住院病人传呼器.docx

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住院病人传呼器

摘要

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完，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。

如果有一种机器，像是把病人和医生连着一根线，你这一边拽一拽，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）。

住院病人传呼器是一种用于医院的显示呼叫系统。

它是将程控交换技术的编码和译码显示技术综合起来完成的一套为住院病人和医护人员服务的设备。

传呼器的分机电路，经过编码和放大，发送出DTMF码，然后通过传输线送到主机电路，主机电路完成解码和放大后，经过去伪码电路，送到译码显示电路，再经过译码驱动显示器显示；同时，扬声器发出声音提醒医护人员。

本文对编码和译码进行了研究。

分析了整个电路的工作过程，在这个过程中，讨论了DTMF码由编码开始，到变为BCD二进制码的全过程的变换。

给出了不同频率的信号，经过编码合并后产生的单一频率的各种信号，为以后接触各种信号的编制问题打下了基础。

本文还对编码和解码的集成芯片做了系统的说明，通过对它们的了解，可以建立对编码和解码的认识。

关键词：

传呼器、编码、译码、DTMF码、解码

第一章绪论

1.1课题背景

1.2设计技术指标和要求

第二章电路组成

2.1方案选择和论证

2.1.1方案选择

2.1.2方案论证

2.2电路组成及工作原理

2.2.1电路组成

2.2.2电路工作原理

第三章单元电路的分析和设计

3.1分机电路的分析和设计

3.2放大解码电路的分析和设计

3.3去伪码电路的分析和设计

3.4译码驱动电路的分析和设计

3.5译码显示电路的分析和设计

3.6复位电路的分析和设计

3.7双声振荡电路的分析和设计

3.8放大电路的分析和设计

3.9实际电路的制作

第四章电路调试

4.1使用的主要仪器

4.2测试电路的方法与步骤

4.3测试数据

总结

致谢

参考文献

附录1

附录2

附录3

第一章绪论

1.1课题背景

住院病人经常需要医护人员及时诊治和护理，但医护人员又不能时刻守护在病人身边。

当手术后，病人需要输氧或输液，病人急需医护人员治疗处理时，只需方便地按动床位开关呼叫。

使扬声器发出声音通知值班医护人员，显示器显示是多少号病房。

使住院病人能及时的得到医护人员的救助和护理，为病人的安全提供了有利的保障，能够及时的挽救住院病人的生命；为所有的住院病人获得更多的时间。

因此，在病床要设置床位按钮开关，在病房要设置微型传呼器。

为对传呼信号能准确地判断是哪个床位病人发出的，须对床位开关进行编码，编码信号（DTMF代码）通过传输线发出。

在医护人员值班室安装传呼器主机，主机接受信号通过译码驱动电路，使显示器显示出病人的床位号码。

同时，主机电路得到一个触发脉冲，触发双声振荡电路，使扬声器发出声音。

1.2设计技术指标和要求

1.病人可通过按动自己床位按钮开关，向医护人员发出信号。

2.一旦有病人发出信号，医护人员可通过显示器知道病人床位号。

3.扬声器发出声响，提醒医护人员。

第二章电路组成与设计

2.1方案选择和论证

2.1.1方案选择

从技术指标和要求中，可以看出来，此课题对工作温度和电压不要求，对数码显示和声响大小的要求不是很高，所以，此课题有很多的方案可以实现，但是，住院病人传呼器是一种显示呼叫系统，可以用数字电路来实现。

因为用数字电路会比较好的实现它的功能，更加的清晰和明了。

2.1.2方案论证

此课题有多种方法可以实现，我找到两种方案：

一种是经过简单的编码，然后将信号传送到译码驱动电路，最后用数码管显示输出。

同时，接通蜂鸣器发出声响。

另一种是用程控交换专用的一组芯片，分别用做编码和解码使用；编码电路独立够成分机电路。

主机电路接收由分机电路送来的DTMF码，首先经过放大解码，然后将解码后的二进制信号送到去伪码电路，对它进行去伪码；在完成去伪码后，送到译码驱动电路，去驱动数码管显示。

