数字电路课程设计病房呼叫系统.doc

安徽新华学院2011届本科毕业论文（设计） 本科毕业论文（设计）题目：基数字电路的病房呼叫控制系统的设计与仿真姓 名： 康健升 学 号： 1142053118 专 业： 通信工程 院 系： 电子通信工程 指导老师： 王静 职称学位： 本科学士 完成时间： 2015年4月 教务处制安徽新华学院本科毕业论文（设计）独创承诺书本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。毕业论文（设计）作者签名： 日期： 2015年4月 安徽新华学院2011届本科毕业论文（设计）基数字电路的病房呼叫控制系统的设计与仿真摘 要本设计是基于数字电路的7路病房呼叫控制系统的设计与仿真。主要采用主从模块设计，显示监控模块放置在医生值班室内，当病房有呼出请求时会出现声光报警，同时在显示器显示病床的床位号。按键放置在每个床位附近，当病人需要医生求助时按下床边的按键，医生值班室会响起提示声同时显示相应床位的数字号，在病人哪边会亮起指示灯。本设计还解决多个病人同时需要救助的问题，当该情况发生时，最严重的病人的病号会优先被显示。采用模块设计思想，分为三个主要功能模块：呼叫模块，优先选择模块，译码显示模块，通过这些模块共同完成本电路的功能实现。本设计分为三个主要功能模块：呼叫模块，优先选择模块，译码显示模块。其中运用了10线-4线优先编码器74LS147来实现优先选择模块主要功能，译码器74LS48和共阴级七段数码管来实现译码显示模块，呼叫模块由7个按键组。关键词：病房呼叫；主从模块；数字电路Base word ward call control system design and simulation of the circuitAbstractThis design is based on the digit circuit which is NO.7 hospital call alarm control system design and simulation. Main use principal and subordinate building block design, the control monitor place in the doctor duty room ,when the sickroom has call for help that will appear sound-light alarm and at the same time the display will show the BedID .And the button is place in the beside of the bed when the patient call the doctor for help just need press the button ,the duty room will ring out alarm song and show the accordingly BedID ,and on the other side also will light indicator light .Ours design also can solve many patients call for help meanwhile ,when this condition happened ,the most seriously patients BedID will show at the first time .Use building block design inwardly ,divide into three main funcition modules ,such as the calling module ,the priority pricessing module and the coding display module ,through these modules to accomplish this design . This design divide into three main funcition