1、1本科毕业论文(设计)病区患者信息智能手环研究二级学院 医药信息工程学院专 业 生物医学工程班 级 医学影像技术 2011学生姓名 莫廷威学 号 1105512137指导教师 冯博华2015 年 2 月0诚 信 声 明我声明，所呈交的毕业论文（设计）是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。我承诺，论文（设计）中的所有内容均真实、可信。毕业论文（设计）作者（签名）： 年 月 日1病区患者信息智能手环研究【 摘 要 】 本 文 研 究
2、了 一 种 基 于 51 单 片 机 的 病 区 患 者 信 息 智 能 手 环 系 统 ，对 医 院 病 区 管 理 的 智 能 化 进 行 了 探 索 。 利 用 单 片 机 的 内 部 相 关 配 置 、 工 作 原理 以 及 编 程 方 法 ， 实 现 了 通 过 矩 阵 键 盘 进 行 手 环 显 示 以 及 操 作 控 制 ， 包 括 按键 锁 定 、 按 键 解 锁 、 病 人 信 息 录 入 与 修 改 、 病 人 信 息 查 看 、 以 及 接 触 报 警 和病 人 实 时 呼 叫 等 功 能 。 本 研 究 设 计 的 电 路 部 分 主要包括：语音模块电路，包括放大电路、
3、滤波整形电路、AD 转换电路、控制电路、电源供电电路等。通过在 LCD1602 上显示相关病区患者的基本信息，包括年龄，以阿拉伯数字显示，病人姓名用患者编号标志，初此之外，还对解密、上锁等信息实现显示。本次硬件设计基于比较稳定可行、低成本的设计思想，软件设计采用模块化的设计方法，并且详细分析了语音播放模块应用于病区患者实时报警和呼叫，使护理医疗工作变得更加人性化。显示模块通过仿真进行电路的可行性验证，最后完成实物电路的设计，使得本次课题的预期结果得以实现。【关键词】 智能手环；仿真；语音；报警；2Study on patient information intelligent bracelet
4、【 abstract 】 This paper introduced a smart bracelet and system that based on 51 single chip microcomputer. First the internal configurations of 51 single chip microcomputer are introduced. And the paper also tell how 51 single chip microcomputer works and how can we program on it. Then the method of
5、 using temperature sensor to get body temperature is introduced, and we use infrared photoelectric sensor to get the pulse signal of human body. The design of the circuit mainly comprises sensing circuit , amplifying circuit, filtering and shaping circuit, AD converting circuit, counting and display
6、ing circuit, controlling circuit, power supplying circuit and so on. When the keyboard is pressed, the system starts to get signal. The small signal from will be amplified and shaped. Then ad converter will change the analog signal into digital signal and send to 51 single chip microcomputer . At la
7、st LCD1602 will display the information of body temperature and heart rate.This hardware of the preset system of the folding machine Wasdeveloped by using the technology of stepper motor driven by singlechipTheoperating principle of the stepper motor driven by single-chip Was elaborated。The style of
