求，于是選擇方案1的STC89C52RC和STC90C51價格相對便宜，編程相對簡單的芯片作為主控芯片。2.3.2 無線收發(fā)模塊方案1:使用高頻電路，直接發(fā)送模擬信號。當(dāng)為發(fā)送模式時：使用高頻電路將拾音器采集、濾波、音頻放大、振蕩調(diào)制和高頻放大后的模擬信號通過帶通濾波器和天線后發(fā)送。當(dāng)為接受模式時：通過天線接收到模擬信號，經(jīng)帶通濾波器濾波、選頻放大、本振混頻、中放電路、解調(diào)電路以及音頻放大電路后，揚聲器放聲。雖然期間程序極其簡單，但硬件電路復(fù)雜，調(diào)試難度大，造價高，耗電量大，對醫(yī)用設(shè)備干擾極大等缺點，所以本設(shè)計放棄此方案。方案2：使用TI公司基于ZigBee協(xié)議的CC2530無線收發(fā)芯片，工作于2.4GHZ的ISM頻段，CC2530工作電壓為2V3.6V，集成增強型8051MCU，系統(tǒng)內(nèi)有8KB RAM，32KB256KB Flash存儲器，CPU主動接收模式下為24mA，主動發(fā)送模式下為29mA，最高工作速率500kbps。方案3：使用挪威Nordic公司基于SPI協(xié)議的NRF24L01+射頻收發(fā)芯片，工作于2.4GHz2.524GHz的ISM頻段，NRF24L01+工作電壓為1.9V3.6V，內(nèi)置硬件CRC檢錯，處于發(fā)送模式時（0dBm）工作電流為11.3mA，處于接收模式時（2Mbps）工作電流為13.5mA，休眠電流為1.5nA，空中傳輸率有250kbps、1Mbps和2Mbps三模式，未集成MCU，無內(nèi)部存儲器。綜上，NRF24L01+傳輸速率快于CC2530，功耗低于CC2530，成本遠(yuǎn)低于CC2530，且本設(shè)計未用CC2530編程功能和存儲器，如果使用稍許浪費。于是，在無線模塊芯片的選擇上使用NRF24L01+。2.3.3 語音模塊方案1：使用PCF8591等AD、DA功能一體化芯片，由于此處并未選擇STC89C52RD或STC12C5A60S2等自帶AD、DA的主控芯片，由此需要選擇對拾音器采集處理后的模擬信號進(jìn)行ADC和對無線接收到并處理后數(shù)字信號進(jìn)行DAC，但本設(shè)計要對語音信號進(jìn)行處理并用于通信，就以適合語音通信的32Kbit/s的采樣頻率來研究，其AD、DA轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換要求過于嚴(yán)苛，此類芯片不能達(dá)到要求，故本設(shè)計選擇棄用此方案。方案2：使用斜率連續(xù)可變增量（cvsd）雙工音頻調(diào)制芯片CMX639。CMX639完全集成語音編碼及解碼功能，編解碼速率范圍8kbps64kbps，可實現(xiàn)單芯片語音處理的能力，外圍設(shè)備簡單，用戶可以通過其管腳方便地對其編解碼算法進(jìn)行設(shè)置，具有強大的可選擇編碼算法，低功耗、低價位、小體積和開發(fā)難度低等多種優(yōu)點，因此特別適合在對成本非常敏感的消費類語音系統(tǒng)中應(yīng)用1，一片CMX639D4的價格為￥30。方案3：使用 DVSI語音壓縮/解壓芯片 AMBE2000。 利用該芯片能全雙工的壓縮和解壓 ，其壓縮率可在 2kb p s9. 6kb p s范圍內(nèi)，由軟件調(diào)節(jié) , 且具有 FEC(前向糾錯) 、VAD(語音激活檢測) 功能和 DTMF 信號檢測功能2，但一片AMBE2000的價格在￥150￥230之間，成本過高。方案4：使用NS73作為FM發(fā)射芯片，STD15L104為控制芯片組成語音發(fā)送模塊，以RAD5807作為接收芯片，STC15L104為控制芯片搭建語音接收模塊。由于NS73模塊和RDA5807模塊已集成51主控單片機，無須外模塊單片機編程程序。即可完成語音的發(fā)射和接收。NS73發(fā)送模塊發(fā)射頻率范圍為85108MHz，RDA接收模塊接收頻率范圍為76108MHz。整個模塊幾乎不需要外置主控單片機對其軟件控制易調(diào)試，價格適中。綜上，雖然AMBE對語音的編解碼質(zhì)量和性能略好于CMX639，但由于價格過于昂貴，且CMX639滿足設(shè)計需求，由此語音編解碼芯片選擇CMX639。但基于前期使用CMX639未能進(jìn)行編解碼，本設(shè)計改變方案選擇STC15L104、NS73和RDA5807進(jìn)行語音收發(fā)。2.3.4 時鐘模塊方案1：直接采用單片機定時計數(shù)器提供秒信號，使用程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒信息提供，采用此種方案雖然減小芯片的使用，節(jié)約成本，但是極大增大軟件編程難度，最缺陷的還是其提供的時間誤差太大，不容直視。