医院住院病人呼喊器的设计与仿真.docx

课程设计名称:题目：学院:学生姓名: 专业:成绩电子技术课程设计医院住院病人呼喊器的设计与仿真电气信息学院王邦吉电气工程与自动化医院住院病人呼喊器的设计与仿真摘要：在当今快节奏的社会里，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切当床位，从而及时抢救。该设计以555构成的单稳触发器为核心，加之呼叫显示模块来设计病房呼叫系统。文中还对两种不同的方案进行了比较，并对关键器件进行了功能介绍和整体电路的仿真测试。关键词：呼喊器，555定时器，七段数码显示管Abstract：nthefast-pacedsociety,itisofgreatsignificancetoenablethehospitaltobestservethepatientsbyimprovingefficiencyandreducingmedicalpersonnel.Therefore,thehospitalpatientannunciatorisverynecessary.Usingthisdesigncanenablesthepatienttonotifythedoctoroftheirneedsconvenientlyatanytime.Therefore,thedoctorcanimmediatelyIoacatethepatientthroughthealarmsystemandthedigitaldisplay,andthuscarryoutrescueworkintime.Ourelectronicdesignismainlybaselyontheflip-flop555andthedisplaymoduletoformthealarmsystem.Inthispaper,weexaminedcloselytwopossibledesigns.Thenwechosethebetteronetoconductsimulationandtestthefunctionoftheelectriccircuit.Keywords：annunciator,digitaldisplay,555timer,alarm1 .前言12 .总体方案设计22.1 总体功能22.2 方案比较22.3 方案论证与选择33 .单元模块设计43.1 各单元模块功能介绍及电路设计43.2 电源模块设计43.3 报警模块设计53.4 数码显示模块设计104 .系统调试165 .设计总结18致谢19结文献20附录21.ir三随着社会的不断发展，医院也需要一个更加完善的医护系统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，提高医护人员的工作效率,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切当床位，从而及时抢救。我们这组设计的医院住院病人呼喊器可以实现最基本的呼喊功能，即按下呼喊按钮后，报警器报警，数码显示管显示病床号。当医护人员按下复位键后可重新接受呼喊信号。为了便于在仿真时看到报警效果，我们用灯泡替代了蜂鸣器。我们设计的病房呼叫系统是应用555定时器逻辑门电路，采用数字、摹拟电路的一些基础原件来实现的结构简单、安装方便的病房呼叫系统。2.总体方案设计21总体功能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；一旦有病人发出“呼喊”信号，医护人员值班室设置的七段数码显示管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，同时数码显示管被锁定。当医护人员按下复位键后，警报住手、显示管清零，整个系统可以再次接收新的呼喊信号。2.2方案比较通过查阅相关资料，以及课题小组的其它设计方案，拿出了两种方案来实现系统功能。下面将对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。两方案的主要差别体现在数码显示的方式上。图2-1两方案的原理框图方案一方案一当病人按下呼叫按钮（即呼叫信号输入）时，其信号分别输入到报警电路以及数码显示管电路。其报警电路由两555定时器构成，其作用分别为单稳态触发器和多谐振荡器产生方波使报警器鸣叫。其数码管显示电路分别由两路锁存器、编码器、数码显示译码器以及七段数码显示管构成。其显示方案为两个显示管共同构成一个由99的病床号。因此其显示管则需用两8线一3线组成的一个16线一4线编码器来实现09的编码及其后面显示管的显示。此方案的优点是把所有的病床号进行的统一的编码。方案二方案二与方案一的电路结构大致相同惟独在显示编码时有一点小差异。其数码管显示电路分别由两路锁存器、编码器、数码显示译码器以及七段数码显示管构成，其中每一路只使用一个8线-3线编码器，所以每一个七段数码显示管只能显示0-7这八个数。此两数码显示管分别代表为病房好以及病房内的病床号。此种方案能够让医护人员清晰地知道其呼叫病人所在的病房，有利于医护人员的工作，并且这种接法使用的编码器更少，电路更简单，不易出错。2 .3方案论证与选择两种方案分别是我们设计小组的方案，以上两种方案均能实现病人的呼叫显示及其报警，各有优缺点。方案一能够很方便的显示各个病人的病床号，且能够实现每层100号病床的显示及其报警。但是由于要用两个74LS148构成一个16线一4线编码器才干实现0、9的编码，路线连接相对多且杂，因此易出错。方案二则能够很好的显示病床号以及病人所在的病房号。但是由于只用了一个74LS148构成的8线一3线编码器，而此编码器只能实现07的编码，所以只能实现49（该设计中惟独0-7用来表示病房和病床）个病床的显示及其报警。但是此方案能很好的显示其呼叫病人所在的病房，从而大大的方便了医护人员及时的去救治。且此方案少了两个74LS148编码器故而连接方式也简化不少，不易出错。基于此我们选择方案二。3 .单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为3个单元模块，它们分别是：电源模块、报警模块和数码显示模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.2 电源模块设计从以下几方面进行说明：1、该模块的具体功能是将220V的市电降压整流滤波稳压，得到5V的直流电。2、该模块的组成：变压器、桥式整流二极管、滤波电容、三端集成稳压器。工作原理：市电通过降压器，得到5V交流电，再经过桥式二极管的整流，滤波电容的滤波，以及三端集成稳压器的稳压，得到5V的直流电。