8、 motor and the limit switch were selectedAccording to demandsof the work,the board of the preset control Was designed by using the as the maincontroller,the limit switch level switching circuit and the switch circuit were also designedOn the basis of the practical application，demands of the system o
9、f electricity and power，the electric cabinet of the preset system Was designed【Keywords: 】 Intelligent bracelet simulation Voice alarm3目 录1. 前言 .12. 器件选择与系统设计 .32.1. 51 系列单片机的内部结构 32.2 语音播放模块 DYV01 的介绍 42.2.1. 概述 .42.2.2. 引脚功能说明 .42.2.3. 主要功能描述 .42.2.4. 下载操作 .52.2.5. 操作简介 .52.3. 单语音芯片 WT588D08/16 的介
10、绍 .52.3.1. 产品特征 .52.3.2. 功能描述 .72.3.3. 应用范围 .83. 硬件设计 123.1. 硬件总框图设计 123.2. LCD1602 显示电路设计 133.3. DYV01 V1.1 的应用电路设计 .143.4. 按键电路设计 144. 软件设计 174.1. 总程序设计和流程图 174.2. LCD1602 显示程序设计 194.3. 按键输入部分程序设计 214.4. 语音播放部分程序设计 234.5. 呼叫报警部分程序设计 245. 系统测试 265.1.实物验证 .266. 结论 31参考文献 .32致 谢 .33附录 .34附录 1 .34附录 2
11、 .36附录 3 .3701. 前言医院病房管理需求正在不断提高，病患管理的智能化水平也成为衡量医疗机构管理水平的重要标尺。例如婴幼儿在医院病房丢失的新闻不时见诸报端，给家长、医院带来严重的困扰和压力。可见，病区患者保护以及信息安全还不够完善，因此本文以病区婴儿防盗为例，研究集病人个人信息、婴儿防盗等功能于一体的智能信息手环，对于病区患者信息识别及安全有着重要意义。市面上大多数的智能手环，基本上都是能够起到一个计步器和监测睡眠质量的作用，可以算是最最基本的健康监测。从 Jawbone 手环开始，智能手环慢慢进入到了人们的生活当中，它开始给人民一个概念，就是大家在选择配饰的时候可以也将运动监测等
12、作为考虑的一个部分了。而且在 Jawbone 红火了起来以后，国内更多的创业团队也开始了这项业务。下面我们也为大家来总结一下，现在中国智能手环的一些发展趋势 3。智能可穿戴设备无疑是目前最为热门的话题之一。被称为“互联网女皇”的美国知名风投 KPCB 分析师玛丽-米克尔(Mary Meeker)在今年的互联网趋势报告中，尤其强调了智能可穿戴设备的增长潜力，认为这是下一个热门领域。浅析现有的智能可穿戴设备，基本可以按照功能不同分为几大类：生活健康类、信息资讯类、体感控制类等等，但也有一些产品横跨数项功能领域。如果按照产品外型，则可以分为手表、手环、眼镜、挂件、衣物、鞋子、背包等不同类型。 3生活
13、健康类是目前最为热门的产品，其中的代表性产品包括 Jawbone Up 2、FuelBand、Fitbit、Lark、Mitfit Shine 等等。这些产品最主要的功能就是记录人体运动、睡眠、饮食等各种健康相关数据，通过配套的应用软件，帮助消费者调整作息规律，督促加强锻炼，实现健康生活。虽然这些产品外型差别巨大，但都带有 GPS、陀螺仪、加速计等各种传感器，可以测出佩戴者的运动量、消耗热量等数据，并将数据传输到智能手机以及云端 13。Jawbone UP 2 和耐克 FuelBand 无疑是此类产品中最为突出的佼佼者，也是当前市场最为热销的产品。两款产品虽然都做成了手环，但耐克加入了 LED
