病房呼叫系统设计

1、盐城纺织职业技术学院毕业设计（论文）病房呼叫系统设计郑 磊 班 级 应电911 专 业 应用电子 所 在 系 机电系 指导老师 朱艳 完成时间2011年12月19日至2012年5月20日目 录摘要1第1章 绪论11.1 病房呼叫系统设计的意义21.2 设计的任务要求2第2章 系统方案设计32.1 5秒呼叫模块32.2呼叫显示模块32.3 优先显示模块32.4 发射器和接收器设计42.5 系统具体实现方案4第3章 单元电路设计63.1 优先编码电路设计63.2 信号灯显示呼叫系统73.3 发射器电路设计83.3.1 发射电路设计83.3.2 接收电路设计93.4 555单触发呼叫电路113.4.

2、1 555定时器基本功能113.4.2 用555定时器构成的多谐振荡器123.4.3 报警电路143.5 优选显示电路153.5.1 数码管介绍153.5.2 优先选择电路163.6 系统电源电路设计17第4章 原理图的设计184.1 Protel 99的特点184.2 原理图设计系统的特点184.3 系统的原理图20致谢23参考文献24摘要：病房呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断、护理的紧急呼叫工具，它主要用于协助医院病员在病床上方便地呼叫医务人员，可将病人的请求快速传送给值班医生或护士，是提高医院和病房护理水平的必备设备之一。本设计是实现一个分优先级的病床呼叫系统。通过优先编码器74

3、LS148对模拟病房号编码，再通过发射器VD5026和接收器VD5027进行编码和解码，将病床呼叫信息传送到医生值班室。当有病房呼叫时信号通过译码器和逻辑门低电平触发由555构成的单稳态触发器从而发出5秒钟的呼叫声，同时通过数码管显示器显示病房号，由呼叫信号控制晶闸管从而控制对应病房报警灯的关亮。以上按复位键R可复位。关键词：病床呼叫器；发射器；接收器第1章 绪论1.1 病房呼叫系统设计的意义随着现代科学技术的发展，现代医疗技术也有了长足性的进步。人类对生的渴求是与生俱来的，对于病人来说治疗时间的早晚，也决定了他们的命运。在医院里医生护士不能每时每刻都在你身边，一旦发生意外是很危险的。如果有一

4、种机器，像是把病人和医生连着一根线，你这边拽一拽，他那边就有反映。这样就可以及时治疗，并可保证始终是同一医生（其对病人较为了解便于治疗）。所设计的这款病房呼叫器就是这个作用。当病人感觉不舒服，就可以按下床头上的按钮，在医生那端就会有相应的病人的房间、床位号码。大大提高抢救速度和抢救成功率，也为病人家属提供了方便(不必二十四小时陪护)。考虑到医院的房间比较多，紧急情况也时常发生。要想将此机器做成带线装置会比较麻烦，不便于管理，所以如有可能将此机器做成无线传呼装置会更方便。本次设计的就是此类的无线呼叫装置，这样不会受到是否有电的影响和其它因素的干扰 。 此机器还可以与危重病人的监测仪器相连，当有某

5、项数据有异常时就可发出呼叫，也可显示其房间号、病床号。对于某些病房还可以将按钮做成触摸式按钮，以方便病人的呼叫。1.2 设计的任务要求1. 住院病人可通过按动自己的床位按扭开关想医护人员发出传呼信号；2. 一但有病人发出传呼信号，医护人员值班室设置的显示器显示出该病人的床位编码号，扬声器发出声响信号提示值班人员；3. 设计呼叫器电路原理图（包括所需的直流稳压电源）。第2章 系统方案设计2.1 5秒呼叫模块方案一：利用晶体振荡器与电容电阻等辅助器件构成时基发生电路，产生时基信号，再通过滤波、稳压、计数分频等产生可控5秒振荡信号驱动蜂鸣器呼叫。方案二：利用555集成时基电路组成脉冲启动型单稳态电路

