1、. . . 本科畢業設計(論文)題目：基于電力載波的病房呼叫系統43 / 52基于電力載波的病房呼叫系統摘 要隨著電力載波技術的發展,應用低壓電力線作為傳輸媒質，采用擴頻、數字編碼、單片機控制等技術實現病房呼叫已成為可能。為了克服無線式病房呼叫系統易受電磁干擾，而且容易對一些特殊儀器和特殊病人的影響， 故本文運用電力載波技術設計了一種病房呼叫系統。本設計旨在應用于AT89C52單片機按照筆者制定的的編碼方式通過電力載波發送數據，在其基礎上制作了基于電力載波的病房呼叫系統。當某一房間出現病情時，發送預先設定好的本地地址碼，由調制電路調制后，通過電力線向外發送；再經接收譯碼電路調制解調，取出信號并

2、譯碼出地址同時發出聲光警報。讓醫院能夠準確與時響應病人的呼叫。該系統無需為數據傳輸專門布線，適合舊病房改造，具有一定的可行性和應用價值。關鍵詞：單片機；電力載波；編碼；數據通信Wards calling system based on the power line carriertechnologyAbstractWith the development of the power line carrier technology, we also can applythelow-voltage power line as a transmission medium,usingthe spread

3、 spectrum, digital encoding.the control technology of single-chip ,we can achieve Call Ward as possible.In order to overcome the wireless call system that electomagneticvunlnerable interference, whlie it easy for effecting some special equipment and special patient, So in this paper,the design use t

4、he power line carrier technology to achieve wards calling system.The author designs the encoding of data with the AT89C52 MCU intended for sent through the power line carrier,for its base weproduct theWards calling system based on the power line carriertechnology.Whenaroomdisease appears, send pre-c

5、onfigured local address code, and modulation by the modulation circuit, it sends out through the power line; then through the decoding circuit receiving modem, recover the signal and decoding address at the same time whlie send sound and light warning.The hospitals can allow to respond to the patien

6、ts call accurate and timely.It is no need for special wiring arrangement for the data transmission，so it was suitable for the old ward reformation，and of some feasibility and some application value.Key Words: MCU;power line carrier;coding;data communications 目錄中文摘要英文摘要主要符號表1 緒論11.1前言11.2課題研究背景與意義11.

7、3病房呼叫系統的研究現狀11.4本文主要研究容21.4.1本設計的主要容21.4.2設計的功能和特點22病房呼叫系統的設計32.1設計方案的確定32.2設計方案的比較42.3電路設計42.4主要芯片功能介紹42.4.1AT89C52簡介42.4.2 NE555簡介52.4.3收音機中周簡介62.4.4MAX232簡介72.4.5三端穩壓器82.4.6七段LED顯示器82.5單元電路設計102.5.1電源電路設計102.5.2電力載波編碼方案122.5.3電力載波發送部分電路設計122.5.4本振電路設計132.5.5編碼電路設計142.5.6載波接收電路設計152.5.7檢波與整形放大電路設計

8、162.5.8譯碼電路設計173硬件調試與仿真193.1電路原理圖的設計193.2印刷電路板設計規則203.3調試過程214.軟件的程序設計254.1程序流程圖與源程序254.2程序調試與仿真275.結論29參考文獻30致32畢業設計（論文）知識產權聲明33畢業設計（論文）獨創性聲明34附錄系統電路圖35附錄源程序36附錄 PCB圖40主 要 符 號 表R電阻C電容電容容量兆歐pF皮法k千歐kHz千赫MHz兆赫模擬電路基本符號1 緒論1.1前言信息時代的醫院管理已經從傳統的人管理模式。向智能化、電子化、信息化、網絡化的高科技管理模式的方向迅猛發展。病房呼叫系統可實現對醫院病房的智能化管理。可實

9、現對講、呼叫、監聽、廣播、群呼、響鈴、求救報警、信息貯存、優先權設定、顯示排隊等功能。為醫院和患者都帶來方便。基于電力載波技術的二線制數據、語音智能綜合呼叫系統，是根據醫院系統化整體護理的要求設計開發的。1.2課題研究背景與意義近年來，隨著通信技術的發展，人們在電力線載波通信方面作了大量的研究工作。電力供電網絡四通八達，低壓電力線連接千家萬戶，構成最普與的網絡，利用它進行數據通信，傳遞各種信息，不占用無線頻道資源，亦無需鋪設專用通訊線路，省工、省錢、維護簡單、有著廣闊的應用前景。傳統的病房呼叫系統普遍采用有線式，不僅布線安裝繁瑣、維護不便、利用率低，而且實時性差。雖然無線式呼叫系統沒有布線問題

