吴小荣2169病人呼喊器分析.docx
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吴小荣2169病人呼喊器分析
学号
20142169
姓名
吴小荣
学制
大专
专业
电子信息工程技术
年级
大三
班级
信息一班
指导教师
周南权
复审教师
设计题目
病人呼喊器
指导教师评语：
成绩：
指导教师签名：
年月日
系复审意见：
成绩：
复审人签名：
年月日
系部终审意见：
公章年月日
答辩情况记录
答辩题目
答辩情况
正确
基本
正确
经提示
回答
不正确
未回答
此表由主持答辩的同志填写。
答辩委员会（或小组）评语：
成绩：
主持答辩人签名：
职称：
月日
毕业设计任务书
一、设计题目：
病人呼喊器
二、原始依据（选题背景）
三、毕业设计（论文）的内容和要求（包括技术要求、图表要求以及工作要求等）：
1.设计内容：
病人呼喊器
2.设计要求：
1）用Protel99SE等电子CAD软件设计出原理图，并制作出相应的PCB印制板图
2）用仿真软件仿真出效果，要有仿真图证明其仿真过程。
3．设计参数：
1）住院病人可以通过按动自己的病床床位按钮开关向医护人员发出“呼喊”信号；
2）一旦有病人发出“呼喊”信号，医护人员值班室设置的显示器立即显示该病人的病床编号，同时扬声器发出声响信号提示值班人员。
3）设计“呼喊”器所需的直流稳压电源。
4）用Protel99SE等电子CAD软件设计出原理图，用仿真软件进行仿真，并制作出相应的PCB印制板图。
四、毕业设计论文撰写内容、格式、字数的要求；‘
毕业设计（论文）的内容为：
封面、首页、中文摘要和关键词、目录、引言、正文、结论、致谢、参考文献、附录等。
字数不少于10000字。
五、参考资料：
六、毕业（课程）设计时间期限：
2016年10月20日至2016年12月30日
指导教师：
周南权
2016年11月12日
二、毕业设计应完成的图纸：
系统仿真结果显示图见14页，PCB原理图见15页，医院住院病人呼喊器整体电路图见16页。
三、其他要求：
四、毕业设计的期限：
自2016年10月20日2016年12月30日
五、毕业设计（论文）进度计划：
起至日期
工作内容
备注
题目：
病人呼喊器
摘要
为了让医院能够最好的为病人服务，减少医护人员的巡查次数和工作量，医院住院病人呼喊器十分必要的。
应用本设计可使病人及时通知医生，并使医生能够通过显示器和报警声很快的知道求助病人的确切床位，从而及时抢救。
以555构成的单稳触发器为核心，用5秒呼叫模块，优先编码显示模块，呼叫显示模块来设计的病房呼叫系统。
该系统具有优先级，造价低廉，能确保呼叫信息不流失，终端数码管显示呼叫地址，声音报警等功能。
关键词：
呼喊器；555定时器；优先编码显示
1.设计任务:
病人呼喊器２
1.1设计目的和意义２
1.2设计要求及任务２
2.系统设计３
2.1总体方案设计３
2.1.1工作原理３
2.1.2系统组成３
2.2各单元模块功能介绍及电路设计４
2.2.1
（1）5秒呼叫模块４
2.2.1
（2）555定时器５
2.2.1（3）蜂鸣器６
2.2.1（4）74LS20D６
2.2.2数字显示模块７
2.2.2
（1）呼叫显示模块７
2.2.3
（2）优先显示模块８
2.2.3（3）74LS48优先编码器８
2.2.3（4）74LS148９
2.2.3（5）数码显示器１０
2.2.3所需5V直流稳压电源电路模块１１
3.电路仿真及测试１２
3.1电路仿真１２
3.2系统功能测试１２
4.实习总结１３
附录１４
1.设计任务:
病人呼喊器
1.1设计目的和意义
为了让医院能够最好的为病人服务，减少医护人员的巡查次数和工作量，医院住院病人呼喊器十分必要的。
应用本设计可使病人及时通知医生，并使医生能够通过显示器和报警声很快的知道求助病人的确切床位，从而及时抢救。
本设计的病房呼叫系统是应用555计时器逻辑门电路，采用数字、模拟电路的一些基础原件来，来实现的具有优先级的结构简单，安装方便病房呼叫系统。
当有病人进行呼叫时，系统会自动先处理具有优先级别的病房的编号，同时产生光信号和5秒钟的声音信号。
另外在产生信号的同时系统会显示呼叫病人的病房编号。
这样医护人员可以根据呼叫信号的优先级别及时对每一位呼叫病人进行救治。
当有多个病人同时进行呼叫时，系统会根据优先级别自动呼出当前呼叫中的最高级别呼叫信号而对其它低级别的呼叫信号进行自动保存，在当前的最高级呼叫信号被医护人员完成后，按下清零后，自动输出所保存信号呼叫中最高级别的呼叫，直到每位病人处理完毕。
1.2设计要求及任务
设计一种有线“呼喊”器，供住院病人“呼喊”医护人员时使用。
其基本功能要求如下：
1.住院病人可通过按动自己的床位按扭开关向医护人员发出“呼喊”信号；
2.一旦有病人发出“呼喊”信号，医护人员值班室设置的显示器即显示出该病人的床位编号，同时扬声器发出信号提示值班人员；
3.设计“呼喊”器所需的直流稳压电源。
2.系统设计
我们通过查阅相关资料，对各个模块进行独立分析。
其中包括5秒呼叫模块、呼叫显示模块、优先显示模块、所需5V直流稳压电源等各模块。
我们通过对比和总结，结合实际能力，选择和搭配了如下的硬件模块结构。
2.1总体方案设计
2.1.1工作原理
用锁存器锁存，再用一个8线-3线优先编码器74LS148D对病房号编码，再用译码器74LS48D译出最高级的病房号。
当有病房号呼叫时，通过译码器和逻辑门触发（由555构成的单稳触发器）从而控制蜂鸣器发出5秒钟的呼叫声。
呼叫信号控制晶闸管从而控制病房报警灯的关亮。
若有多个病房同时呼叫，待医护人员处置好最高级的病房后，由人工将系统复位（手动）。
系统工作流程图如图1所示。
