1 系统总体设计方案

图1 整体设计框图

该系统总体设计框图如图1所示。整个系统采用三级结构，即医院监控中心、病房主机和温度传感器。其中病房主机采用单片机AT89C52为主控单元，主要实现网络通信、温度采集和显示。网络通信是通过以太网转串口模块ZNE-100T实现的，每台ZNE-100T都可以设定IP地址和服务器IP地址，便于构成分布式测温网络。测温元件采用美国DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20，每个DS18B20都有惟一的ID号，体积小，可以封装成普通温度计大小，其拉线最长距离可达80 m，便于分布式安放在病人身上。温度数据可以在病房主机的液晶上滚动显示。医院监控中心和各病房主机之间的网络通信，采用C-S架构，病房主机每分钟向医院监控中心发送各路温度数据。医院监控中心接收来自各病房主机的数据，可以以曲线或者数字的方式实时显示各病人温度变化情况，并进行异常处理和相应信息记录，并且与病人数据库同步，及时提醒值班医生和护士关注病人情况。

2 硬件设计

2.1 单片机主控单元设计

单片机AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的FLASH和256B的RAM，片内置通用8位中央处理器，具备32个双向I/O口。其中单片机的P0口用于现场显示电路，采用点阵液晶显示模块LM6038D，可以滚动显示各个病人的体温;P1口用于接单总线数字温度传感器DS18B20;P2口用于现场控制电路，包括按键、指示灯等;P3口的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)用于和ZNE-100T的串口通信。系统采用5V供电。

2.2 单总线温度采集电路设计

DS18B20的测量范围为-55～+125℃;在-10～+85℃时，它的精度为±0.625℃，通过特殊处理，可以达到0.1℃。

图2 DS18B20的电路连接方式

单总线数字温度传感器DS18B20的电路连接方式主要有两种，如图2所示。该设计采用外接电源方式，如图2(b)所示。理论上单片机的每个端口可以接无数个DS18B20，但是单片机端口负载能力有限，P1口的每个端口(P1.0至P1.7)只能推动8个DS18B20。该设计中只用P1.0端口接了8只DS18B20。

2.3 以太网通信电路设计

ZNE-100T是采用RS 232接口(DB9接头)与单片机通信的，而单片机只能用TTL电平，因此，必须设计一个RS232转换电路与之通信。RS232转换芯片选用Maxim公司的MAX232E。其转换电路如图3所示。

图3 RS232与TTL电平转换电路

2.4 液晶显示电路设计

液晶显示模块采用拓谱微公司生产的LM6038D点阵液晶模块，该模块有128(列)×64(行)个像素点，另外每列多设计了4个像素点，实际上是132×64个像素点，分成9页。该设计充分利用了多出的4个像素点，做成了一个滚动条，通过按键可以操作滚动条，以便用户翻页查看显示的内容。

2.5 控制电路设计

该设计设计了两个按键，分别接在单片机的P2.0和P2.1引脚上，分别用于控制液晶显示屏滚动条的上下拉。还设计了两个指示灯，分别接在单片机的P2.2和P2.3引脚上，分别用于指示发送数据指示(红色发光二极管)和连网成功指示(绿色发光二极管)。

2.6 看门狗电路设计

为防止系统死循环，提高系统的可靠性，采用了MAX813L看门狗电路。其最大超时为1.6s，高电平复位，即RESET脚保持状态1.6s后就发一复位信号。因此，程序中必须每1.6s内改变RESET状态1次。

3 单片机程序设计

该系统单片机程序采用C语言编写。程序首先对硬件进行初始化，包括对单片机AT89C52寄存器的初始化、DS18B20内部RAM的初始化、液晶显示模块LM6038D的初始化以及对以太网通信模块ZNE-100T的初始化。程序通过分时法轮流采集8只DS18B20的温度读数，并实时在液晶上显示，用户通过操作按键可以翻页查看8只DS18B20的温度数据，单片机每隔1min通过串口把8路温度数据打包后发送给以ZNE-100T，ZNE-100T、实时把数据传输到医院监控中心。系统流程图如图4所示。主要的子程序有：DS18B20驱动程序、液晶显示驱动程序和串口和网络通信驱动程序。