modules ,such as the calling module ,the priority processing module and the priority processing module .And apply 10-4 line 74ls147 priority encoder to realize coding display module funcition and decoder 74ls48 and Yin grade seven segment digital tube to realize coding display module and calling module is made up of seven buttons .Keywords: Hospital calling ；Principal and subordinate module；Digit circuit 2安徽新华学院2011届本科毕业论文（设计）目 录1 绪 论12 课程设计及任务要求 22.1 设计任务 22.2 任务要求 23 系统设计 23.1 方案设计 33.2 系统设计 33.2.1 结构框图及说明33.2.2 系统原理图及工作原理53.3 单元电路设计 73.3.1 单元电路工作电路73.3.2元件参数选择134 软件仿真 144.1 仿真电路图144.2 仿真过程 154.3 仿真结果 16 5 安装调试 195.1 安装调试过程195.2 故障分析206 结 论 216.1 对于病房呼叫系统的仿真设计 217 使用设备仪器清单22收获、体会和建议 22参考文献 231 绪 论病房呼叫系统的工作内容是当有病人需要帮助时按下床边的按键请求医生或值班护士前来进行诊断或着护理的紧急系统,该系统是提高医治服务和护理水平，效率的必备仪器。能迅速将请求信号传送给医生或值班护士，执行的效率直接影响到患者的生病安危，一直受到各大医院的高度重视。它要求迅速、准确、可行、便于推广。本设计采用的模块是主从结构运行方式为管控，系统的显示装置在医生或者值班护士室内，当值班室的显示仪显示数字，并伴随着有呼救声，说明有患者需要求助，原因是病人按下床边的呼救按键，向值班室发出呼出，只有当医生或者值班护士前来诊断后才会取消。本病房系统分为三个模块层次：译码显示模块，呼叫模块，优先选择模块。通过这些模块一起运作完成功能的实现。其中运用了74系列147D(10线4线)来实现优先选择模块的功能，译码显示模块则由74系列48N与共阴极数码管共同组建完成功能通过本次对该设计电路的规划，焊接，调试，增强了对各种电子元器件，仪器的使用程度和方法，熟练了数字电路和不同种类单元电路的原理，模式，焊接技巧和整体电路调试方法等知识；不仅曾强了对数字电路理论知识的普掌握，还曾强了动手能力，为以后从事本专业工作奠定坚实的技术和理论基础。242 课程设计任务及要求2.1 设计任务设计一个基于数字电路的病房呼叫控制系统的设计与仿真。2.2 设计要求（1）系统能在需要的时候正常工作，在不需要的时候保持待机。（2）当病床按键被按下时，直到医务人员前来之前保持显示，声音提示（3）当护理人员处理完最严重的患者（最高级选择）后，自动根据患者严重程度（优先级）提示其余的呼救患者的病号。第3章 系统设计 3.1 方案论证 能完成该功能的方案有很多种，大部分由多种电路混搭而成，这里提供了两种方案供选择：1：以C为基础的单片机单片机是整个核心控制元件，利用C语言对其功能进行设计。其优点是利用软件设计代替了硬件设计，使其硬件的功能设计不再仅受限于硬件本身，从而变得更加的灵活，多样，也很大程度降低硬件单元焊接的难度。其缺点是稳定性较差，使用受到限制，同时要与有接口设备使用，总体来说价格，制造，维修较难。 方案2：利用数字逻辑电路控制方案数字逻辑电路控制系统主要由各种逻辑元件组成，其中包括译码器，编码器，门电路等。这些元器件成本低，体型小，综合性能高，缺点是电路构成不简单，后期管理较难本次设计，采用的是第二套方案即数字电路控制方案，与C语音单片机软硬件方案相比，具有价格低，体积小，元件少，可靠性高，稳定性好等特点。