3、模块的结构框图如图3-1所示：图3-1电源模块结构方框图4、模块的具体电路如图图3-2电源模块结构电路图集成稳压器的典型应用电路如图中电源部份所示，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,Cl.C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电压较大时，7805应配上散热板。此外，XSCl用来观察电源输出电压的波形是否稳定。3.3 报警模块设计从以下几方面进行说明：该模块的主要功能是当呼叫信号输入时，经过一个由555定时器组成的单稳态触发器用来形成一个单次脉冲，并且高电平向来持续下去，此时多谐发生器的复位端4无效，于是多谐发生器产生方波信号。最后此方波信号经过蜂鸣器发出警报，直到医护人员按下复位键后住手。由于蜂鸣器不便于在仿真软件中得以展示效果，所以我们使用了一个电灯泡进行替代。1、模块的结构框图如图所示单稳态电路图3-3报警模块结构方框图2、555定时器的功能介绍RD84& >r 1 r VoJ I555定时器是一利摹拟，出数字场褪相结合的中规模集成器件。55q普通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4.5V16V工作，7555可在3F8V工作，输出驱动电流约为200mA,于是其输出可与TTL.CMoS或者摹拟电路电平兼容表1555定时器的参数表参数符号数值单位电源电压Vcc16V导致温度（焊接10秒）TLEAD300oC功耗PD600mW工作温度范围1.M555/NE555SA555TOPR0+70-40+85oC储存温度范围TSTG65+150oC3、由555定时器组成的单稳态触发器图3-5单稳态解发器电路图Tw=RCIn3=1.1RC由此我们可以选择R=WOKQ,C=0.7pfo即形成一个5秒的单次脉冲波。触发信号Vi是一负脉冲。当触发脉冲尚未输入时，Vi为高电平且Vl>13%c,比较器C2的输出为1o若Q=O,则晶体管T饱和导通，电容C通过T放电，直至当VC<23Vcc时，比较器q输出为1,触发器状态不变；若Q=1,则晶体管T截止，电容C充电，当Vo23Vcc时，C输出为0,使RS触发器翻转成Q=O。一旦RS触发器翻转成0k1状态，若无外触发脉冲则状态向来保持。所以在触发负脉冲Vl到来前，Q=0、输出V0为零，是稳定状态。若在I时输入幅值低于1/3VCC的触发负脉冲，则C2的输出为0,将RS触发器置1,Vo由O变为1,电路开始进入暂稳状态。此时晶体管T由于Q=1而截止，电源对电容C充电。即使在t2时刻触发负脉冲已消失，C2的输出变为I=%，但%为低电平有效，故电源对电容C的充电继续进行。直到t3时Vc=23Vcc,5的输出为0,才使触发器翻转到Q=O稳定状态。此后电容C迅速放电。可见，Q=1、输出Vo为高电平，是暂稳状态。4、由555定时器组成的多谐振荡器振荡频率为:1.43必W (R1+2R2).C(31)(3-2)(33)由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用的是差分电路的电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的震荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，惟独两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。R1,R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端(6脚)和低电平触发端(2脚)并接后接到R2和C的连接处，将放电端(7脚)接到R1,R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压UC为低电平，小于1/3VCc,故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1,R2对电容C充电，使电压UC按指数规律上升，当UC上升到2/3VCC时，输出Uo为低电平，放电管Vt导通，把UC从(1/3)VeC上升到2/3VCC这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=(R1+R2)Co由于放电管Vt导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进入第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放=R2C0随着C的放电，UC下降，当UC下降到(1/3)VCC时，输出UOo为高电平，放电管VT截I匕VCC再次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，UC电压总是在(1/32/3)VCC之间变化。3、模块的具体电路如图所示：喊号 呼言LK. MOCn $U18NE! 55何 SEE OUTCOHTTHRESTWO 2 OtSCMseg outCONT T»««STRIG Z C蜂鸣器IitC05图3-9报警模块电路图3.4 数码显示模块设计.数码显示模块的主要功能是：呼叫信号分两路输入，首先经过两锁存器锁存信号，其中一个锁存病房信号，另一锁存病床信号。然后锁存住的两路信号分别进入两74ls148八线三线编码器形成二进制信号，再经过两个74ls47数码显示译码器翻译为七段译码信号，最后再进入七段译码显示器最终显示成为数字表示病房号以及病床号。