图1工作流程图
2.1.2系统组成
根据设计要求可设计出如下合理的逻辑门电路。
病房呼叫系统的逻辑门电路如图2所示。
它由模拟开关、优先编码器、锁存器、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。
并且通过锁存器储存起来，按清零键清除已处理的信号。
呼叫显示模块
5秒呼叫模块
复位按扭
锁存
优先显示模块
病房
图2病房呼叫系统的逻辑方框图
2.2各单元模块功能介绍及电路设计
2.2.1
（1）5秒呼叫模块
图35秒呼叫模块截图
5秒呼叫模块截图如图3所示。
利用555集成时基电路组成脉冲启动型单稳态电路，产生定长时间的震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。
此电路由74LS20D双4输入与非门、74F02D或门、555构成的单稳态触发器和蜂鸣器组成。
开关初始状态为全低电平，将开关的所有输入端经与非门后接入555的触发输入端，再由555的输出端接蜂鸣器。
当无病房呼叫时，模拟开关无低电平输入给逻辑门。
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。
所以此时蜂鸣器无声音。
只要有病房呼叫时，555将接入低电平，触发器被触发，进入暂稳态状态中。
其输出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=454×103×10×10-6×1.1=5s
这里取470k的标准电阻。
2.2.1
（2）555定时器
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，其电路原理图如图4。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
图4555定时器
555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
2.2.1（3）蜂鸣器
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，它的外形常见的有以下几种，如图5所示。
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。
图5常见蜂鸣器外形
2.2.1（4）74LS20D
74LS20D为双4输入与非门，由两组4输入端与非门（正逻辑）构成，其引脚图管脚图如图6所示。
74LS20D的输入输出逻辑表达式为Y=
。
图674LS20D引脚图管脚图
2.2.2数字显示模块
2.2.2
（1）呼叫显示模块
图7呼叫显示模块截图
呼叫显示模块截图如图7所示。
利用发光二极管的特性，使发光二极管串联在电源上，使用呼叫信号控制相应的发光二极管，当有病房呼叫信号来时，二极管发光报警，直到人为复位清零。
当无呼叫时，呼叫开关都处在断开状态，二极管不亮。
当有呼叫时，相应的模拟开关会接通低电平，这时二极管两端有足够的正向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，信号触发出稳定的报警输出，直到人为处理。
该电路总共采用8路，分别代表8个病床，如果想要扩展，可在该基础上进行扩展。
此处为了便于设计，采用8路按钮开关。
另外，该开关电路优先级是不同的，代表着病人的病危程度，以便及时抢救，即优先级由0~7逐级递减，0级为最高级，病人病情最严重，病房级别最高。
也就是说如果某一高级病床呼叫，在报警期间，其他较低级开关无效。
我们设计的报警时长是5s。
我们此处设计的是简易装置，如果需要优先级或者可查询，可在此基础上进行软硬件的扩展，实现所需功能。
2.2.3
（2）优先显示模块
图8优先显示模块截图
优先显示模块截图如8。
本设计采用各个呼叫信号通过优先编码器进行采集输入信号并编码再通过锁存器进行锁存再送入译码器的方法。
此方法简单实用，易于实现。
用可编程逻辑控制电路，在应用中能非常方便有效的控制，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码优先位及相应电路的应用，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。
此电路由模拟开关、优先编码器74LS148D，74F02D、译码器74LS48D、数码管等组成。
2.2.3（3）74LS48优先编码器
74LS48为有内部上拉电阻的BCD－七段译码器/驱动器，共有54/7448、54/74LS48两种线路结构型式。
其逻辑图和功能表分别如图9和表1所示。
图974LS48逻辑图
表174LS48功能表
2.2.3（4）74LS148
8线－3线优先编码器简要说明：
148为8线－3线优先编码器，共有54/74148和54/74LS148两种线路结构型式，148将8条数据线（0－7）进行3线（4-2-1）二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。
其管脚图和功能表分别如10图和表2所示。
图1074LS148管脚图
表274LS148功能表
2.2.3（5）数码显示器
在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。
因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。
数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。
数码的显示方式一般有三种：