3.2 系统设计3.2.1 结构框图及说明病人发出呼叫信号优先选择模块：对信号进行优先编码译码显示模块：对信号进行译码并显示床号病床处点亮指示灯，值班室发出声音同时显示床位号医护人员将所有的病人处理完以后，将所有呼叫开关断开病房处的指示灯熄灭，按键复原译码显示模块：数码管熄灭，待命 图3-1病房控制的结构图图 3-2 病房控制系统的系统流程图 3.2.2 系统原理图及工作原理病房控制原理图如下所示:图3-3病房控制的设计图工作原理：病房控制系统通过这些模块一起运作完成功能的实现。其中运用了74系列147D(10线4线)来实现优先选择模块的功能，译码显示模块则由74系列48N与共阴极数码管共同组建完成功能 信号呼叫（1个至7个）由呼叫模块的各个按键发出使相应的床号显示灯亮起。接着信息被送到编码器模块中，编码器将优先级最高的病人挑选出来，信息被送到译码器：跟着蜂鸣器发出蜂鸣声，信息被送到译码器74LS48N中，译码器与其他逻辑电路组合将信息显示在数码管中，即显示病人的床号。并由共阴极七段数码管显示出来。当病人被护理完以后，断开病房的按钮，此时系统将显示下一名较高优先级的病患床号或者进入待命状态。3.3 模块电路设计3.3.1 模块电路工作原理(1)呼叫显示模块的设计当一个或者多个病人同时进行呼叫开关，开启各自支路的呼叫模块，从而开启整个病房呼叫系统。呼叫模块采用手动开关驱动，低电平有效，并且每条支路加了限流电阻（100欧姆）为了使得模块能正常工作同时保护电路。当一名或者多名病人开启各自的呼叫开关时，其对应支路接通，初始的高电平变为低电平，对应的支路显示灯会亮起，并且同时将有效信号传到优先选择模块。根据要求，呼叫模块的设计如下图 3-4所示：有效信号传到优先选择模块100欧姆电阻保证电路运行和保护电路1-7按键部分图3-4 呼叫模块设计图（2）优先选择模块设计根据设计要求，共阴极数码管要优先显示优先级别最高病房的呼叫信号，所以我们要对所有病房呼叫信号进行优先选择并输出。在本次设计中，7号病床为优先级最高，然后依次是6，5,4,3,2,1号病床。本次设计应用了10线-4线优先编码器（74LS147）进行此功能的实现。其接受信号为低电平有效，输出的编码为反码形式。10线-4线优先编码器（74LS147）真值功能表如下所示：表3.1 10线-4线优先编码器（74LS147）真值功能表其中第15脚NC为空。74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。某个输入端为0，代表输入某一个十进制数。当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。74LS147优先编码器的输入端和输出端都是低电平有效，即当某一个输入端低电平0时，4个输出端就以低电平0的输出其对应的8421 BCD编码。当9个输入全为1时，4个输入出也全为1，代表输入十进制数0的8421 BCD编码输出。下图为优先选择模块的电路图：四位BCD逻辑电路非门：对编码器的输出进行反向，为译码器提供有效信号优先编码器：对呼叫模块的信号进行处理图3-5 优先选择模块电路图（3）译码显示模块设计先由编码模块将10线-4线优先编码器（74LS147）输出的四位二进制编码转换成病床号所对应的BCD码，再将BCD码输入到译码器（74LS48）并由七段共阴极数码管显示病床号数字。其流程图如下：编码魔抗即使那个其翻译成该病床位对应的BCD码74LS48进行译码优先编码器输出四位二进制编码该床位的四位BCD码共阴极七段数码管显示该病人床号图3-6 译码显示模块设计流程图a. 译码模块设计因为优先选择模块输出的四位二进制编码不是所需的病床号码，所以要用译码器74LS48将10线-4线优先编码器（74LS147）输出的四位二进制编码转换成病床号所对应的BCD码。译码模块是由基本逻辑门设计而成的小规模逻辑门电路，于是得出输入输出真值转换表，如下：表3.2 74LS48真值转换表根据表3.2可以列出逻辑式：D= ABC+ABC+ABCE= ABC+ABC+ABCF= ABC+ABC+ABC化简得：D= ABC+ABE= AB+ABCF= BC+AC由上述的逻辑关系式，能设计出如下译码模块逻辑电路图：图3-7 译码模块逻辑电路图b.