基于PLC的病房呼叫系统

电气控制与PLC

课程设计说明书

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成绩： 题 目： 基于PLC的病房呼叫系统

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目录

1、系统概述 ..................................................................................................................................... 3

1.1病房呼叫系统的应用背景和意义 .................................................................................... 3 1.2设计任务及其要求 ............................................................................................................ 3 2、方案论证 ..................................................................................................................................... 4

2．1方案一基于单片机的方案设计 ...................................................................................... 4 2．2方案二基于PLC的方案设计 .......................................................................................... 5 2.3方案比较 ............................................................................................................................ 6 3.硬件设计....................................................................................................................................... 6

3.1系统的原理方框图 ............................................................................................................ 6 3.2I/O分配 .............................................................................................................................. 7 3.3I/O接线图 .......................................................................................................................... 8 3.4元器件选型 ........................................................................................................................ 9 4.软件设计....................................................................................................................................... 9

4.1主流程 ................................................................................................................................ 9 4.2梯形图 .............................................................................................................................. 10 5.系统调试..................................................................................................................................... 12 设计心得......................................................................................................................................... 16 参考文献......................................................................................................................................... 16

1、系统概述

1。1病房呼叫系统的应用背景和意义

随着科学技术的发展，越来越多的智能化设备在医院里得到运用，而目前国内外的呼叫系统都选用无线网络，受到地域的限制和环境的限制。信号接收不是很好,这样可能病人没办法及时找到医生，造成病人病情的恶化。本次设计的病房呼叫系统能及时的将病人的求助迅速而准确的通知医护人员，以便及时得到救治。它的使用既可以方便病人，又可以减少医护人员的巡查次数，减轻其劳动强度，因而在临床上得到普遍的应用。

1。2设计任务及其要求

设计任务：

本课程设计主要用于医院的病人有紧急情况而又自己不方便的时候呼叫护士站寻求帮助，护士站根据站内指示灯获取求助信息的来源,并能及时的给其提供帮助.护士在站内发现信号时及时将站内指示灯复位，然后在处理完病人的需求后将病人床头指示灯及病房门口指示灯复位.设计的主要内容包括：（1）设计系统的原理方框图、I/O分配、I/O接线图等；(2)设计主流程图、梯形图；(3）进行系统的调试,完善自己的设计。

设计要求：

（1）共有3个病房,每间病房4个床位。每一病床床头均有紧急呼叫按钮及重置按钮，以利病人不适时紧急呼叫.

（2）设每一层楼有一护士站,每一护士站均有该层楼病人紧急呼叫与处理完毕的重置按钮。

（3）每一病床床头均有一紧急指示灯，一旦病人按下紧急呼叫按钮且未在5s内按下重置按钮时，该病床床头紧急指示灯动作且病房门口紧急指示灯闪烁，同时同楼层的护士站显示病房紧急呼叫并闪烁指示灯.

(4）在护士站的病房紧急呼叫中心,每一病房都有编号，用指示灯显示哪一病房先按下病人紧急呼叫按钮，并要具有优先级判别的能力。

（5）一旦护士看见护士站紧急呼叫闪烁灯后，须先按下护士处理按钮以取消闪烁情况，再依病房紧急呼叫顺序处理病房紧急事故，若事故处理妥当后，病房紧急闪烁指示灯和病床上的紧急指示灯方可被重置。

2、方案论证

2．1方案一基于单片机的方案设计

用8051自身接口实现数码管静态显示和键盘扫描，使用8051单片微机外加作地址锁存用的四块8三态锁存器74LS373芯片和一块74LS138芯片可构成一个完整的最小微机电路.以此为基础，在智能装置中若要配置多位数码管显示器，以及m行n列矩阵键盘的话,可以不扩展I/O芯片而由8051自身I/O口，实现上述功能， 即用P0口的八个端口作为LED的段选,用P2口的高三位连接一个三八译码器74LS138 作为四个LED的片选。用P1口和P2口的低五位做键盘电路的接口，系统结构图如图（1）所示。

输入部分键盘输入控制器AT89C51输出部分LED显示 图(1）

单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今已有30余年，其已发展为上百种系列的近千个机种。运用单片机控制方案，单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机，但由于本身无自开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件,以及对硬件系统进行诊断。该方案的优点是：（1）成本较低。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低.(2）可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。（3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。其缺点为：（1）系统硬件设计相对比较复杂,运用该方案,该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。(2）系统的抗

干扰能力相对较差，在系统设计中,虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。(3)系统需要自己设计电源，而且不能保证系统的可靠运行。（4)维护维修相对比较麻烦,维修需要的时间也相对较长。

2．2方案二基于PLC的方案设计

PLC是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置。作为面向用户的工业控制计算机，具有很多明显的特点：

