数字电路课程设计病房呼叫系统Word文档格式.docx
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第3章系统设计
3.1方案论证
病房呼叫系统的设计方法很多，可由多种类型电路来构成，这里提供两种方案供选择：
方案1：
单片机系统控制方案
单片机是核心控制元件，利用编程语言对其功能的设计。
其优点是用软件设计替代了硬件设计，使得硬件的功能设计不再仅局限于硬件本身，而变得更加的灵活与多样，也大大降低了硬件功能设计的难度。
其缺点是抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难，维修亦较难。
方案2：
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构成，包括计数器、触发器以及各种门电路，硬件设计思路非常简单，造价低廉，元件少，体积小，稳定性好，可靠性和性价比都很高。
缺点在于功能实现后电路结构复杂，维护起来比较困难。
在本设计中，采用数字逻辑电路控制系统，与单片机相比，该电路具有价格低，元件少，体积小，稳定性好，可靠性高的特点。
因此，在本设计上采用数字逻辑电路方案。
3.2系统设计
3.2.1结构框图及说明
图3-1病房呼叫系统的系统结构示意图
图3-2病房呼叫系统的系统流程图
3.2.2系统原理图及工作原理
系统原理设计图如下所示:
图3-3病房呼叫系统原理设计图
工作原理：
病房呼叫系统分为四个主要功能模块：
信号呼叫（1个至6个）由呼叫显示模块的各个呼叫开关发出并使对应的病床指示灯亮起。
接着，信号传到优先选择模块，将优先级别最高的患者的信号选择出来，并传到呼叫模块与译码显示模块：
呼叫模块通过555定时器电路令蜂鸣器鸣叫5秒，同时译码显示模块通过小规模逻辑门集成电路与74LS47D将信号变换成对应的患者床号，并由七段数码管显示出来。
当该病患治疗后，断开其对应的呼叫开关，此时该系统将显示下一名较高优先级的病患床号。
当所有的病患都已经获得治疗后，该系统将自动将数码管熄灭待机，将555定时器复位。
整个系统恢复待机状态。
3.3单元电路设计
3.3.1单元电路工作原理
（1）呼叫显示模块的设计
一个或者多个病人通过关闭其对应的呼叫开关，来开启其支路的呼叫显示模块，进而开启整个病房呼叫系统。
显示模块采用一般开关驱动，高电平有效，并且每条支路加了限流电阻（133欧姆）为了使得模块能正常工作。
当一名或者多名病人闭合各自的呼叫开关时，其对应的支路接通，并由初始的高电平变为低电平电平，对应的支路显示灯会亮起，并且同时将有效信号传到下一个功能模块—优先选择模块。
根据设计要求，呼叫显示模块的设计如下图3-4所示：
图3-4呼叫显示模块设计图
（2）优先选择模块设计
根据设计要求，数码管要显示优先级别最高病房的呼叫信号，所以我们要对病房呼叫信号进行优先选择并输出。
在本设计中，6号病床为优先级最高，然后依次是5,4,3,2,1号病床。
在这里，应用了8线-3线优先编码器（74LS148）进行此功能的实现。
其输入为低电平有效，输出编码为反码形式。
8线-3线优先编码器（74LS148）功能表如下所示：
表3.18线-3线优先编码器（74LS148）功能表
输入
输出
EI~
I0~
I1~
I2~
I3~
I4~
I5~
I6~
I7~
A2~
A1~
A0~
GS~
EO~
1
x
除此之外，根据使能输出端EO的特性：
当使能输入端EI为0时并且74LS148无有效信号输入时，EO输出为0；
当使能输入端EI为0时并且74LS148为有效信号输入时，EO输出为1。
利用EO端的输出来控制数码显示电路的启动与熄灭复位，以及555定时器的启动与复位。
8线-3线优先编码器（74LS148）将输入的低电平有效信号进行优先选择，并且将选择出的信号传到译码显示模块，并且将EO端（由）的输出信号传到555定时器（来启动呼叫模块）和七段字形译码器（74LS47D）来启动数码管显示电路。
下图为优先选择模块的电路图：
图3-5数据选择模块电路图
（3）译码显示模块设计
此模块由两小模块构成，即译码模块与数码管显示模块。
先由译码模块将8线-3线优先编码器（74LS148）输出的三位二进制编码转换成病床号所对应的BCD码，再将该BCD码输入到七段字形译码器（74LS47D）并由七段阴极数码管显示病床号数字。
其流程图如下：
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三位二进制编码不是所需的病床号码（在BCD码上相差1），所以要用译码将将8线-3线优先编码器（74LS148）输出的三位二进制编码转换成病床号所对应的BCD码。