共阴极数码管显示模块通过译码器模块处理后的信号成为了与病床相对应的BCD码，将该BCD码输入到数码管显示模块，然后正确的呼叫床号会显示出来。数码管显示模块由七段字形译码器（74LS48），共阴极七段数码管以及一些逻辑非门和限流电阻组成。其功能是将输入的BCD码以十进制数字的形式显示在七段数码管上，显示模块如下图所示： 图3-8 显示模块显示功能电路图当无病房呼叫时，同时74LS147为无有效信号输入。当有病人呼叫时，同时74LS147为有效信号输入，病房呼叫系统得以启动。蜂鸣器是一体化结构的电子讯响器，可采用直流电压供电，并广泛应用于计算机、复印机、打印机、电子玩具、报警器、汽车电子设备、定时器、电话机等电子产品中作发声器件。我们本次设计就是用这种设备来实现发声的装置，外形常见一般为呈圆柱状，下面的两针长短不同长的就为正极，短的为负极，我们只要在正负极加上正向电压其便可以发出声响，负极接地就行。3.3.2 元件参数选择1电阻电阻作用是限制电流大小，保护电路的正常工作，所以要正确计算出所需电阻原件的阻值大小。使用前电阻阻值要进行检测阻值，目的检查阻值是否正确。2电容电容是组成电路的基本元件之一,是能储存电能的元件,在电路中起到隔断直流、藕合、旁路等作用。电容器主要分为瓷片电容和电解电容等。其电容的电量均标注在电容器表面，常见的标注单位有F、xxn或直接用数字标注。电解电容：一般范围是14700F。瓷片电容：一般范围是1pF0.47F。例如，某品牌电容，容量标注值为10N，它的实际值为0.01F（1N=1000pF），同时也可以标注为 103，它有两位有效数字，第三位数是有效零位数，即103=10000pF，它是和10N是等价的。第4章 软件仿真 4.1 仿真电路图 图4-1 待机情况下的病房呼叫系统仿真电路图4-2 工作情况下的病房呼叫系统仿真电路4.2 仿真过程1.仿真方法介绍：（1）按照任务书上要求，结合题型目的，画出相应电路框图，根据电路图选择器件来连接电路。（2）设计各个模块的功能以及详细的电路连接方法。（3）先在MULTISIM10中将各个模块连接到一起,注意检查各个部分是否连接正确和连接端是否连接良好。 （4）检查设计思路以及电路是否接触良好，按照设计的框图原理，检查仿真电路与原理图是否吻合。如果不吻合则需要将其逐个问题解决，直到所有的问题都解决了为止，反之可以进行下一步。（4）单击运行按键进行运行仿真。（5）根据仿真的情况与课程设计的任务进行对比，对于不能运行的任务进行修改并调试程序，重新装载并运行调试仿真，直到实现能完全实现所要求的功能为止。（6）进一步改进和简化程序在运行调试仿真。2.具体的在MULTISIM10下检验病房呼叫系统的步骤如下：（1）首先触发到一个病人信号，看是否产生声、光提示，看数码管是否显示对应的病人编号，直到完成了此功能，才能进行下一向调试。（2）当向调试触发多个病人信号，同时看是否产生声、光提示，并且蜂鸣器同时发出声音，以及数码管是否显示最优先的病人编号，如能完成此功能那么就是对的。（3）当最高级别呼叫开关断开后，系统是否按优先等级显示下一个优先级高的病人编号。（4）当断开所有的呼叫开关后，系统会自动恢复到待机状态，显示灯与显示数码管会全灭。 3.另外本次设计整体功能如下： （1）当有病人按下呼救信号按键时，呼救灯显示，同时显示病人的床号，蜂鸣器发出提示声，等待医护人员前来护理。 （2）系统按照病人的病情划分出优先级别，当有多个病人同时呼救时，系统会优先显示最高级别的呼救编号。 （3）当有医护人员处理完最高级别呼救后，会把该病房按键关闭，系统自动按优先等级显示下一个优先级高的病人编号。（4）当医护人员治疗完所有的呼叫病患后，系统会自动恢复到待机状态，显示灯与显示数码管全灭。4.3 仿真结果在MULTISIM10的仿真界面上可以看如下结果：（1） 系统会自动处于待机状态：此时显示灯与显示数码管全灭，呼叫模块已经处于复位。结果如下如图所示：图4.3.1 待机状态（2） 首先当触发一个病人信号：4号，蜂鸣器声音响，数码管显示对应的4号病人编号，系统完成了此功能。