在显示的同时，放大解码电路还输出一个信号，使双声受控振荡器起振，发出振荡波，经过放大去推动蜂鸣器发声，提醒医护人员。

2.2电路组成及工作原理

2.2.1电路组成

电路框图共由八部分组成。

如图2—1所示：

图2—1住院病人传呼器电路框图

1.分机电路：

分机电路的主要功能是将键盘中的呼叫开关的通断进行编码，变成DTMF码，并且将编码后的DTMF信号进行放大，为主机电路提供输入信号。

2.放大解码电路：

放大解码电路是主机电路中的核心电路。

它的主要功能是将分机电路送来的DTMF信号进行放大和解码，将DTMF信号转换为二进制码，为译码驱动电路提供幅度足够的信号。

3.去伪码电路：

去伪码电路的主要功能体现在对于大于十进制“9”的二进制码，当要反应“10”（或0号）的DTMF信号经过放大解码电路输出的二进制信号为“1010”时，经过这个简单的去伪码电路后，二进制码“1010”自动变为“0000”，即BCD码“0000”，对此芯片可以正常显示。

而对于小于“1010”的二进制码，去伪码电路不做响应。

4.译码驱动电路：

此电路的主要功能是将经过去伪码电路的信号进行译码放大后，去驱动数码管正常显示。

此电路不仅具有译码功能，而且还具有锁存和消隐功能。

5.数码显示电路：

这个电路的主要功能是显示由译码驱动电路送来的信号，提醒医护人员是几号床位。

由于这个电路的功能比较单一，所以用简单的数码管就可以实现。

6.复位电路：

由于译码驱动电路具有锁存和消隐功能，所以必须对它进行清零复位，故设计了此电路。

译码驱动电路的芯片有一引脚是消隐端，高电平有效，所以必须对它加一个低电平，使其在电路正常工作时，不工作在消隐状态，才能使显示电路正常显示。

这个电路的功能就是当按动分机电路键盘开关时，有一个信号会被送到译码驱动电路，使电路中的消隐功能暂时不工作，显示电路才能正常显示。

7.双声受控振荡器：

它的主要功能是当按动分机电路的键盘开关时，有一个触发信号，经过放大解码电路后加到振荡电路上，振荡电路自动振荡，产生一个振荡信号，去控制蜂鸣器发出声响。

8.放大电路：

这个电路的功能就是放大，对双声受控振荡器发出的信号进行放大，然后输出足够的功率去推动蜂鸣器发出声响。

电路原理图组成如图2—2所示：

图2—2住院病人传呼器电路原理图

2.2.2工作原理

传呼器主机电路。

图2-2为传呼器整机电路，图中IC1为DTMF译码专用IC，其设计初衷是为程控交换设备服务的，分机送来的反映呼机信息（病房号或病房床位号）的DTMF码经由传输线及C3、R2送至IC1进行放大与解码，IC1的DV端（15端）立即输出一个高电平脉冲。

同时，其数据输出端（11～14）输出一组与呼出信息对应的二进制数码，经简单的去伪码电路后送至IC2担任的BCD-t段译码驱动器进行译码并驱动数码管显示出呼叫信息（病房号或病房床位号）。

由于IC1输出的二进制数据具有预存功能，如果不利用IC2的消隐功能，则数码管将一直处于点亮状态。

IC2的7端为消隐输入端子，高电平有效。

静态时，因R4存在F1输入为0而输出为1，将IC2置消隐状态而实现消隐，数码管不显示。

当IC1输入有效的DTMF信息令StD端输出高电平经R7、VD2对C5迅速充电而使F3输入为1、输出为0，即解除了IC2的消隐状态。

值班人员闻讯后可以从LED屏上看到呼叫信息。

由于IC1输出的是二进制码，而IC2则需要输入BCD码，对于大于十进制“9”的二进制码，IC2有拒伪码功能而自动消隐，对于反应10号（或0）的DTMF信号经IC1解码后得到的是二进制“1010”输出，故设计了由F5、F6、VD5、VD6、R9、R10组成的简单的伪码校正电路。