14、点阵、蓝牙同步等更多炫酷功能，导致电池只能坚持 2 天左右。而 Jawbone UP 12 则选择了耳机插孔同步，牺牲了即时便利同步，却换来了长达 10 天的电池时间。 2运动品巨头耐克很早就和苹果合作，以 Nike+涉足了智能设备领域，去年发布的 FuelBand 则是当前最为炫酷的健康类可穿戴设备。除了社交功能和食物热量输入功能之外，UP 手环还拥有睡眠监控与震动唤醒功能，可以记录用户的睡眠数据。同样在苹果店出售的 Lark 腕带也是主打睡眠功能，除了记录深浅睡眠之外，Lark 还提供了睡眠质量评估报告、私人睡眠教练等软件服务。虽然Lark 在硬件功能上没有新奇之处，但对一些失眠患者来说，
15、专业的睡眠指导才是他们购买 Lark 的动力所在 3。本次研究计划分为三个阶段完成。第一个阶段作为调查研究，确定手环基本功能。首先我通过网络查看相关手环设计方面的信息，结合目前医院病区患者的实际情况，制定初步的功能选择方案，比如对患者体温心率的监测，病人区域化管理，如病人可以在手环的控制下不能超出医院规定的活动区域，否则会自动报警，还有就是病区患者基本信息录入，把病人给予编号，数字标记病人身份，然后再把病人的年龄加以录入，其次，设计病床无线呼叫，当病人有有需要时可以按下某一个按键，就可以实现呼叫。最后是一个防盗功能，当手环遭到破坏和超出规定范围后自动报警，还有就是手环操作键盘需要有密码解锁后方
16、可操作。这些是第一阶段的任务。第二阶段为仿真图的设计和显示信息录入部分程序编写，实现功能以后，紧接着进行体温，心率，呼叫报警，防盗功能，解锁功能的仿真设计和软件编程。这个阶段是设计的重要环节，需要指导老师的强大支持，特别是编程和电路设计方面较为薄弱，需要在其他同学以及老师的指导方可完成。第三阶段是调试工作。硬件焊接方面可能会有问题，可能仿真没有问题，但是实际调试中可能会有突发情况，所以，除了做好软件调试工作以外，还有细心检查电路焊接这些细节。最后是功能完善阶段，针对没有实现的功能，在仅有的时间里争取把他们都完成好。22. 器件选择与系统设计2.1. 51系列单片机的内部结构本次设计所采用的单片
17、机型号为 STC89C52 单片机,其与大部分市场 51 系列单片机兼容，并且在扩展方面和高速方面更具有优势。以下关于单片机介绍的内容均以 STC89C52 为例。STC89C52 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。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 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。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，三个 16 位 定时
18、器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口 5。另外 STC89X52 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。最高运作频率 35Mhz，6T/12T 可选 9。图 2-1 单片机内部结构图 3CPU 主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU 按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器 PC、指令储
19、存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成 59。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件 ALU、累加器 ACC、暂存器、程序状态字寄存器 PSW，BCD 码运算调整电路等组成。图 2-1 为 51 单片机内部结构图 8。2.2 语音播放模块 DYV01 的介绍2.2.1. 概述 与 DYV03 DK 配套，可实现下载、测试、演示功能； 3.3V 和 5V 供电模式； 兼容 TTL、CMOS 电平；2.2.2. 引脚功能说明如表 2-1,所示，DYV03
20、 DK 各引脚具体情况：表 2-1 DYV03 DK 各引脚功能说明2.2.3. 主要功能描述DYV01，是 DYVXX 系列模块中的其中一款。它具有寿命长、工作可靠，且体积小、能与 TTL、CMOS 等电平兼容。广泛应用于计算机外围接口装置；数控机4械、遥控系统、工业自动化装置；交通灯、信号灯、照明舞台灯光控制系统；仪器、仪表、医疗器械、办公设备、橡塑机械、自动消防等领域。DYV01 5V 模块支持 4.55.5V 输入电压，自带 3.3V 稳压器，3V3 引出脚可为外部供电；DYV013.3V 模块支持 2.83.6V 输入电压。DYV01 模块外围应用电路简单，客户可根据具体使用情况具体