6、，产生一定时间的振荡信号驱动蜂鸣器呼叫。配以相应参数的阻容器件，可将振荡时间准确的控制在要求的5秒钟。以上两方案的比较发现555组成的单稳态电路从工作可靠性、电路原理复杂程度、可控的方便程度以及构造成本等方面都优于以晶振为中心的电路。因此，本设计采用方案二。2.2呼叫显示模块因为病房中的呼叫开关都是可自动弹起的按扭开关，其提供信号不稳定不确定，所以设计中只能利用呼叫时的一个脉冲信号，才能保证呼叫的及时、准确。具体的提出以下两个方案。方案一：为呼叫端输出配置锁存器，将呼叫信号锁存在锁存器中，用以长时间驱动信号小灯，直到人为对其复位清零。方案二：利用晶闸管的开关特性，使晶闸管与信号灯串联在电源上，

7、使用呼叫信号控制相应的信号灯串联晶闸管，当有病房呼叫信号来时，晶闸管导通使对应的小灯点亮报警，直到人为复位清零。以上两方案，都能达到较为理想的效果，从总体上看，方案一对于后面的附加功能的实现有一定的利用价值，不过这一点在后面的优先显示模块中已有所涉及，相比较方案二的原理及实现更清晰浅显，设计中就选择了方案二。2.3 优先显示模块方案一：利用可编程逻辑控制电路，编制程序对各个输入进行优先级设置，用软方法实现。方案二：使用优先编码器采集输入信号，并优先输出高优先级信号，再通过可控D触发器进行锁存再送入译码显示块中显示。第二个方案电路原理简单实用，易于实现。用可编程逻辑控制电路，这种方法在应用中能非

8、常方便有效的控制，而且对于以后附加功能的实现、电路功能的扩展很方便，只是需要掌握一定的编程语言及相应电路的应用，在熟悉可编程控制电路的应用的情况下也是可行的，而且对于实用来说更有意义。但考虑到作者对编程控制的应用能力有限，以及实际应用的成本和控制部件的利用率等问题，本设计仍选用方案二。2.4 发射器和接收器设计方案一：采用红外发射和接收，采用集成电路芯片组成编码器，如MC，红外发射电路由放大电路和红外管组成，将电信号变为光信号；红外接收电路由集成电路和少量外围器件组成，如CX20106等芯片。可以将光信号再变为电信号。方案二：采用VD5026，VD5027 CMOS大规模数字集成电路。前者是编

9、码器，后者是译码器。他们组合应用起来构成一个发射接收数字编译码系统。发射器和接收器用导线连接。第二种方案结构简单，成本低，满足设计要求，所以本系统采用方案二。2.5 系统具体实现方案病房呼叫系统的逻辑方框图如图2.1 所示。它由模拟开关、优先编码器、发射器、接收器、寄存器、数码管、逻辑门、信号灯、单稳态触发器、蜂鸣器组成。模拟病房号通过优先编码器显示优先级最高的病床号。并且通过寄存器储存起来，按R键将全部复位。图2.1 病床呼叫系统的逻辑方框图当有病床呼叫时，信号通过单稳态触发使蜂鸣器响5秒钟。数码管显示优先级高的病房号，等待人员处理。第3章 单元电路设计3.1 优先编码电路设计优先编码电路如

10、图3.1所示。该电路选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279完成相应功能。工作过程：开关S置于清除端时，RS触发器的端为低电平，个触发器输出（4Q1Q）全部为低电平，于是74LS148的0；74LS148的选通输入端=0，74LS148处于工作状态，此时所存电路不工作。当开关S置于开始时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即病床呼叫器处于等待工作状态，等待输入端S8S1输入信号，当有病人将键按下时（如按下S5），74LS148的输出012=010，ES=0，经RS锁存后，CTR=1, =1，74LS279处于工作状态，QQQ=101, 74LS48译码输出。此外，CTR，使

11、74LS148的端为高电平，74LS148处于禁止状态，封锁其它按键的输入。当按键松开时，74LS148的ES为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了病人的优先性以及抢答电路的准确性。如将开关重新置“清除”然后再进行下一次病床呼叫。74LS148为线线优先编码器，表3.1为其真值表。图3.1 病房呼叫器优先编码电路优先编码器中允许几个信号同时输入，但是电路只对其中优先级别最高的进行编码，不理睬级别低的信号，或者说级别低的信号不起作用。也就是说，在优先编码器中是优先级别高的信号排斥级别低的，即具有单方面排斥的特性。集成8线-3线