10、，但它的可靠性差，而且無線電波會干擾其它醫療儀器設備，目前大多數醫院不采用無線呼叫系統。 隨著電力載波技術的發展，應用低壓電力線作為傳輸媒質，采用擴頻、數字編碼、單片機控制等技術實現病房呼叫已成為可能。1.3病房呼叫系統的研究現狀在早期，醫院的呼叫系統是采用數字電路設計而成，具有電路復雜、布線麻煩、以與呼叫信息不準確等缺點，因此現在已經逐漸淘汰。現在市場上的病房呼叫系統普遍采用的是單片機控制和PLC控制，這2種控制方法相比之下，具有布線簡單、容易實現,呼叫與時、顯示清楚等優點。本設計就具體利用單片機實現病房呼叫系統。在當今社會電力系統遍與各個地區，利用電力來傳輸信息，是一個很可取的方法，尤其是

11、很多發達國家電力載波的應用相當廣泛。電力載波利用市電線路直接傳輸信息，無需新增設備的布線，只要有電力線即可。本系統利用醫院病房現有的電力布線，通過制定適合單片機的電力載波編碼方案，將電力載波技術應用于醫院病房呼叫系統。1.4本文主要研究容1.4.1本設計的主要容本設計旨在應用于AT89C52單片機按照筆者制定的的編碼方式通過電力載波發送數據，在其基礎上制作了基于電力載波的病房呼叫系統。當某一房間出現病情時，發送預先設定好的本地地址碼，由調制電路調制后，通過電力線向外發送；再經接收譯碼電路調制解調，取出信號并譯碼出地址同時發出聲光警報。讓醫院能夠準確與時響應病人的呼叫。使用電力線載波，可以減少為

12、數據傳輸專門布線，同時也適用于舊病房改造，具有很高的可行性和應用價值。本設計造價低使用方便。本方案采用AT89C52單片機進行編譯碼，利用中周TTF-2-2來構成載波發送與接收部分，系統的本振信號是由NE555芯片產生，整個系統通過MAX232串口與計算機連接進行數據的管理。本設計主要部分：（1）利用NE555定時器產生的本振信號電路。（2）利用普通收音機中周TTF-2-2本振調諧回路工作在336kHz 的電力載波編碼方案。（3）由AT89C52構成的編譯碼電路。（4）檢波與整形放大電路的設計。1.4.2設計的功能和特點（1）利用市電線路直接傳輸信息，通信可能滿足一般數據傳輸要求。（2）無需考

13、慮房屋修建或裝修時考慮設備的布線，只要有電力線即可正常工作。同時由于本品采用了約為336kHz的中頻通過電力線傳輸從而避免了電磁輻射對一些醫療儀器與一些特殊病人的干擾。由于沒有采用無線電使得信號傳輸穩定可靠，本設計適用于大、小型醫院。必要時可以增加串口與PC機通信，實現電腦病房管理。（3）采用LED顯示每個病房的呼叫，高亮度，高清晰，能讓就診人員與時找到相應的病房進行治療，主機在接收到申請的同時能夠通過揚聲器進行報警。2病房呼叫系統的設計2.1設計方案的確定病房呼叫系統是病人請求值班醫生或護士進行診斷或護理的緊急呼叫工具，可將病人的請求快速傳送給值班醫生或護士，并在值班室的監控中心電腦上留下準

14、確完整的記錄。利用電力線載波通信技術、單片機多機通信和計算機監控管理技術設計的具有呼叫、振鈴、顯示排隊、優先權設定、存儲記錄等功能的病床呼叫系統。滿足了醫院的病房管理和護理要求。病房呼叫系統由若干個呼叫源( 一般每病床為一個) 、調制解調載波模塊、編碼譯碼系統組成。當呼叫源有呼叫信號時，在監控系統上有相應的聲、光呼叫信號指示，并能顯示出呼叫編號。若采用并行總線擴展方式，上百個呼叫源與主機之間的布線太復雜。故本系統利用單片機的串行通訊功能。使得主機到各個從機之間的信號通過電力線載波調制解調模塊,經過220V 民用電力線傳輸。實現主機和從機之間的雙向數據傳送。當病床有呼叫請求時進行聲光報警，并在顯