二进制“1010”经此电路后自动变为“0000”，即BCD码“0000”，IC2对此可以正常译码显示。

对于小于1010的二进制码，去伪码电路不作响应。

由于采用主机复位技术，复位开关的使用频率通常是很大的，是最容易损坏的部件之一，本电路一改常规机械式触点开关复位方式，而采用由F1、F2等组成的触摸式电子复位开关取代原先的触点开关。

手触摸金属片M时，人体感应杂波经R6使F1输入有低电平脉冲而使F2有低电平输出，在F2输出低电平期间C5迅速放电使F3输入为0而输出为1、IC2消隐，同时，F4输出为0，VD4反偏解除对IC1时钟强偏置作用，F4输出为0还使由N1～N4组成的音效产生电路停振，B停止发声，从而实现复位。

传呼器分机电路。

分机电路也如图2-2所示，分机呼叫开关接线端见图中所示，当呼叫开关的1、2、3接线端分别与4、5、6、7接线端相连时，IC的DTMF输出端（15）输出一组与呼叫开关对应的DTMF信号，经VT2放大后送往传输干线。

R的作用是为保证IC的供电和对DTMF信号进行隔离。

RF为反馈电阻，其值可在100～470Ω间选取。

第三章单元电路的分析和设计

3.1分机电路的分析和设计

分机电路是发射信号的部分，它的主要功能是编码，但是由于输出信号的幅度不够大，所以必须加一个放大电路，这个放大电路可以由简单的放大电路来完成，可以由一个普通的三极管和两个电阻来组成。

但是三极管需要β值大的所以选用3DG12。

由于这个电路是为程控交换设备服务的，所以必须用专用的芯片来完成。

选用S7230BZ，可以完成所要求的功能。

但是由于购买不到这个芯片，所以只好找可以替换的芯片来完成它的同样功能。

TCM5087可以和它互相替换，其内部功能和外部引脚可以完成S7230BZ的功能。

现将TCM5087的内部功能图2—3列出如下，以供参考。

图2—3TCM5087内部功能图

这个芯片是16引脚的，它的引脚排列图如图2—4所示。

1脚接9V电源；2脚为频率引出端；3、4、5、9、11、12、13、14分别接键盘，作为信号编码使用的端子，它们两两相接，就可以产生不同频率的信号；6脚为接地端；7脚和8脚分别接晶振的输入和输出端，只有当晶振正常工作时，芯片才能工作；10脚为空脚；15脚为信号的单频信号的始能端；16脚为DTMF信号的输出端，经过编码的DTMF信号就由16脚输出到主机电路。

