病房环境实时监控系统的设计

罗甫东 李晶 涂天力 刘俊锋 陶梓隐 杨浩 刘永俊

摘 要：病房作为病人生活的处所，环境监控显得尤为重要。文章阐述的系统以51单片机为内核组成一个病房环境实时监控系统，具有病房环境检测、显示和报警功能，同时从人性化考虑增加了屏蔽报警的特色功能。本系统能有效监测病房的环境质量，改善病人和医护人员的生活工作条件，有利于病人的身心健康。

关键词：单片机;病房;实时监控;传感器

0 引言

科技的进步让人们足不出户就可以正常工作和生活，使得人们室内活动的时间增多，对病人来说更是如此。疫情期间，医院病房内的病人持续增加，有必要研究一个比较灵活可靠，简单易用的系统，让病人也能实时了解病房的环境状况以及自身的健康状况。

之前的检测系统是通过单片机加上传感器经过一个特定的程序进行编程使之能够进行环境监控[1]，通常是整个c文件，功能比较单一，且裁剪和添加功能步骤较为烦琐。本系统是通过一系列的硬件头文件函数，加上c文件中的主函数对这些硬件函数的调用来实现的，这样的设计使得这个系统可以根据自己的需求方便地增加和删减一些功能，系统的实用性也会大大增强。

1   器件选择

器件选择的原则是性能足够保障系统正常运行，能实现该系统所设计的功能，同时需要考虑价格的问题。该系统所涉及的硬件有单片机，各种类型的传感器、显示器件等。

AT89C51单片机具有2K字节闪存可编程可擦除只读存储器，能进行传感器数据的处理，同时具有32个I/O口[2]，满足该系统中接口的需求，数据处理可行。

传感器的性能指标包括量程、工作环境、电压电流参数以及测量时间等[2]。选用的传感器必须满足以上这些性能指标以保证该系统能够正常工作，再根据传感器的价格和系统设计简便的原则进行选择。根据这些原则，选择的器件有：AT89C51单片机、温湿度传感器DHT11、二氧化碳传感器MH-Z19B、心率传感器ST188、LCD1602液晶显示屏[3]、蜂鸣器和其他必要器件。

2 系统设计

该系统基于AT89C51单片机设计，采用DHT11温湿度传感器来采集环境温度，MH-Z19B二氧化碳传感器采集二氧化碳浓度数据，ST188心率传感器采集心率，最后将这些数据送入单片机，控制LCD1602显示、蜂鸣器和报警灯报警。考虑到该系统的简便易用，特意设计两个按钮：报警屏蔽按钮，用以在特殊的时候屏蔽报警时蜂鸣器发出的声音;模式转换按钮，用来以转换检测模式以实现一些附加功能。

2.1  信息采集电路

用DHT11传感器作为温湿度采集电路的传感器。DHT11是一款数字信号输出的温湿度传感器，是由湿敏电阻和温敏电阻构成。这个传感器有3个引脚，首先需要用单片机向其DATA脚发送采集温湿度命令，然后该传感器就将当前的温湿度值以特定的编码从DATA脚返回到单片机中。

用MH-Z19B传感器作为二氧化碳采集电路的传感器。MH-Z19B是一款红外技术的传感器，能够以脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）和串口方式等多种方式传输数据，该系统采用串口方式传输数据。

用ST188传感器作为心率采集电路的传感器。ST188采用光电原理，将心率转换为脉冲信号，为了方便模拟，便采用方波电源进行模拟。

2.2  报警、显示电路

用蜂鸣器报警，LED灯显示报警信息，其中加有按键屏蔽蜂鸣器报警，如图1所示。使用LCD1602作為显示器，单片机传输的显示数据通过移位寄存器传输到显示器中实现显示功能。

2.3 单片机控制电路

单片机是整个系统的控制核心，负责传感器数据的处理以及各项环境指标的显示和报警，单片机控制外围设备，P0.0口接入心率采集电路，P1.0口接入温湿度采集电路，P2口接入显示电路和报警电路，P3.0口和P3.1口为单片机的串口，负责与二氧化碳传感器交互数据，P3.3口设置了模式转换按钮，可以转换显示模式。

3 仿真模拟

启动电源，如图2所示，显示屏显示“WELCOME”;然后采集室内温度、湿度与二氧化碳浓度数值，循环更新显示，如图3—4所示;按下模式键后，如图5所示，约等3秒后显示心率值，再次按下模式键即可回到第一模式。该设计反映了实时监控的可行性。综上所述，本系统实现了主要功能：显示温度、湿度与二氧化碳浓度数值，报警提醒值班人员。通过Proteus软件仿真，达到上述要求，满足设计目的。采用Proteus进行电路图的绘制仿真，Keil进行编程，实现应有的功能。

4 结语

本文设计了基于MCS51单片机的病房环境实时监控系统。本系统功耗低、可靠性强，并且简单易用。根据实际需要本系统可以检测多种实时信息，如：温湿度、心率、二氧化碳的浓度的监测等，并且可以在特定环境中实现定时监测或多点监控。当有新的环境参数被要求测量时，可灵活增加节点，扩展性强。作为一种方便快捷的检测手段，除了可做病房环境监测之外，也可以适用于其他场合，具有重要的广泛应用价值。

[参考文献]

[1]黄华德.基于人机工程学的医院病房环境研究与设计[D].南昌：南昌大学，2005.

[2]余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[3]徐兰.基于单片机的智能温度检测控制系统设计[J].电子测试，2020（6）：29-32.

（编辑 王雪芬）