15、示器上顯示病床的位置。呼叫源( 從機) 放在病房，病人有呼叫請求時，按下請求按鈕，向值班室呼叫，并點亮呼叫指示燈。主機和從機之間通過電力線連接在一起。主機和從機通訊時，主機依次向各從機發送地址信息，各從機接收主機發來的地址信息，如果和自己的地址一樣，則向主機發送自己的報警信息。硬件框圖：如圖2.1所示NE555構成的336kHz振蕩器 載波發送模塊載波接收模塊檢波與整形放大模塊單片機構成的解碼器顯示當前請求號串口送至計算機請示已處理按鈕單片機構成的編碼發送器發送按鈕電力線 圖2.1硬件框圖2.2設計方案的比較現在醫院里大多采用兩種病房呼叫系統：一種是無線的病房呼叫系統；另外一種是有線式的病房呼

16、叫系統。而傳統的病房呼叫系統普遍采用有線式，不僅布線安裝繁瑣、維護不便、利用率低、而且實時性差。醫院的病房是不宜安裝無線系統的，原因有二：一是無線系統易受外界的電磁干擾，發生誤傳導，多數情況是接收機接收到臨近頻率的信號而發出呼叫信息。二是由于醫院電器醫療設備較多，也容易和被呼叫系統發生電磁波干擾，發生醫療事故。隨著電力載波技術的發展，應用低壓電力線作為傳輸媒質，采用擴頻、數字編碼、單片機控制等技術實現病房呼叫已成為可能。故本設計采用電力載波技術來實現整個系統，利用市電線路直接傳輸信息，通信可能滿足一般數據傳輸要求，無需考慮房屋修建或裝修時考慮設備的布線。只要有電力線即可正常工作。2.3電路設計

17、當某病房出現情況需要護士或醫生治療時，由病人按動按鈕讀出呼叫病房和床位，這時驅動蜂鳴器報警同時在LED上顯示的病房的請求，同時按下主機上的已響應解除報警，而且主機還能夠通過RS232接口將數據傳入PC機串口，方便計算機程序對病人數據建立數據庫進行管理。本系統應用單片機對發送信號進行編碼，通過發送電路將其發送到電力線上，再通過與之相對的接收譯碼電路取得發送的數據，通過譯碼實現病房呼叫。系統電路圖見附錄2.4主要芯片功能介紹本系統用到的主要芯片有AT89C52、NE555、78系列的三端穩壓器、MAX232串口、收音機中周TTF-2-2、七段LED顯示器。2.4.1AT89C52簡介AT89C52

18、是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統控制應用場合。 AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規方法

19、進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP與PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。主要功能特性： 兼容MCS51指令系統8k可反復擦寫(1000次）Flash ROM 32個雙向I/O口256x8bit部RAM 3個16位可編程定時/計數器中斷時鐘頻率0-24MHz 2個串行中斷可編程UART串行通道 2個外部中斷源共6個中斷源 2個讀寫中斷口線3級加密位 低功耗空閑和掉電模式軟件設置睡眠和喚醒功能 2.4.2 NE555簡介NE555是屬于555系列的計

20、時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能與運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩定度、省電、可產生的振蕩頻率也不大一樣；而555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數的電阻和電容，便可產生數位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號。b. NE555引腳位功能配置說明下：NE555管腳圖如圖2.2所示：圖2.2NE555管腳圖Pin 1 (接地) 地線(或共同接地) ，通常被連接到電路的共同接地端。 Pin 2 (觸發點) 這個腳位是觸發NE555使其啟動它的時間周期。觸發信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) 當時間周期開始555的

21、輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) 一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器會使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) 這個接腳準許由外部電壓改變觸發和閘限電壓。當計時器經營在穩定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電) 這個接腳和主要的輸出接腳有一樣的電流輸出能力，當輸出為ON時

22、為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) 這是555計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。參數功能特性： 供應電壓4.5-16V 供應電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時間100 ns2.4.3收音機中周簡介被稱之為中頻變壓器（俗稱中周），是超外差式晶體管收音機中特有的一種具有固定諧振回路的變壓器，但諧振回路可在一定圍微調，以使接入電路后能達到穩定的諧振頻率（465kHz）。微調借助于磁心的相對位置的變化來完成。 收音機中的中頻變壓器大多是單調諧式，結構較簡單，占用空間較小。由

23、于晶體管的輸入、輸出阻抗低，為了使中頻變壓器能與晶體管的輸入、輸出阻抗匹配，初級有抽頭，且具有圈數很少的次級耦合線圈。雙調諧式的優點是選擇性較好且通頻帶較寬，多用在高性能收音機中。 晶體管收音機常采用兩級中頻放大器，所以需用三只中周進行前后級信號的耦合與傳送。實際電路中的中周常用BZ1、BZ2、BZ3等符號表示。在使用中不能隨意調換它們在電路中的位置。2.4.4MAX232簡介MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。該器件包含2個驅動器、2個接收器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F