第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示某字符，只须使相应的电极发亮即可，如辉光放电管、边光显示管等。
第二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成，如荧光数码管等。
第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组合便可显示不同的数码。
数字显示方式目前以分段式应用最普遍，图5.3.6表示七段式数字显示器利用不同发光段组合方式，显示0～15等阿拉伯数字。
在实际应用中，10～15并不采用，而是用2位数字显示器进行显示。
其七段数字显示器发光组合图如下所示，它是通过译码器对其A.B.C.D.E.F.G段二极管的明暗进行控制，最后使得其显示出一定的数字模式，如图11所示。
图11七段数字显示器显示数字
2.2.3所需5V直流稳压电源电路模块
图12所需5V直流稳压电源电路模块截图
集成稳压器的典型应用电路如图12中电源部分所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。
IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。
当输出电较大时，7805应配上散热板。
另外，XSC1用来观察电源输出电压的波形是否稳定。
3.电路仿真及测试
3.1电路仿真
此电路我们需要调试的东西不多，首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部分是否连接正确和连接端是否连接好。
注意我们所需要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我们理论上达到的值，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.如有不正确的就将其逐个问题解决了再进行后面的调试，直到所有问题都解决了为止。
各模块连接好之后就可以对电路进行调试了。
首先触发一个病人信号，看是否产生声、光报警，并且声音响5秒，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。
下一向调试触发多个病人信号，同样看是否产生声、光报警，并且声音响5秒，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。
3.2系统功能测试
在有多个呼叫信号同时产生时，对已有的最高级别信号进行清零，观察系统是否能够对剩余信号中的最高级别信号进行优先呼叫。
或者在原有呼叫信号的基础上再输入一个最高级别的呼叫信号，观察系统是否能将此最高呼叫信号优先呼叫。
此设计是用于医院病人的紧急呼叫，它的功能如下：
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5秒呼救声，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，按下清零键，系统按优先等级先后显示其他病人编号。
4.实习总结
“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性教学环节，是对我学习电子技术的综合性训练。
我非常珍惜这次做课程设计的机会.
本设计是为在病人紧急需要时能很快进行救治的呼叫系统,增强医护人员更好的监护病人。
此系统的优点特色在于可以设立呼叫优先等级而不是单纯的病人呼叫，这样避免在有多个病人同时呼叫时，医护人员不知道应该先救治哪个。
利用本系统设立呼叫等级后，当有多个呼叫信号时，呼叫系统会自动先显示最高级别的呼叫，使病情严重的病人得到优先救治。
同时系统自动锁存其它的呼叫信号，在高级别呼叫清零后自动对其它信号进行显示呼叫。
这样让所有病人都能够获得救治，这种由医院根据病人病情设立的具有呼叫等级的控制系统可有效控制因病人突发病情而医护人员却未能及时救治导致病人病情严重甚至死亡的严重后果。
同时这种病情严重者优先的呼叫系统也体现了人性的美德和医院救人的精神。
在设计初期我遇到了很多困难，感觉对课题无从下手，不知道从何开始，当我查阅了大量资料和询问了老师同学后，才开始有些眉目。
起初我不知道怎样区分病人的优先级；当多信号同时呼叫时，对较低等级的呼叫信号不知道怎么处理，才能保证当高级别的信号被清零后，低级别的信号能及时的由系统自动呼出等等。
这些问题苦恼了我很长的时间，后来才在我翻阅相关书籍和浏览相关网站时找到了解决问题的办法，才知道这些问题的解决方法。
这也使我对学习的认识有了更深入的了解，对理论联系实际有了更加深刻的体会。
通过对电路图通过protel99se仿真的结果的分析可知道此电路基本符合此次课程设计的设计要求。
附录
系统仿真结果显示图如下
PCB原理图如下:
医院住院病人呼喊器整体电路图如下：
参考文献
[1]韩春光.模拟电子技术与实践.电子工业出版社，2009.9
[2]王正勇尹洪剑霍福翠EDA技术与应用实践.高等教育出版社，2014.8
[3]任德齐.电子线路CAD项目化教程.重庆大学出版社，2013.12
[4]张志良.数字电子技术机车.机械工业出版社，2007.7
致谢
首先衷心地感谢我的导师周南权。
本文从选题到完成，从理论上的探讨到实际问题的解决，无处不饱含着周老师的心血。
周老师的悉心指导和建议给了我极大的帮助和支持，使我受益匪浅，在此论文完成之际，谨向周老师致以深深的谢意和崇高的敬意。
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