当接通电源时，芯片处于待机工作状态，只有当按动键盘进行编码时，芯片才正常工作，对键盘传送来的信号进行编码，变成DTMF信号。

图2—4TCM5087引脚功能图

由于芯片需要编码，所以必须外加一个键盘作为输入编码的按键开关。

这个键盘电路不仅可以编制出1～9，还可以编制出A、B、C、D等字母，但是我们这里只需要1～9个数字，所以在这里其它的字符没有在键盘上表示。

另外还需要外加一个晶振和一个负载电阻。

晶振的大小是根据芯片的资料所选用的，为3.5795M赫兹。

电阻也是根据芯片所选用的。

它的实际接线电路如图2—5所示：

图2—5TCM5087外围电路图

TCM5087引出八个脚作为按键接线端使用。

当有不同的接线端连接到一起时，输出端就会输出不同的信号。

八个不同的输出端各自输出不同的频率，两两相接时会产生另外一个频率的信号，也就是DTMF信号。

它的八个引脚的频率分别如下表2—1所示：

表2—1TCM5087频率表

由于频率会存在一定的误差，所以给出了另外一组频率的数据，见表2—1中的第三列。

存在的这个差别不会影响到分机电路的正常工作，输出信号仍然会很准确的表示是哪个床位发出的信号。

TCM5087的电源是9V。

当电源供电时，芯片的7、8两脚之间的电压为1.5V，晶振正常工作。

只有当晶振工作时，整个芯片才正常工作，芯片输出如下波形，见图2—6所示：

图2—6TCM5087输出波形图

此波形为典型的DTMF波形。

DTMF信号全称为DualToneMultiFrenquence，中文叫双音多频信号。

是用于语音传送的一种信号，现在得到了广泛的应用。

DTMF信号的产生：

编码器基于两个二阶数字正弦波振荡器，一个用于产生行频，一个用于产生列频。

就可以用两个振荡器产生所需的八个音频信号。

典型的DTMF信号频率范围是700～1700Hz，选取8000Hz作为采样频率，即可满足Nyquist条件。

根据CCITT的建议，DTMF的编译可用下式2--1表示：

f（t）＝A_{a}sin（2f_{a}t）+A_{b}sin（2f_{b}t））式2--1

式中两项分别表示低、高音群的值，Ab和Aa分别表示低音群和高音群的样值量化基线，而且两者幅值比为K=Ab/Aa（0.7

同时规定，对应于标称频率在发送时，DTMF信号的频率偏差不应当超过1.8％，每位数字的信号极限时长应该大于40ms，而接收设备对2％的偏差应能可靠地接收，对30ms～40ms时长的信号可以正常地接收。