24、標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發送器將TTL/CMO S電平轉換TIA/EIA-232-F電平。MAX232管腳圖如圖2.3所示：部結構基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7

25、腳（T2OUT）為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。圖2.3MAX232管腳圖2.4.5三端穩壓器三端穩壓器，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩壓器，另一種輸出電壓是可調的，稱為可調輸出三端穩太器，其基本原理一樣，均采用串聯型穩壓電路。在線性集成穩壓器中，由于三端穩壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩定，價格

26、低廉等優點，因而得到廣泛應用。三端穩壓器的通用產品有78系列（下電源）和79系列（負電源），輸出電壓由具體型號中的后面兩個數字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。輸出電流以78（或79）后面加字母來區分L表示0.1；AM表示0.5A，無字母表示1.5A，如78L05表求5V 0.1A。使用注意事項在使用時必須注意：(VI)和(Vo)之間的關系，以7805為例，該三端穩壓器的固定輸出電壓是5V，而輸入電壓至少大于7V，這樣輸入/輸出之間有23V與以上的壓差。使調整管保證工作在放大區。但壓差取得大時，又會增加集成塊的功耗，所以，兩者應兼顧，即既保證在最大負載電流時

27、調整管不進入飽和，又不致于功耗偏大。7805和7809系列為3 端正穩壓電路,TO-220 封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用圍廣。含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達1A。雖然是固定穩壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。7805主要特點：輸出電流可達 1A 輸出電壓有：5V過熱保護 短路保護 輸出晶體管 SOA 保護7809主要特點：輸出電流可達1A輸出電壓有： 9V過熱保護短路保護輸出晶體管SOA保護2.4.6七段LED顯示器通過發光二極管芯片的適當連接構成8字形，在使用時使某些筆段上發光二極管發光即可顯示09數字。LED七段碼顯示器，又稱LED數碼管，它有共

28、陰和共陽兩種連接方式如圖2.4所示：共陰：以陰極為公共極，接低電平，當陽極筆上加上高電平時該筆段發光；共陽：以陽極為公共極，接高電平，當陰極筆上加上底電平時該筆段發光；共陰LED數碼管的驅動電路應是高電平輸出，共陽LED數碼管的驅動電路應是低電平輸出。數碼管使用共陽連接，要顯示的位送入高電平，其要求顯示的段為低電平，即可實現。數碼管的顯示方式數碼管要正常顯示，就要用驅動電路來驅動數碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數字，因此根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態式和動態式兩類。動態顯示驅動：數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃a,b

29、,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到一樣的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現象與發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定

30、的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。靜態顯示驅動：靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態驅動的優點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多，如驅動5個數碼管靜態顯示則需要5840根I/O端口來驅動，一個89C51單片機可用的I/O端口只有32個，實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。圖 2.4共陰和共陽兩種連接方式2.5單元電路設計2.5.1電源電路設計在電子電路與設備中，一般都需要穩定的直流電源

31、供電。一般用的直流電源為單向小功率電源，它將頻率為50Hz、有效值為220V的單向交流電壓轉換成幅值穩定的、輸出電流為幾十安以下的直流電壓。單向交流電經過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路轉換成穩定的直流電壓。如圖2.5所示：圖2.5直流穩壓電源方框圖直流電源的輸入為220V的電網電壓（即市電），一般情況下，所需的直流電壓的數值和電網電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電壓進行處理。變壓器的副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。目前，也有部分電路不用變壓器，利用其他方法升壓或降壓。變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉換成直流電壓，即將正弦波電壓轉換為單一方向的脈動

32、電壓，半波整流電路和全波整流電路的輸出波形如圖2.5所畫的。可以看出，它們均含有較大的交流分量，會影響負載電路的正常工作；為了減少電壓的脈動，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而，由于濾波電路為無源電路，所以接入負載后勢必影響其濾波效果。對于穩定性要求不高的電子電路，整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。整流電路輸出的電壓雖然是單一方向，但是含有較大的交流分量，不能適應于大多數電子電路與設備的需要。因此，一般在整流后，還要需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變為平滑的直流電壓。交流電壓通過整流、濾波后雖然變為交流分量很小

33、的直流電壓，但是當電網電壓波動或者負載變化時。其平均值也將隨之變化。穩壓電路的作用就是使輸出的直流電壓基本不受電網電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩定性。本電路通過變壓器降壓后獲得12V/50Hz直流電壓，再經過濾波電路進行全波整流，電容C10起到濾波的作用，因為濾波電容容量較大，因而一般均采用電解電容，電容濾波電路利用電容的充放電的作用，使輸出的電壓趨于平滑。最后再經過有三端穩壓器7805構成的穩壓電路，最后輸出9V和5V的直流電壓。發送部分電源電路如圖2.6所示：圖2.6電源電路接收部分電源電路如圖2.7所示：圖2.7電源電路2.5.2電力載波編碼方案由于本系統的載波發送采用