12、优先编码器中，为选通输入端，当=0时允许编码；当=1时输出2、1、0和ES、ES均封锁、，编码被禁止。YS是选通输入端，级联应用时，高位片的YS端与低片位的端连接起来，可以扩展优先编码功能。ES为优先扩展输出端，级联应用时可作输出位的扩展端。表3.1 74LS148为线线优先编码器真值表3.2 信号灯显示呼叫系统将5V直流电源与复位开关、报警灯以及晶闸管正向连接。晶闸管是晶体闸流管的简称，简称为可控硅 。晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，

13、光控晶闸管等。本设计采用双向晶闸管，双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。这样，双向晶闸管在正、反两个方向上都能够控制导电。无论在双向触发二极管的两极之间外加什么极性的电压，只要电压的数值达到管子的转折电压值，就能使它导通。这样，触发电路的设计就具有很大的灵活性。利用模拟开关控制晶闸管的打开，用复位开关控制晶闸管的断开，以达到利用呼叫的不稳定信号，触发出稳定的报警输出，直到人为处理。其电路原理图如图3.2所示：图3.2 信号灯显示电路原理图当无呼叫时，呼叫开关都处在低电平，尽管晶闸管的两端加上了足够的电压，但由于G端无触发信号而不能导通，小灯不亮。当有呼叫时，相应的模拟开

14、关会接通高电平，这时晶闸管两端有足够的压降且有足够的触发电压，满足导通的条件，管子导通，小灯发光，报警。3.3 发射器电路设计VD5026，VD5027是CMOS大规模数字集成电路。前者是编码器，后者是译码器。他们组合应用起来构成一个发射接收数字编译码系统。3.3.1 发射电路设计VD5026编码器是一种8位编码发射器。它的第18脚是编码的输入端，每个输入端可以有3种状态，即“0”、“1”或“开路”，其中“0”表示为低电平，“1”表示为高电平。如果需要更多的编码，可将输入端改为4态连接方式，这时第1脚是第4种状态的公共连接脚，第2脚第8脚与第1脚连接时为第4种状态。所以第2脚第8脚都可以有4种

15、状态，即“0”、“1”、“开路”、“接1脚”。第10脚第13脚也可作为编码地址线，与第1第8脚联合起来组成12位编码地址线。VD5026与VD5027配合使用，VD5026的第1013脚用作数据输入线，根据需要这几个脚可以置“0”或置“1”。第14脚是发射指令端，当此脚接地时，VD5026输出端则发出一组编码脉冲。第15脚、第16脚是一个内置振荡器，外接几十到几百千欧的电阻即可产生振荡，振荡频率为fosc=1600/R（KHz），式中R为外接电阻，单位为千欧。第17脚是编码输出端，第18脚、第9脚分别是电源的正、负极。图3.3为VD5026的芯片引脚图。图3.3 VD5026的芯片引脚图发射电

16、路如图3.4所示，从VD5026输出编码信号及控制信号，控制信号（数据）由D1-D4提供。图3.4 发射电路图3.3.2 接收电路设计VD5027接收解码器有相应于VD5026的12位编码地址线。第1脚第8脚是地址线。当VD5026发出的地址编码与VD5027预置的编码相同时，则在VD5027的第10脚13脚有数据输出，该输出信息与VD5026的第10第13脚所置的数据相同。第14脚为输入端，第15脚、第16脚是振荡器，外接电阻值应与VD5026完全相同。第17脚是输出端。编码器VD5026发射时，如果密码相同，VD5027就会输出高电平。VD5027的管脚排列如图3.5所示。 图3.5 VD

17、5027的芯片引脚图 表3.2 VD5027工作特性表 接收电路如图3.6所示，接收信号输进VD5027解码器输入端14脚，如果两机地址码相同，数据码一致，解码成功，那么就把VD5026的控制信号锁存在VD5027的第10-13引脚上，用与控制外部电路。同时在第17脚上输出一个正脉冲，也可作为外部控制用。其中， VD5027解码器数据输出端第10-13脚，当有数据输出时，此数据便保持至接受部分电源关断为止，而不受发射机控制，也就是说，VD5027数据输出端具有计忆保持功能。而VD5027第17脚“总线”输出端，当VD5026，VD5027两机地址码相同时，正确译码时，第17脚输出转为高电平。而