21、应用；若需要其他参数的产品，可进入本公司网页查询或咨询相关人员 9。2.2.4. 下载操作将 DYV01 模块模块插入 DYV03 DK 板子的插座中，底部对平。需根据不同电压的模块，配置 DYV03 DK 板子的 J6 接口，通过 USB 线连接到电脑，此时，载器由 USB 供电，不需要外部电源供电。从电脑上按照软件的操作，点击下载，便可将工程信息下载到模块中。2.2.5. 操作简介下载完语音信息后，就可以在 DYV03 DK 板上进行相关的测试操作。测试时，可以由 USB 供电，也可以由外部电源供电。通电正常后电源指示灯亮（D3）。在音频输出端接上扬声器，先按动复位键对模块进行复位，再按动
22、I/O 口输出触发按键就可播放语音（前提是 PC 软件工程配置为按键模式、工程文件正确且下载完成、且 I/O 口所对应的地址要有语音） 12。BUSY 忙信号输出指示灯是根据语音工程中的设置来点亮或熄灭的。此外也可插上面包通过杜邦线板连接 MCU，实现其他模式的控制演示功能！2.3. 单语音芯片 WT588D08/16 的介绍2.3.1. 产品特征模块封装（带 SPI-Flash 及外围电路）有 DIP16、DIP28，芯片封装有DIP18、SSOP20 和 LQFP32 形式；根据外挂或者内置 SPI-Flash 的不同，播放时长也不同，支持 2M32Mbi的 SPI-Flash 存储器；5
23、内嵌 DSP 高速音频处理器，处理速度快；内置 13Bit/DA 转换器，以及 12Bit/PWM 输出，音质好；PWM 输出可直接推动 0.5W/8 扬声器，推挽电流充沛；支持 DAC/PWM 两种输出方式；支持加载 WAV 音频格式；支持加载 6K22KHz 采样率音频；支持对已加载语音播放试听；可通过专业上位机操作软件，随意组合语音，可插入静音，插入的静音不占用内存的容量，一个已加载语音可重复调用到多个地址；220 段可控制地址位，单个地址位最多可加载 128 段语音，地址位内的语音组合播放；最多可加载 500 段用于编辑的语音；USB 下载方式，支持在线下载/脱机下载；即便是在 WT5
24、88D 语音芯片通电的情况，也一样可以正常下载数据到 SPI-Flash；芯片复位时间 5ms；支持 MP3 控制模式、按键控制模式、38 按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制控制端口扩展输出模式；三线串口控制模式切换到三线串口控制控制端口扩展输出模式只需发送数据就可以进行切换。切换后仍可把切换前的最后一工作状态带进切换后的模式工作；任意设定显示语音播放状态信号的 BUSY 输出方式；6抗干扰性强，可应用在工业领域；220 段可控制地址位，单个地址位最多可加载 128 段语音，地址位内的语音组合播放；语音播放停止马上进入休眠模式，芯片转为完全停止状
25、态；15 种按键控制模式，任意一个按键可设定任意一种控制模式；配套 WT588D VoiceChip 上位机软件，接口简单，使用方便。能极大限度的发挥出 WT588D 语音单片机的各项功能；简单的单片机编写方式，摆脱以往复杂繁琐的汇编思维；单个芯片支持外挂多个存储器；插入的静音时间范围 10ms25min；工作电压 DC2.8V5.5V；静态休眠电流小于 10uA；支持 8 和弦 MIDI 播放（此功能有待开放) 12。2.3.2. 功能描述WT588D 语音芯片是一款功能强大的可重复擦除烧写的语音单片机芯片。WT588D 让语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技
26、术足于取代复杂的外围控制电路。配套 WT588D VoiceChip 上位机操作软件可随意更换 WT588D 语音单片机芯片的任何一种控制模式，把信息下载到SPI-Flash 上即可。软件操作方式简洁易懂，撮合了语音组合技术，大大减少了语音编辑的时间。完全支持在线下载，即便是 WT588D 通电的情况下，一样可以通过下载器给关联的 SPI-Flash 下载信息，给 WT588D 语音芯片电路复位一下，就能更新到刚下载进来的控制模式 14。支持插入静音模式，插入静音不用 SPI-Flash 内存的容量，一个地址位可7插入 10ms25min 的静音；MP3 控制模式下，完全迎合市场上 MP3 的