34、中周TTF-2-2，并且高頻本振回路工作在336KHZ下，所以制定編碼方案如下：規定數據以字節為單位發送，即每串振蕩流為一字節，其中每幀分起始區和數據區。起始區格式固定為50個本振脈沖，即150s (503s = 150s)的振蕩信號，與50個本振周期即150s(503s=150s)的停振信號，以此來確定有數據將發送避免干擾串人，造成誤接。數據區為每位為40個本振周期即120s( 403ss=120s)。bit為1則有振蕩，若為0，則沒有振蕩信號。因此每字節包括起始區300s(150s+150s=300s)和8個位即(8120s = 960s)共有(300s+ 960s =1260s)約為1.

35、 3ms的字節周期，所以每秒最高傳送約790字節(先傳送高位再傳送低位)，本振周期為:T = 1/f = 1/336kHz3s2.5.3電力載波發送部分電路設計電力載波通訊即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。電力載波是電力系統特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞。本系統過電力線發送信號同時對市電的隔離關鍵就是通過該電路部分來完成的，因此該部分是設計的關鍵，直接導致了設計的成敗。具體電路如圖所示.電路中由T1與C1、C2 、VT 1、VD 1共

36、同構成。C1的作用是對市電進行隔離同時又是提供中頻信號的交流通路。(由于直接與市電連接為避免市電尖峰脈沖將其擊穿應取耐壓高于360V的電容) 中周T1與C2構成選頻回路，其參數的變化將導致選通頻率的變化，C2為300pF的定值云母電容耐壓為100V，通過中周可對選通頻率進行調節，當調節其諧振頻率與本振一樣時，發送端輸出幅值最高的頻率信號，這也是在后期調試中的關鍵。VT1主要是為了進行功率推動，而VD1則是防止電網串人的尖峰脈沖瞬間擊穿三極管VT1。本電路中還串人了0. 5 A的保險絲，避免后級短路而引發事故。C2與中周TTF-2-2組成了選頻電路，VT1起到了信號放大，功率推進的作用。VT1采

37、用最基本的共射放大電路。LC諧振回路利用幅頻特性和相頻特性，不僅可以進行選頻，即從輸入信號中選擇出有用的頻率分量而抑制無用分量或噪聲，而且還可以進行信號的頻幅轉換和頻相轉換。電力載波發送部分電路圖如圖2.8所示：圖2.8電力載波發送部分電路2.5.4本振電路設計本系統中本振信號產生部分由應用很廣的555時基電路構成，因設計所需頻率為336kHz，故根據公式f = 1. 443/(R1 +2R2)C)可算出振蕩電路的電阻和電容的大小。其中電容選用300pf的云母電容，R1為510，R2為500的可調電阻，以便可調。值得說明的是在本設計中應用NE555的腳為信號調制引腳。本設計所用的本振電路是目前

38、最常用的間接反饋型振蕩電路。此多諧振蕩器是把反饋電阻接在放電端和電源上，如圖2.9所示，這樣做使振蕩電路和輸出電路分開，可以使負載能力加大，頻率更穩定。此電路具有很廣泛的用途：脈沖輸出、音頻告警、家電控制、電子玩具、檢測儀器、電源變換、定時器等。555產生的多諧振蕩器如圖2.9所示： 圖2.9多諧振蕩器由圖2.9的波形求得電容C的充電時間T1和放電時間T2各為：振蕩頻率為： 通過改變R和C的參數即可改變振蕩頻率。 輸出脈沖的占空比為： 本振電路原理圖如圖2.10所示：圖2.10本振電路2.5.5編碼電路設計編碼產生電路主要由單片機AT89C52構成，通過對其進行編程，實現當有按鈕按下時產生對應

39、按鈕編碼號的碼值并按前面所訴的編碼方案產生對應的編碼序列，通過P0. 0口送入NE555的4引腳進行調制以便發送。其具體的過程為：單片機查得P1口有無按鈕按下，若無則繼續查尋，若有則就讀取端口號并查尋對應端口號的編碼，將編碼送入序列產生函數。該函數主要功能為當被調用時按照前面制定的編碼原理，對傳入的編碼進行處理并產生對應的編碼序列輸出到單片機的p0. 0口。編碼電路如圖2.11所示：圖2.11編碼電路本電路采用AT89C52單片機作為編碼芯片，XTAL1,XTAL2引腳接石英振蕩器。所需的機器周期=石英晶體/12；復位電路采用開機于按鍵復位電路，當按鍵按下時RESET為高電平，單片機開始復位。