3.2放大解码电路的分析和设计

放大解码电路是主机电路的核心电路，它负责整个主机电路的大部分工作，它的设计是非常重要。

首先它的芯片选择是要和TCM5087相配套。

在这里选择MT8870这个芯片，因为它是一个DTMF信号解码专用的芯片，也是用于程控交换的专用芯片，它能和TCM5087配合使用，能够完成放大和解码的工作。

我对这个芯片进行了详细的研究。

MT8870的内部结构比较的复杂，主要完成对DTMF码的解码，它的功能名称是DTMF译码器。

要了解它的功能就必须对它的内部功能原理有所了解。

它的内部功能原理如图2—7所示：

图2—7MT8870内部原理图

由于TCM5087的输出信号是和MT8870相对应的一组信号，当MT8870接收到分机电路发送的信号时，有一个对应的输出，不同的频率对应不同的输出。

如下表2—2所示。

在这个表中可以清晰的看出当两个频率合并后产生的信号的对应关系。

其中fLOW为低频，fHIGH为高频，Q1～Q4为解码后的输出信号。

表2—2MT8870频率表

为了更明了的了解它的波形，又给出了它的立体波形表，见表2—3所示，这也是波形表。

表2—3MT8870立体频率表

在了解了它的内部功能和信号的对应关系之后，还要对它的引脚功能熟悉。

它的引脚功能如下图2—8所示。

其中7脚和8脚是晶振的输入和输出端子；9脚接地；11、12、13和14分别为芯片的四个输出；18脚接电源。

晶振的选择要根据芯片的资料和分机电路来定，在这里选择3.5795M的晶振。

电源选用5V。

图2—8MT8870引脚排列图

外围电路的计算和连接都是根据芯片的具体资料来选取的，在这里不对它们做过多的叙述。

它的外围电路的连接方法和计算方法如下图2—9和图2—10所示。

在两个图上分别对电路的外围元器件进行了计算和连接，在实际电路的连接上可以完全按图连接。

图2—9MT8870外围电路连接图

图2—10MT8870外围电路连接图

不仅要对芯片的硬件有所了解，还要对芯片的软件，也就是各个引脚的电平有所了解。

下表是对它的几个引脚电平的描述，以便于在电路调试时，可以更方便快捷。

其真值表如下表2—4所示：

表2—4MT8870高低电平表

这个表格对于调试电路时有很大的帮助。

它分别给出了不同输出字符时，其它几脚的电平的高低情况。

MT8870的输出波形是一组特殊的波形。

它的不同的引脚有不同的输出，可以用示波器测量它的各脚的输出波形，可以分别知道它的波形是什么样子的。

如图2—11所示：

图2—11MT8870输出波形图

还可以用另一种方法来表示，见图2—12所示：

图2—12MT8870输出波形图

MT8870经过放大解码后，最终把DTMF信号变换输出为简单的高低电平信号，以便后面的电路进行译码。

MT8870是一个比较典型的用于DTMF信号进行放大解码的芯片，它的应用是非常广泛的，是因为它的电路简单，便于实现，而且价格合理，使用方便。

3.3去伪码电路的分析和设计

这个电路的设计是比较简单的。

它是由两个电阻、两个二极管和两个与非门构成的。

它的功能就是将大于“9”的数字进行变换，让其不影响正常的输出。

虽然比较简单，但是这个电路在整个电路中起着很大的作用。

其电路如图2—13所示：

图2—13去伪码电路

这个电路对电阻和二极管的要求不是很高，所以用一般的电阻和二极管就可以实现。

在这里选用47K的电阻和1N4007的二极管。

就完全可以实现电路的要求。

3.4译码驱动电路的分析和设计

这个电路的设计主要考虑到译码和锁存，还有消隐三个方面的问题。

所以选用CD4543。

CD4543是将锁存、译码、驱动、消隐四种功能集于一身的“四合一”电路芯片。

锁存器的作用是避免在计数过程中出现跳数现象，便于观察和记录。

译码器将BCD码转换成7段码，再经过大电流反相器，驱动共阴极LED数码管。

译码器属于非时序电路，其输出状态与时钟无关，仅取决于输入的BCD码。

现将它的内部功能原理图2—14给出，如下所示：

图2—14CD4543内部原理图

CD4543为常用的四—七段ＢＣＤ译码器。

CD4543的引脚排列如图2—15所示：

图2—15CD4543引脚排列图

其中2、3、4和5脚为信号输入端，用来接受前面送来的信号；7脚为消隐端子，用来接收信号对芯片的锁存；8脚为接地端；9、10、11、12、13、14和15脚是信号的输出端，输出的信号分别接在数码管的a、b、c、d、e、g、f端，使数码管显示所要显示信息；16脚为电源端，接5V电源。

D～A为BCD码输入端。

a～g是7段码输出端。

为了更直观的说明它的显示情况，现将它的真值表2—4给出如下：

表2—4CD4543真值表

从真值表上可以清晰的看出输入和输出之间的对应关系，非常的明了和直观。

3.5译码显示电路的分析和设计

这个电路的设计是很简单的。

为了能够实现将信号显示的功能，用一个数码管就可以实现。

选用共阴极数码管。

如图2—16所示：

图2—16数码管

从图上可以看出数码管的图形非常的简单。

它能显示从0到9十个数字。

它的7段LED显示器的字形如下图所示，DP表示小数点。

对于7段显示的情况为：

一个数码管能显示十个数字，正好可以实现电路的要求：

共有九个床位号，其中0不显示。

所以可以使用数码管来做显示电路。

3.6复位电路的分析和设计

这个电路的主要功能是完成消隐复位，使数码管复位清零。

为了要实现这个功能，就要对译码驱动电路加一个触发信号，使其从消隐状态变到正常工作状态，让电路发出一个清零信号，使数码管清零，为下一次工作做好准备。

对于这个电路的设计方案是其电路能够发出一个触发信号就可以，为了使电路能够简单而且实用，可以使用这个电路来实现复位电路的功能。

其实际电路如下图2—17所示：

图2—17复位电路

电路引出两个触点，当人体接触触点时，人体杂波信号输入到电路中，使与非门有一个低电平输入，这时这个低电平信号输入到CD4543的消隐端，也就是7脚，使电路实现消隐。