18、当发射机不发射信号时，VD脚电位由高回到低电平，没有计忆功能。图3.6 接收器电路图该编译码集成电路工作电压范围较宽，可以在26V范围内正常工作，而且耗电极小，静态电流仅有1uA。集成电路内部含有振荡电路，不用再外加晶振。它的外围电路也很简单。3.4 555单触发呼叫电路3.4.1 555定时器基本功能图3.7 555集成定时器的电路结构图表3.3所示是555定时器的真值表，它全面地表示了555的基本功能。表3.3 555定时器真值表UTHUuoTD的状态XX 0 UOL导通2VCC/3VCC/3 1UOL导通2VCC/3VCC/3 1 不变 不变 XVCC/3 1UOH 截止=0时，输出电压

19、uo= UOL为低电平，TD饱和导通。=1、UTH2VCC/3、UVCC/3时，C1输出低电平，C2输出高电平， =1、Q=0，uo= UOL、TD饱和导通。=1、UTH2VCC/3、UVCC/3时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此uo、TD也保持原来状态不变。=1、UTH2VCC/3、UVCC/3时，C1输出高电平，C2输出低电平， =0、Q=1， uo= UOH、TD截止。555定时器的双极型电路VCC=5V，输出高电平不低于电源电压的90,带拉电流和灌电流负载的能力可达200mA；CMOS电路VDD=318V，输出高电平不低于电源电压的95，带拉电流负载的能

20、力为1 mA，带灌电流负载的能力为3.2 mA。3.4.2 用555定时器构成的多谐振荡器1. 电路组成图3.8所示是用555定时器构成的多谐振荡器。R1、R2、C是外接定时元件，定时器TH（6）、（2）端连接起来接uc，晶体三极管集电阻（7）接到R2、R2的连接点P。图3.8 用555定时器构成的多谐振荡器 2. 工作原理（1）起始状态接通电源前电容C上无电荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，故uc=0，比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器Q=1、=0、uo=UOH、TD截止。（2）暂稳态Q=1、=0、uo=UOH、TD截止，是电路的一个暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C充

21、电，uc缓慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是VCCR1、R2C地，时间常数是1=（R1+R2）C。（3）自动翻转当电容C充电，uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=0、=1、uo=UOL、TD饱和导通。（4）暂稳态Q=0、=1、uo=UOL、TD饱和导通，是电路的另一种暂稳状态，因为在这种状态下，同样有一个电容C放电、uc缓慢下降的渐变过程在进行着，放电回路是CR2TD地，时间常数是2=R2C（忽略饱和导通电阻RCES）（5）自动翻转当电容C放电，uc下降到VCC/3时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态，Q=1、=0、uo

22、=UOH、TD截止，即暂 稳态。在暂稳态，电容C又充电、uc再上升，不难理解，接通电源之后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转振荡，于是在输出端就产生了矩形脉冲。电路的工作波形见图3.9所示。图3.9 电路的工作波形3.4.3 报警电路由555定时器和三极管构成的报警电路如图3.10所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo143（RI2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。 图3.10 报警电路此电路的工作原理为：当无病房呼叫时， 555的2端口时依旧是高电平。由于由555构成的单稳态触发器是低电平触发，且无触发时输出低电平。

23、所以此时蜂鸣器无声音。只要有病房呼叫时，555的2端将接入低电平，触发器被触发，进入暂稳态状态中。其输出端3输出5秒的高电平，则蜂鸣器呼叫5秒钟。呼叫时间5秒即为单稳态的暂态时间。由555构成的单稳态的暂态（即输出高电平时间）公式算得。Th=RCLn3 =4541031010-61.1=5 s这里取470k的标称电阻。3.5 优选显示电路3.5.1 数码管介绍发光二极管(LED)由特殊的半导体材料砷化镓、 磷砷化镓等制成，可以单独使用，也可以组装成分段式或点阵式LED显示器件(半导体显示器)。 分段式显示器(LED数码管)由7条线段围成8型，每一段包含一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，