模块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输入输出真值转换表
开关
A
B
C
D
E
F
2
3
4
5
6
根据表3.2可以列出门电路逻辑式：
D=AB~C~+A~BC+A~BC~
E=ABC~+AB~C+A~BC~
F=ABC+AB~C+A~BC
化简得：
D=AB~C~+A~B
E=AB~+AB~C
F=BC+AC
根据上述的逻辑关系式，可以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.数码管显示模块
通过译码模块处理后的信号成为了与病床相对应的BCD码，此时将该BCD码输入到数码管显示模块，将正确的呼叫床号显示出来。
数码管显示模块由七段字形译码器（74LS47D），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在七段数码管上，测试模块如下图所示：
图3-8数码管显示模块功能电路图
（4）呼叫模块设计
利用555集成时基电路组成脉冲启动型单稳态电路，产生定长时间的方波信号驱动蜂鸣器呼叫。
可适当的选择电阻、电容，可将震荡时间准确的控制在要求的5秒钟。
电路原理图如下：
图3-95秒呼叫电路原理图
当无病房呼叫时，同时74LS148为无有效信号输入，EO输出为0传入555定时器的复位端。
当有病房呼叫时，同时74LS148为有效信号输入，EO输出为1传入555定时器的复位端，使得定时器得以启动。
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：
T=ln3*（R1+R2）*C，
令C=10μF,R1=144.3kΩ，则R2=288.6kΩ，则T=5秒
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器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模拟，它的外形常见一般呈圆柱状，下面两针长短不同，长的就为正极，短为负极，我们只要在正负极加上正向电压其便可以发出声响。
3.3.2元件参数选择
1电阻
在本设计中，电阻的主要作用是限制电流大小，以保证电路的正常工作，所以要正确计算出所需电阻原件的大小。
应用前，电阻阻值要用数字三用表检测，检查阻值是否正确。
2电容
电容的选择电容器是组成电路的基本元件之一,是一种能储存电能的元件,在电路中有隔断直流、旁路、藕合等作用。
电容器主要有瓷片电容和电解电容等。
每种电容的电量均标注在电容器表面，常见的标注方式有xxμF、xxn或直接用数字标注。
电解电容，一般容量范围是1～4700μF。
瓷片电容，一般容量范围是1pF～0.47μF.
例如，有一电容，标注值为10N，它的实际容量为0.01μF（1N=1000pF），同时也可以标注为103，它的前两位数为有效数，第三位数为有效零位数，即103=10000pF，它和10N是等价的。
3二极管
二极管在本设计中的应用主要是发光二级管（LED），使用前必须串接相应的电阻进行加电测试，确认性能良好。
4.晶体三极管的选择
晶体管是指对信号有放大和开关作用。
晶体管可分两大类。
一类是结型晶体管,由两个结组成,有及两种结构。
这类晶体管工作时,半导体中的电子和空穴两种载流子同时都起主要作用,所以又叫双极型晶体管,习惯上又叫晶体三极管。
一般应考虑以下几个主要因素频率、集电极最大耗散功率、电流放大系数、反向击穿电压、稳定性和饱和压降等。
这些因素又有互相制约的关系,在选管时应抓住主要矛盾,兼顾次要因素。
例如对高频放大、中频放大、振荡器等电路用的晶体管,应选用特征频率肠较高、极间电容较小的晶体管,以保证在高频情况下仍有较高的功率增益和稳定性。
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）按照任务书上的要求，结合题型的目的，画出相应的电路框图。
根据电路图选择器件连接电路。
（2）设计各个模块的功能以及其详细的电路连接方法。
（3）先在MULTISIM7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好。
（4）检查设计思路以及电路，按照设计框图原理，查看仿真电路与原理图是否吻合。
如果不吻合则需要就将其逐个问题解决，直到所有问题都解决了为止。
反之就可以进行下一步。