40、2.5.6載波接收電路設計載波接收電路的作用和載波發送電路的作用相對應，主要是將發送電路傳入電網的中頻信號接收到，同時將市電隔離.因此對載波接收電路要具有較好的選頻特性同時又應該有一定的頻帶寬度。在設計中應用C11將市電隔離并且為中頻信號提供交流通路。T11和C12構成選頻回路，C12參數與發送端的C2一樣，調試時主要通過調節T11來完成，當調節T11使選頻回路諧振頻率與發送電器輸出頻率一樣時接收部分輸出最高的高頻信號，本設計實測諧振時輸出最高的中頻電壓峰值為4V，可提供給后級檢波電路進行檢波。電路中加入了0. 5 A的保險絲BF11以避免后級短路而造成事故。載波接收電路圖如圖2.12所示：圖

41、2.12載波接收電路2.5.7檢波與整形放大電路設計檢波電路的主要作用是將調制在高頻信號上的編碼信號解調出來。由于是調制的數字量這使得解調工作相對模擬信號來簡單一些，所以對檢波電路并不要求較高的線性。我在設計中應用了兩級，第一級工作在放大狀態使檢波輸出的編碼信號的電壓幅值有一定的提升，第二級工作在開關狀態使得輸出編碼信號的電平統一。有了這兩級既避免直接應用檢波電路輸出的信號誤區，使三極管不能正常工作在開關狀態，又避免了只應用放大的方法使有的輸出信號的輸出電平不統一。電路中VD5為檢波二極管，VD1、VD2 、VD3 、VD4是為了避免電網的尖峰脈沖瞬間將VD5和VT1擊穿。C13的作用是濾除中

42、頻載波信號。VT1與VT2起到整形放大作用，VT1的作用是放大編碼信號，VT2作用是整形并且工作于開關狀態。經過整形放大后的信號則是發送端需要發送的編碼信號了，由于我在程序中是應用中斷的方法譯碼，因此還需要經過VT3反相，這樣就可以直接送入單片機進行譯碼了。檢波：是將音頻信號或視頻信號從高頻信號(無線電波)中分離出來叫解調。放大：電路的放大的本質是能量的控制和轉換；是在輸入信號作用下，通過放大電路將直流電源的能量轉換成負載所控制獲得的能量，使負載從電源獲得的能量大于從信號源獲所提供的能量。因此，電子電路放大的基本特征就是功率放大。檢波與整形放大電路如圖2.13所示：圖2.13檢波與整形放大電路

43、2.5.8譯碼電路設計譯碼部分主要由單片機構成，將整形、放大、反相輸出的編碼信號送到單片機的外部中斷0，將外部中斷0初始化為邊沿觸發高優先級，同時打開外部中斷0。故中斷服務程序即是電力載波的編碼接收程序也包括了譯碼部分的功能。程序主要功能是當外部中斷有效時，馬上進入中斷服務程序同時按照前面制定的編碼方案進行譯碼，再將數據送人指定的緩存區。由于接收程序是由中斷服務程序來完成的，所以應用時只需要在主程序過判斷標志位來確定是否接收有數據。通過控制三個數碼管的位選通端來顯示發送端發送的房間號。具體的譯碼部分的程序見附錄譯碼電路如圖2.14所示：圖2.14譯碼電路3硬件調試與仿真本次設計中，采用EDA工

44、具中的 Protel99SE軟件來完成系統電路原理圖的設計和PCB板的制作。繪制印刷電路板時，采用先畫原理圖，再由原理圖生成網絡表，最后通過調用網絡表的方法生成PCB板。3.1電路原理圖的設計在熟悉了整個系統工作原理后，進行電路原理圖的設計。本設計中繪制原理圖的過程為：（1）繪圖之前，確定元器件型號，明確各器件的管腳定義。（2）進入原理圖編輯界面后設置圖紙，使用菜單命令Design/Options，選擇圖紙大小，這里選擇A3。 （3）放置元件。對于常用元件如電阻、電容等，利用元件庫瀏覽器放置元件，對于元件庫沒有的元件需自己創建。本次設計中，AT89C51、NE555、LED是自己創建的。（4）