27、播放/暂停、停止、上一曲、下一曲、音量+、音量-等功能；按键控制模式下触发方式灵活，可随意设置任意按键为脉冲可重复触发、脉冲不可重复触发、无效按键、电平保持不可循环、电平保持可循环、电平非保持可循环、上一曲不循环、下一曲不循环、上一曲可循环、下一曲可循环、音量+、音量-、播放/暂停、停止、播放/停止等 15 种触发方式，最多可用 10 个按键触发控制输出；38 按键组合控制模式下能以脉冲可重复触发的方式触发 24 个地址位语音，所触发地址位语音可在 0219 之间设置；并口控制模式可用 8 个控制端口进行控制，仅限于WT588D-32L、WTW-28P；一线串口控制模式可通过发码端控制语音播放
28、、停止、循环播放和音量大小，或者直接触发 0219 地址位的任意语音，发码速度600us2000us；三线串口控制模式和三线串口控制控制端口扩展输出模式之间可通过发码切换，三线串口控制模式下，能控制语音播放、停止、循环播放和音量大小，或者直接触发 0219 地址位的任意语音，三线串口控制控制端口扩展输出可以扩展输出 8 位，在两种模式下切换，能让上一个模式的最后一种状态保持着进入下一个模式 4。PWM 和 DAC 输出方式，PWM 输出可直接推动0.5W/8 的扬声器，DAC 输出外接功放，音质好。应用范围广，几乎可以涉及到所有的语音场所，如报站器、报警器、提醒器、闹钟、学习机、智能家电、治疗
29、仪、电子玩具、电讯、倒车雷达以及各种自动控制装置等场所，工艺上达到工业应用的要求 14。2.3.3. 应用范围应用范围广，几乎可以涉及到所有的语音场所，如报站器、报警器、提醒器、闹钟、学习机、智能家电、治疗仪、电子玩具、电讯、倒车雷达以及各种自动控制装置等场所，工艺上达到工业应用的要求。2.3.4. 应用框图如图 2-2 是 WT588D 语音芯片的应用框图：8图 2-2 WT588D 语音芯片的应用框图2.3.5. WT588D08/16 的一线串口控制模式2.3.5.1. 端口分配表2.3.5.2. 命令及语音码2.3.5.3. 语音地址对应关系2.3.5.4. 一线串口控制时序例子一线串
30、口只通过一条数据通信线控制时序，依照电平占空比不同来代表不同9的数据位。先发拉低 RESET 复位信号 5ms，然后置于高电平等待大于 17ms 的时间，再将数据信号拉低 5ms，最后发送数据。高电平与低电平数据占空比1：3 即代表数据位 0，高电平于低电平数据位占空比为 3：1 代表数据位 1。高电平在前，低电平在后。数据信号先发低位再发高位。在发送数据时，无需先发送命令码再发送指令。D0D7 表示一个地址或者命令数据，数据中的00HDBH 为地址指令，E0HE7H 为音量调节命令， F2H 为循环播放命令，FEH 为停止播放命令。详细时序请见下图：例如，在一线串口控制模式下，发送数据 9C
31、H 的时序参见下图 2-3图 2-3 发送数据 9CH 的时序 说明：/RESET 为复位信号，发数据前对芯片进行复位，如不是在特殊的工业场合，可以不使用此复位信号。在每次发送数据前，不需要都发送复位信号，直接发送命令码或者地址数据即可。DATA 为一线串口数据通信线，复位芯片稳定后先拉低 5ms 以唤醒芯片，低位在前，BUSY 为语音芯片忙信号输出，数据成功发送后等待 20ms，BUSY 输出将作出响应。数据位占空比对应详见下图。2.3.5.5. 程序范例主控单片机：PIC16F54，时钟主频 4MHzSend oneline(unsigned char addr)sda=0;delay1m
32、s(5); /* 数据信号置于低电平 5ms */for(i=0;i#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define MAX 250 /*2msuchar dis1 = “Sick:123 Age:199“; /“”内的字符要小于 17 个code uchar dis2 = “ unlock “;uchar dis3 = “Input age : “;code uchar dis4 = “ Contact Nurse “;code uchar dis5 = “ lock “;uchar dis6 = “ Password :