（4）单击运行按钮运行仿真。
（5）根据仿真情况与课程设计任务对比，对于不能实现的任务修改并调试程序，重新装载并重新运行调试仿真，直到实现能完全实现所要求的功能为止。
（注意所选择的芯片参数是否正确，电解电容的极性是否连接正确，在测试看看各管脚的电平是否符合理论计算上达到的值，同时观察各个集成器件的各个管脚的电平变化情况，以及数码显示器的显示是否正确。
）
（6）进一步改进和简化程序在进行调试仿真。
2.具体的在MULTISIM7下检验病房呼叫系统的步骤如下：
（1）首先触发一个病人信号，看是否产生声、光报警，并且蜂鸣器声音响，数码管是否显示对应的病人编号；
直到完成了此功能，进行下一向调试。
（2）向调试触发多个病人信号，同样看是否产生声、光报警，并且蜂鸣器声音响，数码管是否显示最优先的病人编号；
如能完成此功能那么它是正确的。
（3）将最高级别呼叫开关断开后，系统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，系统将自动恢复到待机状态：
显示灯与显示数码管全灭，555计时器已经复位。
3.另外本设计整体功能如下：
（1）当病人按下呼救信号按钮，呼救灯亮，同时显示病人编号，蜂鸣器发出呼救声，等待医护人员来护理。
（2）按照病人的病情划分出优先级别，有多个病人同时呼救时，系统优先显示最高级别的呼救编号。
（3）当医护人员处理完最高级别呼救后，把该病房开关关闭，系统按优先等级显示下一个优先级高的病人编号。
（4）当医护人员治疗完全部的呼叫病患后，系统将自动恢复到待机状态：
4.3仿真结果
在MULTISIM7的仿真界面上可以看如下结果：
（1）系统处于待机状态：
显示灯与显示数码管全灭，呼叫模块已经复位。
结果如下如图所示：
图4.3.1待机状态
（2）首先触发一个病人信号：
3号，3号对应的发光二极管发光（红色），蜂鸣器声音响，数码管显示对应的3号病人编号；
完成了此功能。
结果如下图所示：
图4.3.43号床呼叫
（3）向调试开启1，5，6病人的呼叫信号，1,5,6号对应的发光二极管发光（红色），蜂鸣器声音响，数码管显示对应的6号病人编号。
图4.3.51号,5号,6号床呼叫
（4）将最高级别（6号）呼叫开关断开后，系统按优先等级显示下一个优先级高的病人编号（5号）。
结果如下
图4.3.61号,5号床呼叫
（5）当断开所有的呼叫开关后，系统将自动恢复到待机状态：
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
由于此课程设计被分为两个部分：
老师规定的电路安装调试（数字式抢答器）和学生自己假期完成的设计仿真（本设计为“病房呼叫系统”）。
所以安装调试部分的内容为“数字式抢答器”电路设计的实现。
数字式抢答器的功能要求如下：
电路上电后在抢答前，由主持人进行系统复位，确定抢答允许时间。
主持人发出抢答命令同时按下启动定时开关。
抢答者听到抢答开始命令后，通过各自的按钮开关输入抢答信号。
数字抢答器具有数字显示抢答者序号功能。
同时配有声、光报警，并且有抢答序号锁定功能。
对犯规抢答者（包括提前抢答和超时抢答）除有声、光报警外，还有显示抢答犯规者序号功能。
5.1安装调试过程
（1）根据原理设计理论在软件Multisim7上画出整机电路图，进行测试与调试，直到该电路能正确实现题目所要求的功能。
（2）根据设计的总电路图，选择所需要的电子元件和工具箱。
逐个测试元件的性能参数，检查线路和电路板的良好与否。
（3）查阅说明书与教材参考书，参考管脚图，清楚芯片的引脚的功能，并对照电路图在工具箱上面根据信号流向逐步接线，认真的检查电路是否正确，注意器件管脚的连接，“悬空端”、“清零端”、“置1段”等要认真谨慎正确处理，认真分析是什么状态的电平有效。
（4）从电源开始调试，看电源的输入输出是否正确，电源的电压值是否正确，看脉冲是否已经接入。
（5）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，均能正常工作，将它们连接起来进行统调和系统测试。
即可进行总机调试，观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装是否发烫等。
（6）主要功能的测试：
分别测试正常抢答时（无犯规者）的电路功能是否，再测试非正常抢答时（有犯规者）的电路。
（7）如果出现异常现象，立即关断电源，排除故障后再通电源。
5.2故障分析