方案2：采用DALLAS的DS1302時鐘芯片。實時時鐘具有讀/寫秒、分、時、日、星期、月和年，一個月少于31天時可以自動調(diào)整的功能，且具有閏年補償功能。工作電壓范圍2.55.5V，2.5V時耗電小于300Ma。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄3。而且精度高，價格便宜。綜上所述，采用DS1302時鐘芯片提供實時時間。2.3.5 存儲模塊AT24CXX系列是集EPROM存儲器，復(fù)位控制器和看門狗定時器一體的芯片。XX代表存儲容量，如02為2KB，16為16KB；AT24C02及以下為8字節(jié)頁緩存，AT24C02以上為16字節(jié)頁緩存。與400KHz的I2C總線兼容，工作電壓為1.8V6.0V，采用低功耗CMOS技術(shù)。WP為高電平時進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)，頁寫緩沖器自定時擦寫周期1000000編程/擦除周期?？杀４鏀?shù)據(jù)100年。方案1：使用AT24C02，2KB存儲空間，我們設(shè)計時，估計每個病員一天呼叫3次，一周總體約為120條。計劃存儲10條呼叫信息，其容量至多為（時間8字節(jié)，狀態(tài)4字節(jié)），估算為16*120=1920B，滿足。方案2：使用AT24C08或以上，由于上面我們以最大需求存儲空間估算得到至多使用160B的存儲空間，而AT24CXX系列的價格隨著存儲容量的增大而更高，在滿足設(shè)計需求的前提下，本著從簡節(jié)約的原則，我們放棄此選擇。綜上，存儲芯片選擇AT24C02。2.3.6 穩(wěn)壓模塊方案1：LM78XX三端穩(wěn)壓IC外加電解電容、瓷片電容，組成穩(wěn)壓電源模塊所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便。輸入電壓在7.5V20V時，輸出電壓的精度為4%以內(nèi)。方案2：ASM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時為1.2V。提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在1%以內(nèi)4。綜上所述，兩者價格相似，ASM1117性能好于LM7805，故電平轉(zhuǎn)換電路采用ASM1117-5.0和ASM1117-3.3芯片。2.3.7 顯示模塊方案1：選擇LCD1602液晶屏，1602顯示屏的顯示功能強，可顯示大量的數(shù)字、圖形，字母，顯示方式多樣，顯示效果清晰可見，但本設(shè)計需求顯示大量漢字，1602 不能滿足此要求，放棄。方案2：使用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示極少個文字比較合適，如用在此處需求量大，電路板制作和編程難度相應(yīng)增大，價格也相對較高，所以也不用此種作為顯示。方案3：采用LCD12864液晶顯示屏，12864液晶顯示屏的顯示信息的種類和數(shù)量都夠多，可顯示大量文字，圖形5，顯示多樣，清晰可見。價格適中，占用接口線適宜，且能滿足本設(shè)計所需顯示較多要求。綜上，選擇LCD12864為此項目的顯示屏。2.4 軟件方案選擇和論證2.4.1 main.c和test.c函數(shù)設(shè)計主程序主要結(jié)構(gòu)都由一個while(1)大循環(huán)構(gòu)成，main.c主要做串口初始化、無線收發(fā)控制、按鍵和語音回復(fù)控制、串口通信之用。test.c主要做串口初始化、時鐘、顯示、存儲、調(diào)整的控制之用。2.4.2 NRF24L01.c函數(shù)設(shè)計NRF24L01.c函數(shù)主要由NRF24L01初始化、讀寄存器、寫入寄存器、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、配置接收模式、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)子程序構(gòu)成。發(fā)送的原理是：由寫命令子程序?qū)懭胂鄳?yīng)的命令之后，再由寫數(shù)據(jù)子程序逐位寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后由發(fā)送子程序進(jìn)行發(fā)送。接收的原理是：配置子程序進(jìn)行寫命令話轉(zhuǎn)換為接收模式、讀狀態(tài)寄存器、讀出寄存器中數(shù)據(jù)。