33、 “;sbit RS = P10;sbit RW = P11;sbit EN = P12;#define data1 P1sbit LX = P37; /线路连接sbit ward0 = P00; /病室 0sbit ward1 = P01; /病室 1sbit ward2 = P02; /病室 2sbit ward3 = P03; /病室 3sbit BEEP = P30; /LED18#define CIPHER 8888#define ALL_SICK 4 /4 个病人typedef struct uchar disp; /显示处理uint Time_2ms;uchar lock; /1
34、 openuchar alarm; /1 onuchar now_sick; /显示病人的编号uchar sick_call; /呼叫的病人编号 01,02,04,08;0xff 无人呼叫uchar ageALL_SICK;ST;ST My_ST = 1, 0, 0,0,0,0xff, 99,;4.2. LCD1602 显示程序设计LCD1602 液晶显示通过相关的命令字进行控制，主要实现病区患者基本信息的录入，以及对初始化界面和解锁界面的显示，另外，通过命令字对先前设定好的信息进行修改，比如病人编号 sick001 和病人年龄 ageXX 等信息进行修改，方便于病区患者身份信息的管理，最重要
35、的是在新生儿防盗上起到了特别重要的作用。本设计通过对 LCD1602 的使能端、写、读端分写连接到控制芯片的p1.5、p1.4、p1.3 口控制，具体连接如图 4-2 所示：图 4-2 LCD1602 显示程序设计19对于 LCD1602 显示器的控制的部分程序如下：void lcd_wcmd(uchar cmd) /写指令函数 /*if(cmd!=0x28)/仿真时加这个会出错！实际硬件可行 */ RS = 0; RW = 0; EN = 0; /写指令。 data1 /清高四位端口data1 |= (cmd /写高四位数据 EN = 1; /*_nop_();*/delay_nms(1);
36、EN = 0;_nop_();data1 /清高四位端口data1 |= (cmdif(temp=1) /4 第一行有效 (回推-可知 1 的高 4 位为 1110)buf=buf+0;else if(temp=2) /5 第二行有效 (回推-可知 1 的高 4 位为 1101)buf=buf+4;else if(temp=4) /6 第三行有效 (回推-可知 1 的高 4 位为 1011)buf=buf+8;else if(temp=8) /7 第四行有效 (回推-可知 1 的高 4 位为 0111)buf=buf+12;else22buf=16； /没有的话就取查表中的缓存数据 没有按键
37、！return buf;4.4. 语音播放部分程序设计如图所示，由于考虑到仿真软件对语音模块仿真的局限性，本设计把语音模块 DYV01 的功能管脚定义在控制新片的 P3 口，如 BUSY 定义在 P3.2，REST 定义在 P3.3，DATA 定义在 P3.4 管脚，运用 C 语言对事先下载到语音模块芯片中的文件进行播放，包括呼叫报警以及设备断开的报警，还为了让测试更加生动，我还下载了几首容量很小的流行歌。如图 4-4 所示为语音播放模块管脚定义说明。图 4-4 语音播放模块管脚定义说明语音播放模块的部分程序如下：WT588D_Init() /语音模块初始化disp_line(0x00,dis
38、4);disp_line(0x40,dis5);while(1)switch(key_down()case 0:/播放音乐WT588D_Send(5);break;case 1:/播放音乐23WT588D_Send(6);break;case 2:/播放音乐WT588D_Send(7);4.5. 呼叫报警部分程序设计如图 13 所示，设计中的呼叫部分和报警部分分别由设置的四个按键和语音模块实现，其中四个按键分别代表的是病房 1、病房 2、病房 3 和病房 4，在程序中相应的给予命令字符进行控制。考虑到实际仿真在实际报警中语音的限制，所以采用了一个二极管代替，如图 4-5 所示，当设备断开时，二极管发亮，此时需要专业医护人员解锁后按下解锁按钮方可停止报警，否则，语音模块会不停的播报。图 4-5 呼叫报警部分管脚定义示意图设计中的部分程序如下：case 14: /报警解除if(My_ST.lock)My_ST.alarm = 0;BEEP = 1;break;case 15:/确认break;default:24if(LX) /断线报警My_ST.alarm = 1;if(My_ST.alarm)BEEP = 0;break;if(ward0) /病室 0 呼叫if(ward1) /病室 1 呼叫if(ward2) /病室 2 呼叫if(ward3) /病室 3 呼叫