这个电路的设计是根据CD4543的7脚所需信号而设计的。

3.7双声受控振荡电路的分析和设计

这个电路就是一个简单的振荡电路，由电阻、电容和与非门构成。

对于电阻和电容的选取，是根据振荡电路本身的参数选取的，所以只要满足振荡电路本身的要求就可以选取。

电阻选用1M的，电容的选取分别是224F和103F两个容值。

与非门选用一般的就可以符合要求。

这个电路只要满足正反馈和输入信号为高电平就可以起振，是一个简单而且实用的比较典型的振荡电路，在现实生活中这个电路得到了广泛的应用。

其实际电路如下图2—18所示：

图2—18双声受控振荡电路

另外需要说明的是以上所有电路所需的与非门电路是由三片SN74HC00来提供的。

它是一个四与非门的芯片。

它的内部功能图可见图2—19所示：

图2—19SN74HC00内部功能图

其引脚排列图2—20如下所示：

图2—20SN74HC00引脚排列图

1脚和2脚是第一个与非门的输入；3脚是第一个与非门的输出；4脚和5脚是第二个与非门的输入；6脚是第二个与非门的输出；7脚接地；9脚和10脚是第三个与非门的输入；8脚是第三个与非门的输出；12脚和13是第四个与非门的输入；11脚是第四个与非门的输出；14脚接5V电源。

另外，还将它的真值表一起附上，可以对芯片的了解更加的深入。

真值表如下表2—5所示：

表2—5SN74HC00真值表

3.8放大电路的分析和设计

这个电路用简单的放大电路就可以实现。

这里采用三极管8050来放大，在它的基极加一个偏置电阻，选用10K就可以。

其电路如图2—21所示：

图2—21振荡信号放大电路

3.9实际电路的制作

在整个电路设计完成之后，就要进入实际电路的制作中去。

在电路原理图的基础上，进行元器件的封装，然后生成印制板的双面图，再生成3D效果的电路图。

其印制板双面图和3D效果的电路图分别见附录1和附录2所示。

第四章电路调试

4.1使用的主要仪器

使用的主要仪器有电压表、万用表、示波器、信号源等。

4.2测试电路的方法和步骤

4.2.1注意事项

在通电调试前，一定要认真检查焊接的电路是否有错焊、漏焊、虚焊等。

用万用表欧姆档，测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常，测量各个元器件之间的连接是否正常。

用电压表把各个芯片所用的电压调整到规定的数值。

检查各个芯片的接地是否连接牢固。

最后检查TCM5087和MT8870是否共地，因为只有当它们的接地脚是共地时，DTMF信号才能够由分机电路传送到主机电路。

检查无误，经指导老师同意后，方可通电调试。

4.2.2通电检查及调试步骤

1.通电后首先要检查各个芯片的工作是否正常。

用万用表电压档测量芯片各引脚的电压是否正常。

2.测量分机电路有无DTMF信号输出。

3.给双音振荡电路的输入端加一个高电平，看蜂鸣器有无声响。

4.测量放大解码电路的输出端有无输出。

5.测量译码驱动电路有无输出信号。

6.检测数码管是否正常工作。

总结

本文主要对住院病人传呼器作了系统的分析和设计，阐述了住院病人传呼器的组成和工作原理，还有信号的传输。

对DTMF信号（双音多频信号）的产生和检测做了重点的分析和讲解。

住院病人传呼器主要由两部分组成：

分机电路和主机电路。

分机电路是产生和编制信号的部分，主要对DTMF信号进行编码。

主机电路是对DTMF信号进行解码，并进行译码的电路。

主要利用两个专用于程控交换技术的芯片来完成，它们是电路的核心器件。

另外本文还对译码驱动、复位和双声受控振荡电路做了比较详细的分析和设计。

通过这次对住院病人传呼器电路的分析和使我对传呼器的一些知识有了更深入的了解，掌握了电路图的读图方法和基本的计算方法，培养了自己独立设计的能力。

此次毕业设计是对我专业知识和专业技能的一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。

。

从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。

其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

同时也将所学到的理论知识在实际设计中进行了一次综合的训练，特别是在分析解决问题的方法上得到了提高和锻炼。

但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。

比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。

这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很不足，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