2.4.3 語音收發(fā)程序設(shè)計語音收發(fā)的程序?qū)懭隨TC15L104單片機，語音發(fā)送模塊由NS73初始化、NS73模式設(shè)定、NS73發(fā)送數(shù)據(jù)程序構(gòu)成；語音接收模塊由RDA讀、寫寄存器、上電初始化、IIC接收、發(fā)送、等子程序構(gòu)成。整個模塊只需外模塊單片機檢測到語音呼叫開關(guān)按下后，通過NRF24L01發(fā)送語音呼叫信息即可。2.4.4 按鍵調(diào)整程序設(shè)計信息顯示模塊，按鍵主要作時間調(diào)整和記錄查詢之用。2.4.5 DS1302.c函數(shù)設(shè)計DS1302.c函數(shù)主要由DS1302初始化、讀寄存器命令、寫寄存器命令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)子程序構(gòu)成。2.4.6 12864.c函數(shù)設(shè)計12864.c函數(shù)主要由初始化、忙檢測、寫命令、寫數(shù)據(jù)、清屏、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、顯示初始界面、顯示無呼叫界面、顯示呼叫界面、顯示查詢界面、顯示調(diào)整界面子程序構(gòu)成。2.4.7 AT24C02.c函數(shù)設(shè)計AT24C02.c程序由初始化、啟動、停止、字節(jié)寫、字節(jié)讀、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、應(yīng)答子程序構(gòu)成。3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件概述本項目硬件電路是STC89C52RC單片機作為主分機無線語音主控芯片，以STC89C52RC為主機信息顯示主控芯片，低功耗，可在3V超低壓工作6；時鐘電路由DS1302構(gòu)成，它是一種高性能、低功耗、帶RAM同時具有掉電自動保存功能的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、時、分、秒等進(jìn)行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V-5.5V。無線收發(fā)由NRF24L01+模塊構(gòu)成，語音模塊由、NS73發(fā)送模塊、RDA5807接收模塊組成，存儲模塊使用AT24C02芯片，顯示部分為LCD12864液晶顯示屏，能夠?qū)崿F(xiàn)字符與數(shù)字同時顯示的功能。電平轉(zhuǎn)換電路選擇ASM1117-5.0和ASM1117-3.3作為轉(zhuǎn)換芯片。3.2 主要單元模塊設(shè)計由于分機系統(tǒng)的主要模塊和主機系統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換、無線收發(fā)、語音發(fā)送、語音接收、與無線語音主控相同，沒有LED提示模塊，增加按鍵呼叫模塊。因此，我們將分別介紹：電平轉(zhuǎn)換模塊電路、語音發(fā)送模塊電路、語音接收模塊電路、無線收發(fā)模塊電路、LED提示報警模塊電路、無線語音主控模塊電路，時鐘模塊電路、按鍵模塊電路、顯示模塊電路、存儲模塊電路、信息顯示主控模塊電路，分機主控模塊電路和分機呼叫模塊電路。3.2.1 電平轉(zhuǎn)換模塊電路電平轉(zhuǎn)換采用ASM1117-5.0和ASM1117-3.3芯片，目的是將電池9V轉(zhuǎn)換為5V和3.3V從而供電給其他芯片。ASM1117包含1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以并且通過輸入端和輸出端的濾波確保輸輸出精度在1%以內(nèi)的穩(wěn)定電壓。具體原理圖如圖3-1所示：圖3-1 電平轉(zhuǎn)換模塊電氣原理圖3.2.2 語音發(fā)送模塊電路拾音器采集語音并轉(zhuǎn)換為模擬電信號，經(jīng)電容隔直和9014放大后得到的電信號，STC15L104設(shè)定NS73發(fā)射頻率（本設(shè)計為100MHz）通過NS73以電磁波的形式發(fā)送。具體原理圖如圖3-2所示。圖3-2 語音發(fā)送模塊電氣原理圖3.2.3 語音接收模塊電路STC15L104將RDA5807的接收頻率設(shè)定為100MHz，接收NS73發(fā)送模塊發(fā)送的語音信號。具體原理圖如圖3-3所示。圖3-3 語音接收模塊電氣原理圖3.2.4 無線收發(fā)模塊電路無線射頻收發(fā)的的主流芯片有TI公司遵循ZigBee協(xié)議的CC系列和Nordic公司的NRF系列。此處我們使用的事NRF24L01+模塊，高達(dá)2Mbps的工作速率，兼具CRC檢錯和自動應(yīng)答機制7。