45、原理圖布線。本次設計中，連線少的元器件間是用具導線直接相連的，布線多的器件管腳間是通過標注網絡標號的方法實現布線的。網絡標號表示一個電氣連接點，具有一樣網絡標號的電氣接線表明是連接在一起的。在原理圖過命名一樣的網絡標號使它們在電氣上屬于同一網絡，這樣可以使原理圖簡潔明了，不易出錯。（5） 編輯和調整a. 連線完成后，讓Protel99se自動標注，即選Tools/Annotate。當電路較復雜或是元器件的數目較多時，用手動編號的方法不僅慢，而且容易出現重號或跳號。重號的錯誤會在PCB編輯器中載入網絡表時表現出來，跳號也會導致管理不便。b. 原理圖畫好后，為了生成有效的網絡表，執行Edit/Ex

46、port to spread命令，檢查元件屬性和封裝形式。若有錯，可在表格直接進行屬性的修改，然后用File/Update更新電路原理圖文件。c. 對電路進行電氣法則測試，即選Tools/ERC。它可以檢測出設計過程中的疏漏之處和電氣連接錯誤，如未連接的電源實體、懸空的輸入引腳、輸出引腳連接在電源上等，執行測試后可以得到各種可能存在的錯誤報告，并且在電路原理圖中有錯誤之處打上記號以便修改。 （6） 保存文檔并打印輸出印刷電路板的設計：在完成原理圖的設計之后，接下來的工作就是繪制印刷電路板。3.2印刷電路板設計規則（1）元件的布局要遵循模塊化的設計思想，相關性較多的元器件要集中擺放。比如此次設計

47、中的單片機模塊，其中用于產生時鐘和復位的晶振Y1、電容C5、C6、C7靠近單片機放置，開關K1、K2、K3、K4靠近AT89C52放置。在保證電路板正常工作的前提下，盡量做到布局的美觀。電阻、二極管的放置方式分為平放和豎放。在電路板尺寸較大，而且電路器件數量不多時，采用平放較好；反之，采用豎放。這里，本次設計圖中器件較多，多采用的是豎放。（2）布線方向，從焊接面看，器件的排列方位要盡可能與原理圖保持一致，走線方向最好與電路圖走線方向相一致。因生產過程中常需要在焊接面進行各種參數的檢測，這樣操作就可以便于檢查、調試。布線的具體要求有：a.進出接線端布置。相關聯的兩引線端不要距離太大，一般為23/

48、10英寸左右；進出線端盡可能集中在1至2個側面，不要太離散。b.在保證電路性能要求的前提下，設計時應走線合理，少用外接跨線，走線盡量少拐彎,并按一定順序要求走線，力求直觀，便于安裝與檢修。（3）布線完成后，先用Protel99SE的DRC（設計規則校驗）查錯。若有錯，返回改正直到通過為止。本次印刷電路板設計中，操作過程如下：（1）規劃電路板：這里使用“創建向導” 創建PCB文件的方法來規劃電路板。即通過執行命令File/New，在彈出的New Document對話框中單擊Wizards標簽，雙擊對話框中的向導圖標Print Circuit Board Wizard進入文件創建向導，規劃電路板的

49、尺寸、輪廓、工作層面、標題欄信息、過孔和布線參數等。（2）調用網絡表：本次設計中采用調用網絡表的方法在PCB板中載入元件。實現過程如下：a.網絡表的生成網絡表是電路自動布線的靈魂，也是原理圖設計與印刷電路板設計之間的紐帶。網絡表的作用主要有以下兩點：一是網絡表文件可支持印刷電路板的自動布線與電路模擬程序；其次可以與最后從印刷電路板圖中獲取的網絡表文件比較，進行核對查錯。b.生成網絡表的實現步驟為：.執行Design/Create Netlist命令。.執行上條命令后，出現Netlist Creation對話框，進行對話框設置。.對話框設置完后，生成Protel99SE的記事本程序，保存.net

50、文件，即生成網絡表。載入網絡表文件時出現的錯誤與改正措施：a.找不到元件封裝：一般產生的原因可能有：印刷板（PCB）編輯器中沒有添加所需封裝元件的元件庫；或是在電路原理圖中元件沒有指定封裝形式；或是在已有的PCB元件庫中，找不到所需的封裝。我在實際設計中出現的錯誤大多由最后一種原因引起，有些元件的封裝是自己畫的，沒有添加到當前元件庫中，最后執行Design/Add/Remove Library添加后問題解決了。b.引腳遺漏：本次設計中，在調用網絡表時，出現提示找不到二極管引腳連接的錯誤，可原理圖中二極管與別的器件看起來各引腳都連接良好。反復檢查后才知道，在原理圖庫中二極管元件的引腳編號為A和K