(1）可靠性高，抗干扰能力强。可靠性是控制装置的生命.微机虽然具有很强的功能,但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电磁波动、机械振动、温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作.而PLC在电子电路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产厂家长期积累的生产控制经验,主要模块均采用现代大规模与超大规模集成电路技术，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗振等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些都使PLC具有较高的抗干扰能力.另外,传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器、触头和接线，难免接触不良，因此容易出现故障。而PLC采用微电子技术,大量的开关动作由无触头的开关器件来完成，用软件代替大量的中间继电器和复杂的连线，仅剩下与输入和输出有关的少量接线，因此PLC寿命长，可靠性大大提高

(2）.功能完善,通用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合,要改变控制功能只需改变程序即可，具有较强的通用性。PLC的输入/输出系统功能完善、性能可靠,能够适应各种形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出.不仅具有开关量逻辑控制功能和步进、计数功能，而且还具有模拟量处理、温度控制、位置控制、网络通信等功能。既可单机使用，也可联网运行；既可集中控制，也可分布控制或者集散控制，并且在运行过程中,可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。

（3).编程简单，易于掌握.PLC通常采用与继电器控制电路图非常相似的梯形图作为编程语言,它既有继电器控制电路清晰直观的特点，又充分考虑到电气工

人和技术人员的读图习惯。对使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识,因此,易学易懂，控制改变时，也容易修改程序。

（4）.使用简单,调试维修方便。PLC的接线极其简单方便，只需将输出设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输出端子连接.PLC的用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用开关模拟，输出信号可以利用PLC的输出指示灯进行模拟调试.然后再将PLC在现场安装调试，这样比调试继电器控制视系统,一旦发生故障，能很快排除故障。所以PLC使用简单,调试、维修都很方便。

（5).体积小质量轻、功耗低。由于采用了单片机等集成芯片,其体积小、质量轻、结构紧凑、功耗低。

2。3方案比较

总体来说，单片机方案虽然成本相对较低,但是运用单片机的控制系统抗干扰能力差，故障率高，不易扩展。同时虽然外围电路简单，但是软件实现起来太复杂。而运用PLC控制抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展维护，开发周期短，所以我本次采用方案二。

3.硬件设计

3.1系统的原理方框图

输入部分按钮PLC输出部分LED显示

图（2)系统的原理方框图

3.2I/O分配

X0 1号病房1床启动开关SB1 Y0 X1 1号病房1床重置开关SB2 Y1 X2 1号病房2床启动开关SB3 Y2 X3 1号病房2床重置开关SB4 Y3 X4 1号病房3床启动开关SB5 Y4 X5 1号病房3床重置开关SB6 Y5 X6 1号病房4床启动开关SB7 Y6 X7 1号病房4床重置开关SB8 Y7 X10 2号病房1床启动开关SB9 Y10 X11 2号病房1床重置开关SB10 Y11 X12 2号病房2床启动开关SB11 Y12 X13 2号病房2床重置开关SB12 Y13 X14 2号病房3床启动开关SB13 Y14 X15 2号病房3床重置开关SB14 Y15 X16 2号病房4床启动开关SB15 Y16 X17 2号病房4床重置开关SB16 Y20 X20 3号病房1床启动开关SB17 Y21 X21 3号病房1床重置开关SB18 Y22 X22 3号病房2床启动开关SB19 Y23 X23 3号病房2床重置开关SB20 Y24 X24 3号病房3床启动开关SB21 Y25 X25 3号病房3床重置开关SB22 Y26 X26 3号病房4床启动开关SB23 Y27 X27 3号病房4床重置开关SB24 Y30 X30 1号病房重置开关SB25 Y31 X31 2号病房重置开关SB26 Y32 X32 3号病房重置开关SB27 Y33 X33 护士站1号病房重置开关SB28 Y34 X34 护士站2号病房重置开关SB29 Y35 X35 护士站2号病房重置开关SB30 Y36

表(1）I/O分配表

1号病房1床指示灯 1号病房2床指示灯 1号病房3床指示灯 1号病房4床指示灯 2号病房1床指示灯 2号病房2床指示灯 2号病房3床指示灯 2号病房4床指示灯 3号病房1床指示灯 3号病房2床指示灯 3号病房3床指示灯 3号病房4床指示灯 1号病房指示灯 2号病房指示灯 3号病房指示灯 护士站1号病房1床指示灯 护士站1号病房2床指示灯 护士站1号病房3床指示灯 护士站1号病房4床指示灯 护士站2号病房1床指示灯 护士站2号病房2床指示灯 护士站2号病房3床指示灯 护士站2号病房4床指示灯 护士站3号病房1床指示灯 护士站3号病房2床指示灯 护士站3号病房3床指示灯 护士站3号病房4床指示灯 护士站1号病房指示灯 护士站2号病房指示灯 护士站3号病房指示灯 SB17SB14SB16SB19SB20SB21SB22SB23SB24SB25SB27SB3SB13SB10SB11SB12SB15LNCOMX0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16X17X20X21X22SB18X23X24X25X26X27X30X31X32X33X34X35SB26SB29SB30SB28SB7SB8SB2SB1SB5SB6SB4SB9 FX2N-80MR24V24GCOM0Y0Y1Y2Y3COM1Y4Y5Y6Y7COM2Y10Y11Y12Y13COM3Y14Y15Y16Y17COM4Y20Y21Y22Y23COM5Y24Y25Y26Y27COM6Y30Y31Y32Y33COM7Y34Y35Y363.3I/O接线图