NRF24L01+模塊外部有8個引腳，簡易引腳圖如圖3-4和3-5所示。圖3-4 NRF24L01+引腳簡易視圖 圖3-5 NRF24L01+PCB簡易視圖每個引腳的名稱和功能見表3-1所示。表3-1 NRF24L01+引腳功能表管腳名稱管腳功能方向VDD電源正，1.93.6V輸入CE工作模式選擇，INCSNSPI片選使能，低電平有效INSCKSPI時鐘INMOSISPI輸入INMISOSPI輸出OUTIRQ中斷輸出OUTGND電源地NRF24L01+有發(fā)送、接收、待機和關(guān)機4種工作模式，其工作模式由寄存器內(nèi)部的PWR_UP、PRIM_RX共同控制，控制規(guī)則如表3-2所示。表3-2 NRF24L01+模式控制規(guī)則表模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TX_FIFO寄存器中發(fā)射模式1010處于發(fā)射模式，等待數(shù)據(jù)發(fā)完待機模式II101TX_FIFO為空待機模式I10無正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)掉電模式0當(dāng)主分機按下呼叫/回復(fù)按鍵，或語音通信開關(guān)時，NRF24L01開始工作，NRF初始化后默認(rèn)進(jìn)入發(fā)送模式，發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要向設(shè)定頻段設(shè)定通道設(shè)定目標(biāo)地址傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)對方接收到數(shù)據(jù)后，發(fā)送方會再次將數(shù)據(jù)重發(fā)，接收方將數(shù)據(jù)與上一次接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如是相同則丟棄此次接收數(shù)據(jù)，如不同，則表明上次數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，接收此次數(shù)據(jù)。具體電氣原理圖如圖3-6和3-7所示。圖3-6 無線收發(fā)模塊電氣原理圖圖3-7 NRF2401電氣原理圖3.2.5 LED提示報警模塊電路使用8個LED來表示有呼叫時，呼叫的方式以及呼叫的病床號或病房號。具體電氣原理圖如圖3-8所示圖3-8 LED提示報警模塊電氣原理圖3.2.6 無線語音主控模塊電路STC89C52RC晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗/的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘周期可以任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，時鐘頻率在12MHZ一下時，復(fù)位腳可以接地。本單片機是線收發(fā)控制、語音模塊控制、LED提示報警控制、串口通信的主控芯片。具體電路原理圖如圖3-9所示。89C52共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。I/0口分配：P0.0-P0.3：按鍵 ；P2.1：按鍵 ；P3.6-P3.7：按鍵；P0.0-P0.7：LED；P1.0：CMX639數(shù)字信號輸出端口 ；P1.1：CMX639編碼數(shù)字時鐘；P1.2：CMX639時鐘模式1；P1.3：CMX639時鐘模式2；P1.4：CMX639編碼壓縮算法選擇；P1.5：CMX639譯碼數(shù)字時鐘；P1.6：CMX639數(shù)字信號輸入端口；P1.7：CMX639功率節(jié)省端口P2.0：CMX639數(shù)據(jù)使能端；P2.2：NRF24L01片選端口P2.3： SPI從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入端口：P2.4： SPI時鐘端口P2.5： SPI從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出端口；P2.6： SPI時鐘端口；P2.7：收發(fā)模式控制端口；P3.4：NS73發(fā)送指示端口P3.0-P3.1串口通信端口；P3.5：RDA5807接收指示端口圖3-9 無線語音主控模塊電氣原理圖3.2.7 時鐘模塊電路采用DS1302時鐘芯片，其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源，在主電源關(guān)閉的情況下，也能通過紐扣電磁等電源供電也能保持時鐘芯片的繼續(xù)運行。