51、，而其在PCB庫中選擇的封裝元件的引腳編號為1和2。由于兩者不統一而導致錯誤，我把二極管元件引腳重新編輯后錯誤消失了。（3）元件布局元件布局的方法有自動布局與手工布局兩種，這里采用手工布局的方法把各器件拖進設置好的板框。結合原理圖，根據各元器件間的連線把它們就近放置，以減少多條交叉線的出現。（4）布線電路板的布線通常采用自動布線和手工調整相結合的方法。本次設計中采用的是自動布線，布線完成率為百分之百。一般，對于交流供電導線，直流電源線和地線等需要事先布置一些走線，可預先進行手工布置。布好后，執行Auto Route/Setup,選中設置項Lock All Pre-route,對預布線結果進行鎖

52、定保護，這樣后續自動布線會跳開已預布好的這些線。而自動布線成功與否的關鍵所在是自動布線參數設置的正確與否，這些參數主要包括安全問題、導線拐角模式、布線工作層面、布線寬度、拓撲結構和優先級別等。最后對自動后的結果還需再次進行手工調整。3.3調試過程硬件調試的任務就是排除應用系統的硬件電路故障，包括設計性錯誤和工藝性故障。在繪制完成原理圖后做ERC電器規則檢查時出現了些許錯誤：如元器件沒有命名、元器件的命名和符號重復、導線與原器件之間無顧多出節點等。但經過一一的改正，最后做ERC檢查無誤。如圖3.1和3.2所示。在繪制PCB時也遇到了很多麻煩，導入網絡表后后出現了很多錯誤：如元器件沒有封裝、元器件

53、的封裝形式在Protel99se自帶的封裝庫中檢索不到、元器件的管腳順序與PCB封裝庫的形式不一致、比如在原理圖庫中二極管元件的引腳編號為A和K，而其在PCB庫中選擇的封裝元件的引腳編號為1和2。由于兩者不統一而導致錯誤，把二極管元件引腳重新編輯后錯誤消失了。自己制作元器件的封裝形式時應該在PCB的絲印層進行繪制。在導入網絡表時應該在禁止布線層繪制電路板的物理尺寸，否則會出在導入網絡表后無法布線。在布線完成后又進行了DRC設計規則檢查，出現了導線寬度違反了設計規則設定的最大值。改正后在進行DRC檢查一切正常。如圖3.3和3.4所示：ERC電器規則檢查： 圖3.1 ERC檢查 圖3.2 ERC檢

54、查DRC設計規則檢查：圖3.3 DRC檢查圖3.4 DRC檢查本系統的本振信號有555產生，555構成多諧振蕩電路。振蕩頻率為： 通過改變R1的參數即可改變振蕩頻率。R1我們選用500的可變電阻，進行調節，經過計算和后期調試，當R1的阻值約為460時，產生約為336KHz的振蕩頻率。并且通過中周可對選通頻率進行調節，當調節其諧波頻率與本振頻率一樣時，發送端輸出最高的頻率信號。后期進行調試中，當調節起諧波頻率與本振一樣時，發送端輸出最高的頻率信號。若傳數據：0xAA 10101010 調制后的信號如圖3.5所示：圖3.5電力載波方案4.軟件的程序設計前面主要敘述了編譯碼原理以與數據發送和接收的解

55、決方案，下面介紹其如何通過軟件實現病房呼叫系統。病房呼叫系統是應用在如醫院等領域。當某病房出現情況需要護士或醫生治療時，由病人按動按鈕，發出請求，通過電力載波發射器向電網發送，當服務臺接收到信號后，立即通過LED或電腦等裝置顯示出來，并由蜂鳴報警提示。工作人員得到提示后即可響應請求，通過這種方式可提高人員的工作效率以最快的速度得到響應，避免擔誤病情。根據上面所述的思想，當發送端即任意一個病房有請求時，按下按鈕如圖一中的K1至K4任何一個按鈕，則發送端將發送相應的編碼信號到電力線路上，通過電力線路傳送到位于服務臺的主機上去，通過解碼電路，單片機譯碼后讀出呼叫病房和床位，這時驅動蜂鳴器報警同時在LED上顯示出呼叫的病房和床位。當護士聽到報警后則按LED上的顯示的病房，即可響應病人的請求，同時按下主機上的已響應按鈕撤除報警，而且主機還能夠通過RS232接口將數據傳人PC機串口，方便計算機程序對病人數據建立數據庫進行管理。4.1程序流程圖與源程序程序流程圖如圖所示： 圖4.1編碼 圖4.2譯碼源程序見附錄4.2程序調試與仿真本論文采用KeilC51作為單片機的程序編譯環境，它的環境界面如圖4.1所示。與其它編譯環境相仿，具有打開文件、加載文件、編譯文件的功能，同時，Keil51還具有對程序的仿真功能，可以指定P