图4 系统流程图

3.1 DS18B20驱动程序设计

单总线通信时只需要1根信号线，并严格按照特定的时序要求逐位交换信息，主机和从机允许数据双向传输，但在同一时刻数据的传输只能是一个方向的。

(1)初始化时序

初始化时CPU首先发出一个复位信号将单线总线上所有DS18B20复位;然后释放总线，改成接收状态，单线被上拉电阻R拉成高电平。在检测到此上升沿后，DS18B20需要等待15～60μs才向CPU发出响应脉冲，此后便可对ROM，RAM进行操作。

(2)读/写时序

①写时序。CPU把I/O线从高电平拉至低电平时，作为一个写周期的开始。写时序包括2种类型即写1时序和写0时序。

②读时序。当CPU将I/O线从高电平拉成低电平时，就作为一个读周期的开始，并且I/O线保持低电平至少为1μs。DS18B20的输出数据至读时序下降沿后的15μs内有效。经过15μs后读时序结束，I/O线经外部上拉电阻又变成高电平。读/写1位数据至少需要60μs，并在两位数据之间至少要有1μs的恢复期。读/写1位数据时序的波形如图5所示。

图5 读/写1位数据时序的波形

3.2 液晶显示驱动程序设计

利用点阵液晶显示模块LM6038D的串口模式控制工程网版权所有，其时序图如图6所示。

图6 LM6038D串口模式时序图

LM6038D的显示驱动程序包含了字符库，由于系统只是简单地显示温度数据，所以字符库做的比较小，只有“0～9”，“.”，“：”，“℃”，“+”以及“-”的字符编码，采用16×16的字符大小。液晶每一页只显示4路DS18B20的数据，通过两个按键可以上下翻页查看其他DS18B20的数据。数据显示格式：“1：+36.7℃”。

3.3 串口和网络通信驱动程序设计

单片机和ZNE-100T‘模块之间通过RS 232接口通信，采用中断的方式进行串口通信。单片机串口初始化波特率为9600 b/s，单片机在初始化时，就先通过串口对ZNE-100T进行初始化操作，包括设置服务器IP地址，本机IP地址、网关、掩码以及服务器端口号等，连网成功后，绿色发光二极管会亮起。单片机单元加上ZNE-100T模块，就构成了病房主机，它和医院监控中心之间的通信协议如下：

每个病房主机都有一个ID号。单片机每隔1min把采集到的8路温度数据按照通信协议打包之后通过串口发送给ZNE-100T，ZNE-100T则通过网口把数据发送到医院监控中心，此时红色发光二极管会不断的闪，表示正在发送数据。

4 医院监控中心

医院监控中心包括数据库和监控平台。数据库记录从个病房主机发过来的病人的体温数据，并且与病人的其他数据库同步，便于医生分析病人的病情变化。监控平台则实时显示各床号病人的体温数据，并对体温变化异常的病床号进行预警，同时显示相应的编号和床位信息，提示医护人员注意检查病人身体状况。

5 测试结果和实际使用情况

(1)DS18B20温度测量精度

在测试过程中选用了水银体温计同时测量温度，以检验DS18B20的测量精度。在此测量20次体温，DS18B20的测量结果和水银体温记的测量结果基本一致。

(2)监控中心温度显示

在实际测试过程中，用5台病房主机和监控中心组成了一个测试网络，可以在监控中心实时看到各病房主机发送过来的温度数据，每路温度数据都可以以曲线或者数字的方式显示。

结束语

实践表明，该系统可以稳定地测量多个人体温度，可以正常与监控中心通信，并且可以实时地在病房主机上显示测量的温度数据。该系统具备稳定性好，成本低廉，采用单总线测温技术和以太网通信技术，便于实现分布式温度测量，可以作为子系统模块在医院信息系统中应。