X1和X2是振蕩源，外接32.768KHz晶振，RST是復(fù)位片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入端，SCLK始終是輸入端。時鐘電路如圖3-10所示：圖3-10 時鐘模塊電氣原理圖3.2.8 按鍵模塊電路利用4個按鍵來修改DS1302的實時時間和查詢歷史呼叫記錄，使得時間準(zhǔn)確無誤以及方便呼叫歷史的查詢調(diào)錄。4個按鍵的功能分別為：模式選擇、信息加1/查詢呼叫記錄、信息減1、信息確認(rèn)/退出查詢模式。其功能表如表3-3所示。表3-3 按鍵功能表模式 按鍵S10S11S12S13調(diào)整模式模式切換信息加1信息減1確認(rèn)并退出查詢模式無查詢下一記錄查詢上一記錄退出具體電氣原理圖如圖3-11所示。圖3-11 按鍵調(diào)整模塊電氣原理圖3.2.9 顯示模塊電路采用12864帶中文字庫的液晶顯示屏，利用其有完備的漢字顯示庫和數(shù)字圖像顯示能力和較大的屏幕和顯示亮度調(diào)節(jié)功能，能夠顯示更多的信息。具體電路原理圖如圖3-12所示。圖3-12 顯示模塊電氣原理圖3.2.10 存儲模塊電路采用AT24C02芯片，利用外部2k大小ROM來儲存最近一段時間內(nèi)的10個歷史呼叫的日期、時間，病房號碼、病員號碼、呼叫方式。 具體原理圖如下如圖3-13所示：圖3-13 存儲模塊電氣原理圖3.2.11 信息顯示主控模塊電路STC89C52指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。本單片機是顯示模塊控制、按鍵調(diào)整模塊控制、時鐘模塊控制、存儲模塊、串口通信的主控芯片。具體電路原理圖如圖3-14所示。89C52共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。I/0口分配：P0.0-P0.7：12864數(shù)據(jù)輸入端口；P2.3： LCD12864數(shù)據(jù)指令選擇端口；P2.4： LCD12864讀寫操作端口；P2.5：LCD12864使能端口；P2.6：LCD12864串并行選擇端口；P2.0：AT24C02時鐘端口；P2.0：AT24C02數(shù)據(jù)端口；P3.5：DS1302時鐘輸入端口P3.6：DS1302數(shù)據(jù)輸入端口；P3.7：DS1302復(fù)位端口P3.0-P3.1串口通信端口；P0.0-P0.1：按鍵圖3-14 信息顯示主控模塊電氣原理圖3.2.12 分機呼叫模塊電路分機呼叫電路由按鍵和語音兩部分構(gòu)成，但都由按鍵觸發(fā)。每個按鍵/開關(guān)對應(yīng)功能如表3-4所示。表3-4 按鍵對應(yīng)內(nèi)容表按鍵S7S8S9P3.4=1對應(yīng)病員1按鍵呼叫病員2按鍵呼叫病員3按鍵呼叫語音呼叫具體電路原理圖如圖3-15和3-16所示。 圖3-15 分機按鍵呼叫模塊電氣原理圖 圖3-16 分機語音呼叫模塊電氣原理圖3.2.13 分機主控模塊電路STC89C52RC晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗/的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。本單片機是無線收發(fā)控制、按鍵呼叫模塊、語音呼叫模塊、語音模塊控制、LED回復(fù)提示控制、串口通信的主控芯片。IO資源分配完全和主機無線語音主控模塊相同，在此不重復(fù)介紹。具體電路原理圖如圖3-17所示。圖3-17 分機主控模塊電氣原理圖硬件的電氣原理圖，硬件的印制板電路圖，材料清單表見附錄。4 系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計4.1 編程軟件選擇軟件系統(tǒng)在本次設(shè)計中尤其重要，基本功能大部分是由軟件完成的，語音收發(fā)模塊、無線模塊的收發(fā)控制部分同樣需要軟件的密切配合才能順利實現(xiàn)。鑒于軟件設(shè)計的復(fù)雜性和規(guī)模性，我們采用KEIL編譯器支持的C語言編程，放棄了效率高但可讀性不強的匯編語言。多功能呼叫機軟件程序的在圖2-2和圖2-4的基礎(chǔ)上設(shè)計主要包括（1）mian.c、test.c函數(shù)，作為整個軟件系統(tǒng)的核心。（2）NRF24L01.c函數(shù)。（3）呼叫子程序。（4）信息顯示函數(shù)。（5）串口通信子程序。（6）語音接收函數(shù)、語音發(fā)送函數(shù)。4.2 系統(tǒng)流程圖主機軟件系統(tǒng)由無線語音系統(tǒng)和信息顯示系統(tǒng)構(gòu)成。無線語音系統(tǒng)可分為主程序模塊和無線收發(fā)模塊。