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的综合考验，它不但要求对硬件电路容易出现的故障有很好的了解，而且对整个系统的设计更要有一个深刻的认识。
下面是一些分析的总结：
1忘记加电。
所有的集成芯片都要在接入电源的情况下才能工作，在实验中往往忘记为一些芯片加电源，尤其是有些集成的门电路芯片
2元器件错误。
这类错中主要包括看错元器件的型号，或者粗心将元器件的管脚连错，还有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，都要先仔细的排查电路连接是否正确，再接通电源进行该模块的调试，以免发生短路或电源接反等情况出现。
在调试一个模块的时候，要时刻注意元器件的情况，以避免元器件损坏。
当发现模块中的某一个模块的某个元器件过热的时候，就应对这个元器件进行测试，是否损坏。
3设计的错误。
这类错误主要在设计的阶段发现，在系统设计时，应该对设计方案精益求精，对设计原理进行反复推敲，以发现系统的设计错误。
当然这类错误也可能在调试过程中才发现，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，这个时候就应该对系统原理再进行分析。
4.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问题。
紧接着，熟练运用万用笔来排查该模块的每一个原件，直到找到错误出现的原件，并更正错误。
注意：
在更换原件或者更改电路连接时一定要切断电源，并且连接后要检查，以免发生类似短路的问题。
第6章结论
6.1对于病房呼叫系统的仿真设计
（1）能实现的功能
当有病人紧急呼叫时，产生声，光提示，并显示病人的编号；
根据病人的病情设计优先级别，当有多人呼叫时，病情严重者优先；
医护人员处理完当前最高级别的呼叫后，系统按优先级别显示其他呼叫病人的病号；
拥有自动复位功能。
（2）本设计分为四个主要功能模块：
（3）其中运用了8线—3线优先编码器74LS148来实现优先选择模块主要功能，其中运用自己设计的小规模逻辑门电路，7段字形译码器74LS47D和共阴极七段数码管来实现译码显示模块主要功能，运用555定时器来实现呼叫模块。
（4）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。
6.2对于数字式抢答器的安装调试
在实验老师的指导下，在规定的时间内完成了数字式抢答器电路的安装与调试。
更加加深了我对于各种仪器与芯片原件的了解，提高了动手实践能力。
第7章使用设备仪器清单
所用主要仪器见表1
表7.1所用主要仪器
名称
元件型号/规格
数量
六非门
74LS00（TTL）
4片
四输入与门
74LS08（TTL）
四输入或门
74LS32（TTL）
2片
三输入端与门
74LS15（TTL）
1片
8线—3线优先编码器
74LS148
7段字形译码器
74LS47D
555定时器
555
电阻
150欧姆/100欧姆
15个/1个
144欧姆/288欧姆
1个/1个
电容
0.01μF/10μF
数码管
7段共阴极
1个
LED（发光二极管）
红
6个
蜂鸣器
电源
5V/12V
2个/1个
三极管
NPN
参考文献
收获、体会和建议
通过这次实验设计，完成了病房呼叫系统的原理设计与仿真实现，运用模块化的设计思想将系统分为四大功能模块：
还充分理解了74LS148、74LS47D、74LS00、共阴极数码管及NE555的引脚图和它们的性质功能。
在这次实验中，更熟悉了Multisim7仿真软件的使用，知道了一些元件的，如蜂鸣器、芯片及各种开关的使用方法。
在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是设计时认为这样的接法可以行得通，但实际模拟仿真时，总是实现不了。
所以为了想出恰当正确的连接方法，重新认真的回顾教材，寻找灵感。
在做数字式抢答器的安装与调试时，虽然遇到了很多问题，但在实验老师的指导下，运用电子仪器与排查的方法，顺利地解决问题并完成任务。
学会了更加熟练地用万用表进行原件的检测与线路的排查。
实验前要检查导线是否完好，还要检查芯片及数码管的好坏。
其实做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时只停留在书面学习是不够的。
当动手实践做课程设计时，很多意想不到的问题就会出现。
但是随着亲自动手将问题解决后，发现对于数字电子的知识理解又上了一层。
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