AC220V图（3）

3.4元器件选型

1．PLC的选型。

因为本次设计输入口共用了30个，输出口用了30个。根据PLC的选取规则要保留15％左右的备用I/O口,所以至少要选择80个I/O口的PLC。根据经济与适用的原则,PLC的生产厂家主要是三菱，台达，西门子等。在经济与适用之间平衡，选择相对便宜,性能稳定可靠的三菱FX2N—80MR。

2。指示灯的选择.

病房指示灯的选择：考虑到病房指示灯的亮度对病人休息的影响，所以病房指示灯的选择其功率不宜过大，因选择亮度较小功率小的LED灯，所以发光二极管选择型号为：IN4007SOT—23 。发光二极管的压降为1.7～2.5V,工作电流为10~20mA， 其使用的工作电源为PLC自带的24V电源,要发光二极管正常工作得串联一个电阻，根据工作电流（以10mA计算）与工作电压24V可计算串联的电阻大小为2.4KΩ。

护士站指示的选择：因护士站指示灯的选择是要提醒护士有病人呼叫，所以应选择亮度功率较大的指示灯，所以其工作电压使用PLC自带的220V电源，指示灯的选择为：AD38—22B-R/08，其光源为红色LED光，工作电压为AC,DC220V（交直流双用）.

类型 PLC 病房指示灯 护士站指示灯 按钮 品牌 三菱 长电 先泽 正泰 表（2）

型号 FX2N—MR80 IN4007SOT—23 AD38-22B—R/08 NP4—22BN/4 数量 1 15 15 30 4。软件设计

4。1主流程

根据本次设计要求的逻辑顺序，病人按下病人床头的呼叫按钮，定时器开始计时5秒，若5秒内按下重置按钮,指示灯不亮；否则病人的床头指示灯闪烁,同

时病房门口的紧急指示灯闪烁，护士站对应的病房指示灯闪烁。护士看到指示灯闪烁后，根据指示灯闪烁的先后顺序，按下重置按钮，然后去对应病房处理，处理妥当后,按下病人床头的重置按钮。由此绘制出程序流程图如图（3)所示.

开始按下病人床头按钮定时器5秒计时是5秒内是否重置否病人床头指示灯闪烁对应病房门口指示灯闪烁护士站对应病房指示灯闪烁护士按下重置按钮护士去对应病房处理处理妥当后，重置病人床头及对应病房指示灯结束图（4）主流程图

4.2梯形图

下图是一号病房四个床位对应的病房呼叫系统的梯形图设计，二号、三号病房的于此类似。

图（5)梯形图

5.系统调试

本次设计的系统调试我通过GX Works2进行仿真调试，调试结果如下： (1)当按下1号病房1床按下紧急按钮且5s内没有按下重置按钮，病人床头灯闪烁，同时对应的病房门口的灯和护士站灯也开始闪烁，仿真结果如图(6）所示.

图（5）

（2）当护士站护士看到指示灯闪烁后，将灯复位，并去对应病房处理,仿真结果如图（7)所示。

图(7）

（3）当护士去病房将病人的需求处理妥当后，按下对应病人床头的以及对应病房门口的灯的重置按钮,仿真结果如图(8）所示。

图（8）

(4）当有两个或多个病人都按下紧急按钮时且5秒内未按下重置按钮,其对应的紧急呼叫灯闪烁，护士根据指示灯开始闪烁顺序,依次去对应病房处理，仿真结果如图（9）所示。

图（9)

设计心得

经过自己的努力，课程设计已经做完了.通过调试发现自己做的设计总体来说满足设计要求。为了尽可能的满足设计任务与要求，本设计的PLC选型上我采用了有80个端子的三菱FX2N-80MR，不仅能及时把病人的呼叫信息传递给护士，还能让护士能准确的了解到是哪个病房的哪个床位的病人需要帮助.通过这次设计实践,我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的掌握都是理论知识上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题,我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。我感觉课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程,“千里之行始于足下”，通过这次课程设计,我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计,学会脚踏实地迈开这一步,就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

参考文献

［1］任胜杰。电气控制与PLC系统（第一版）北京：机械工业出版社 ［2］龚仲华.PLC应用技术[M]．北京：人民邮电出版社，2011.1.4. [3]廖常初主编.PLC编程及应用[M］。北京:机械工业出版社，2007。 ［4]黄永红主编。电气控制与PLC应用技术［M］ 北京：机械工业出版社,2014。2.4。

[5］王淑梅。基于PLC的病房智能呼叫系统研究与设计［D]。南京理工大学硕士论文，2014。