此主控系統(tǒng)是主機與分機無線通信的單片機控制系統(tǒng)。信息顯示系統(tǒng)可分為主程序模塊、顯示模塊等。當(dāng)主機無線語音收到無線呼叫時，無線語音主控系統(tǒng)與本系統(tǒng)進(jìn)行串口通信，發(fā)送呼叫信息。分機軟件系統(tǒng)由分機1系統(tǒng)和分機2系統(tǒng)構(gòu)成，由于分機1和分機2幾乎完全相同，以下以分機1為例介紹。主機無線語音主控系統(tǒng)可分為主程序模塊（包含按鍵回復(fù)模塊、語音回復(fù)模塊、語音模塊、串口通信模塊、LED報警提示模塊）、無線收發(fā)模塊。此主控系統(tǒng)是主機與分機無線通信的單片機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)程序流程圖如圖4-1所示。 圖4-1 主機無線語音系統(tǒng)程序流程圖主機信息顯示主控系統(tǒng)可分為主程序模塊（包含按鍵調(diào)整、串口通信模塊）、時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊。當(dāng)主機無線語音收到無線呼叫時，無線語音主控系統(tǒng)與本系統(tǒng)進(jìn)行串口通信，發(fā)送呼叫信息。其系統(tǒng)程序流程圖4-2所示。圖4-2 主機信息顯示系統(tǒng)程序流程圖分機1主控系統(tǒng)可分為主程序模塊（包含按鍵呼叫模塊、語音呼叫模塊）、無線收發(fā)模塊。此主控系統(tǒng)是分機與主機無線通信的單片機控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)流程圖如圖4-3所示。圖4-3 分機1主控系統(tǒng)程序流程圖4.3 各單元模塊程序4.3.1 NRF24L01無線收發(fā)子程序 無線收數(shù)據(jù)子程序和無線發(fā)數(shù)據(jù)子程序如圖4-4所示。 圖4-4 無線收、發(fā)子程序程序流程圖當(dāng)test.c中主程序調(diào)用無線發(fā)送、無線接收子程序時，開始進(jìn)入本程序流程。在發(fā)送子程序中，進(jìn)行初始化之后，單片機寫入命令，NRF24L01裝載發(fā)送端地址、發(fā)送數(shù)據(jù)、設(shè)置模式后發(fā)送，在接收子程序中，初始化后，設(shè)置NRF24L01為 接收模式，讀取接收數(shù)據(jù)指定的寄存器，判斷是否接收到數(shù)據(jù)。4.3.2 NRF24L01設(shè)置模式和讀狀態(tài)寄存器子程序NRF24L01設(shè)置接收模式、設(shè)置發(fā)送模式、讀狀態(tài)寄存器子程序都是對NRF24L01狀態(tài)寄存器的操作，其中設(shè)置模式子程序都是通過對SPI_RW_Reg()子程序的調(diào)用，將不同的數(shù)據(jù)寫入不同的寄存器來改變NRF24L01的收發(fā)模式。讀狀態(tài)寄存器子程序是通過對SPI_Read()子程序的調(diào)用來讀該寄存器的數(shù)據(jù)。配置為接收模式子程序，調(diào)用子程序SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0f)；配置為發(fā)送模式子程序，調(diào)用子程序 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e)；讀狀態(tài)寄存器子程序，調(diào)用子程序sta = SPI_Read(STATUS)。NRF24L01設(shè)置模式和讀寄存器子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5 NRF24L01設(shè)置模式和讀狀態(tài)寄存器子程序流程圖 NRF24L01讀寫寄存器子程序uchar SPI_RW_Reg(uchar reg, uchar value)和NRF24L01SPI讀狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)子程序uchar SPI_Read(uchar reg)都是通過寫時序子程序SPI_RW()的調(diào)用來實現(xiàn)功能，SPI_RW()子程序是通過一個for函數(shù)對SPI協(xié)議進(jìn)行命令寫入的，SPI時鐘高低變化一次，寫入一位數(shù)據(jù)，直至8位全部寫入。SPI寫時序子程序代碼如下所示。 for(i=0; i8; i+) MOSI = (byte & 0x80); byte = (byte1); SCK = 1; byte |= MISO; SCK = 0; return(byte); 4.3.3 呼叫子程序呼叫子程序通過按鍵掃描來判斷呼叫按鍵按下與否