结果如下图所示：图4.3.4 3号床呼叫（3） 向调试开启1，4，7病人的呼叫信号，蜂鸣器声音响，数码管显示对应的7号病人编号。系统完成了此功能。结果如下图所示：图4.3.5 1号,4号,7号床呼叫（4） 当最高级别（7号）呼叫按键断开后，系统会按优先等级显示下一个优先级高的病人编号（4号）。系统完成了此功能。结果如下图4.3.6 1号,4号床呼叫（5） 当断开所有的呼叫按键后，系统会自动恢复到待机状态：显示灯与显示数码管全灭。结果如下： 图4.3.7 病房呼叫系统恢复待机状态第5章 安装调试因为此课程设计被分为两个部分：老师规定的电路安装调试和学生自己假期完成的设计仿真（本设计为“病房呼叫控制系统”）5.1 安装调试过程（1）根据原理设计理论在软件Multisim10上画出整机电路图，通过进行测试与调试，直到该电路能够正确实现题目所要求的功能。（2）根据论文设计的总电路图，选择所需要的电子元件和焊接工具。首先逐个测试元件的性能参数，以及检查线路和电路板的良好与否。（3）在网上或者图书馆查阅说明书与教材参考书，参考管脚图与真值表，清楚芯片的引脚的各个功能，并同时对照电路图在工具箱上面根据信号流向逐步接线，认真检查电路是否正确，同时注意器件管脚的连接，是否“悬空端”、“清零端”、“置1段”等要认真谨慎正确处理，认真看清是什么状态的电平有效。（4）从电源接入开始调试，首先看电源的输入输出是否正确，其次电源的电压值是否正确，在看看脉冲是否已经接入。（5）焊接完以后将各模块逐个调试，待各单元电路达到各自技术指标的要求且均能正常工作，在将它们连接起来进行统调和系统测试。即可进行总机的调试，先观察电路有无异常现象，例如有无冒烟的现象，有无异常的气味，用手摸集成电路外封装是否发烫等。（6）系统主要功能的测试：分别是测试正常显示的电路功能是否，再测试非正常显示的电路。（7）如果系统出现异常现象，必须立即关断电源，排除故障后再接通电源。5.2 故障分析通过了解一些常见的故障对于正确快速地调试系统是很有必要的。对这些故障的处理是对一个系统设计者综合的考验，它不但要求对硬件电路容易出现的故障有所了解，同时还对整个系统的设计更要有一个深刻的认识。下面是我的一些分析总结：1忘记通电。系统所有的集成芯片都要在接入电源的情况下才能工作，经常在实验中忘记为一些芯片加电源，尤其是对一些集成的门电路芯片2元器件选择错误。这类错中主要包含看错元器件的型号，粗心将元器件的管脚连错，以及器件错插以及元器件已损坏等现象。所以每连接完一个功能模块都应先仔细的排查电路连接是否正确，再接通电源进行调试，以避免发生短路或电源接反等情况的出现。当调试一个模块的时候，要注意元器件的情况，以及避免元器件损坏。当发现某一个模块的某个元器件过热的时候，就应该对这个元器件进行测试，检查是否损坏。3系统设计的错误。这类错误主要在于设计的阶段发现，在系统设计中，要对设计方案精益求精，同时对设计原理进行反复推敲，以发现新的系统设计错误。当然这类错误也可能在调试过程中，若发现实际值跟理论值出现较大出入而又找不到其他的原因时，这个时候就应该对系统原理再进一步分析。4.系统错误的排查。首先要通过电路错误输出来初步判断是哪个电路功能模块出了错误。接着，熟练使用万用笔来排查该模块的每一个原件，直到找到引起错误原因的原件，并同时更正错误。注意：更换原件或者更改电路连接时一定要切断电源，并且连接后要进行检查，以避免发生类似短路的问题。第6章 结论6.1 对于病房呼叫控制系统的仿真设计（1）能够实现的功能 当有病人紧急呼叫时，能产生声，光提示，并同时显示病人的编号，根据病人的病情设计优先选择级别，当有多人同时呼叫时，病情严重者会优先；医护人员处理完最高级别的呼叫后，系统按优先级别显示其他呼叫病人的编号；同时拥有自动恢复的功能。（2）本设计分为三个主要功能模块：呼叫显示模块，优先选择模块，译码显示模块，以及呼叫模块。这些模块共同工作完成本电路的功能实现。（3）其中运用了10线4线优先编码器74LS147来实现优先选择模块主要功能，译码器74LS48和共阴极七段数码管来实现译码显示模块主要功能。 （4）本设计用较为简单的数字电路实现了一个具有实际应用背景的病房呼叫系统的设计 。第7章 使用设备仪器清单所用主要仪器见表1 表7.1 所