24、发出清晰的光，有红、黄、绿等色。只要按规律控制各发光段的亮、灭，就可以显示各种字形或符号。 图3.11(a)是共阴式LED数码管的原理图，图3.11(b)是其表示符号。使用时，公共阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动(控制)，如图3.11(c)所示。图3.11 数字显示译码器BCD七段译码器的输入是一位BCD码(以D、C、B、A表示)，输出是数码管各段的驱动信号(以FaFg表示)，也称47译码器。若用它驱动共阴LED数码管，则输出应为高有效，即输出为高(1)时，相应显示段发光。例如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示 ， 即要求同时点亮b、c、f、g段， 熄灭a、d、

25、e段，故译码器的输出应为FaFg=，这也是一组代码，常称为段码。同理，根据组成09这10个字形的要求可以列出8421BCD七段译码器的真值表，见表4 - 12(未用码组省略)。 表3.4 BCD七段译码器真值表3.5.2 优先选择电路工作过程：开关S置于清除端时，RS触发器的端为低电平，个触发器输出（4Q1Q）全部为低电平，于是74LS148的，显示器灭灯；74LS148的选通输入端=0，74LS148处于工作状态，此时所存电路不工作。当开关S置于开始时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即病房呼叫器处于等待工作状态，等待输入端S8S1输入信号，当有病人将键按下时（如按下S5），74LS

26、148的输出012=010，ES=0，经RS锁存后，CTR=1, =1，74LS279处于工作状态，QQQ=101,经74LS48译码后，显示器显示出。此外，CTR，使74LS148的端为高电平，74LS148处于禁止状态，封锁其它按键的输入。当按键松开时，74LS148的ES为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了呼叫者的优先性以及编码电路的准确性。如医生将开关重新置“清除”然后再进行下一次的呼叫。图3.12 优先显示电路图3.6 系统电源电路设计本系统设计了电源电路，输入为220V，输出为5V，电路如图3.13所示。图3.

27、13 系统电源电路图第4章 原理图的设计4.1 Protel 99的特点Protel 99主要有两大部分组成：1、原理图设计系统（Schematic 99）。它主要用于电路原理图的设计，为印制电路板的设计打好基础；2、印制电路板设计系统(PCB 99)。它主要用于印制电路板的设计，产生最终的PCB文件，直接联系到印制电路板的生产。4.2 原理图设计系统的特点Protel设计具有分层次组织的设计特点。所谓分层次组织实际上是一种非常有效的系统方法。用户可以将待设计的系统划分为若干子系统，子系统再划分为若干功能模块，功能模块再划分成基本模块，然后分层逐级实现。这使得系统的设计条理清晰、简单可靠。这种

28、步骤被称为自顶向下（Top down）的层次型设计方法。也可以倒过来，从最基本的模块开始逐级向上完成设计，这被成为自底向上（Bottom up）设计方法。Protel 99对同一设计项目中原理图的张数没有限制，对设计层次的深度也没有限制，用户可以同时编辑多张原理图，各原理图（总图与子图，子图与总图）之间的切换也非常方便。1. 强大的组件及组件库的组织功能：Protel 99提供了容量巨大的原理图组件库（超过6万种组件），同时它的组件库编辑器使用户可以创建自己的组件库，用户可以自由地在各库之间移动、拷贝组件，以便按照自己的要求合理地组织库的结构。Protel 99提供的强大的组件库查询功能相当令

29、人满意，用户可以通过组件的名称或属性查询它，可以把查询的范围设定在某一目录的所有组件库中，或是某一特定的路径，或是整个硬盘，甚至是用户所在公司的整个网络。总之，利用这项功能，用户可以很快找到所需的组件。2. 方便易用的连线工具Protel 99的电气栅格连线和自动连接特性使原理图的连接工作变得非常容易。当用户为原理图连线时，被激活的电气“热点”将引导鼠标光标至最近的有效连接点上，这样用户就可以在一个较大的范围内（或者说不必放大原理图的局部）完成连线。3. 强大的编辑功能Protel 99的原理图编辑器使用标准的图形化编辑方式，这使得用户能 够非常直观地控制整个编辑过程。用户可以方便地使用诸如拖动、剪切、拷贝、粘贴等标准的Windows操作。如果忽略掉设计本身的复杂性，在Protel 99下的原理图编辑工作是相当轻松自