1模块的结构框图如图所示：图3-10数码显示结构方框图2、74HC573锁存器74HC573表274HC573功能表功能表:罐入输出输出使能锁存使他DQLHHHLHLLLLX不变HXXZX=iZ一品以抗74HC573特点：三态总线驱动输出置数全并行存取使能输入有改善抗扰度的滞后作用原理说明：M54HC563/74HC563/M54HC573/74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能(G)为高时，Q输出将随数据(D)输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或者低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特殊合用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器操作电压范围：2.0V6.0V低输入电流：LOuA2、74LS148编码器UccOsOex3I2IiIoQa9I74LS14818I4IIeI7IsQcQbGND图3-1274HC148编码器引脚图表374LSl48功能表InputsOutputsEl01234567A2AlAOGSEOH×X××X××XHHHHHLHHHHHHHHHHHHLLXXXXXXXLLLLLHL×X×XXXLHLLHLHLX×X×XLHHLHLLHL×XX×LHHHLHHLHLXXXLHHHHHLLLHLXxlhhhhhHLHLHLXlhhhhhhHHLLHLLhhhhhhhHHHLH74LS148编码器功能74148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC(16)和GND(8)外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。其中1017为输入信号，A2,A1,AO为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。使能输出端OE的逻辑方程为：OE=IOIl1213141567IE当能使输入IE=I时，禁止编码、输出(反码)：A2,Al,AO全为I0当能使输入IE=O时，允许编码，在I(117输入中，输入17优先级最高，其余依次为：16,15,14,13,12,10,IO等级罗列。OE为使能输出端，它只在允许编码(IE=O),而本片又没有编码输入时为Oo扩展片优先编码输出端GS的逻辑方程为：GS=(IO+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7)-IEGS为片优先编码输出端，它在允许编码(IE=0),且有编码输入信号时为0；若允许编码而无编码输入信号时为1;在不允许编码(IEn)时，它也为1(。GS=O表示“电路工作，而且有编码输入”3、74LS47数码显示译码器表474LS47功能表TruthTableDecimalorFunctionInputsOutputsNoteLTRBIA3A2AlAOBL1RBOabCdeT00HHLLLLHLLLLLLH(Note2)1HXLLLHHHLLHHHHNote2)2HXLLHLHLLHLLHL3HXLLHHHLLLLHHL4HXLHLLHHLLHHLL5HXLHLHHLHLLHLLeHXLHHLHHHLLLLL7HXLHHHHLLLHHHH8HXHLLLHLLLLLLL9HXHLLHHLLLHHLL10HXHLHLHHHHLLHL11HXHLHHHHHLLHHL12HXHHLLHHLHHHLL13HXHHLHHLHHLHLL14HXHHHLHHHHLLLL15HXHHHHHHHHHHHHBIXXXXXXLHHHHHHH(Note3)WHLLLLLLHHHHHHHNot4)LTLXXXXXHLLLLLLL(Note5)74LS47数码显示译码器功能：该电路是由与非门、输入缓冲器和7个与或者非门组成的BCD-7段译码器/驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个与或者非译码门。剩下的与非门和3个输入缓冲器作为试灯输入(LT)端、灭灯输入/动态灭灯输出(BI/RBO)端及动态灭灯输入(RBI)端。该电路接受4位二进制编码一十进制数(BCD)输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。输出结构设计成能承受7段显示所需要的相当的电压。驱动显示器各段所需的高达24mA的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。BCD输入计数9以上的显示图案是鉴定输入条件的惟一信号。该电路有自动前、后沿灭零控制（RBl和RBO）o试灯（LT）可在端处在高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI）,它用来控制灯的亮度或者禁止输出。4、七段数码显示管：40!EBHSblSA"""-"""1""Z"""l7"4f"""1"-j图3-13七段数码显示管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份。数码显示器是用来显示数字、文字或者符号的器件，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。数码的显示方式普通有三种：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罗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015等阿拉伯数字。在实际应用中，1015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5、数码显示模块具体电路如图：图3-14数码显示电路图4 .系统调试用TinaPro8.0软件进行该呼叫器的仿真测试。仿真的原理：通过用TinaPro8.0仿真软件，将所设计的电路图画出来，首先将各个模块连接到一起后,注意检查各个部份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，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。在测试复位键功能的时候，直接把74LS148的GS连接到锁存器74IIC573的EI不能正常复位，但是直接测GS的电位发现都是所需的高电平。后来分析可能是连接到El后降低了输出电阻，于是在GS和EI之间接了一个IK的电阻增大输出电阻。然后再进行仿真，得到了想要的结果。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，看是否产生光报警，数码管是否显示对应的病人编号；直到完成为了此功能，进行下一向调试。下一向调试触发多个病人信号，同样看是否产生光报警，如能完成此功能那末它是正确的。下图为其中一个病床呼叫的仿真图图4-1TINA软件对呼叫电路的仿真图第16页上图是当左方第三个开关按下的结果，可以看到上方的灯泡处于发光状态下方两数码显示器显示2和1,即显示的是二号病房第一号床位按下了呼喊器上图是当左方第二个开关按下的结果，可以看到上方的灯泡处于发光状态下方两数码显示器显示1和2,显示的是一号病房第二号床位按下了呼喊器。5、设计总结1完成情况我们这次课程设计完成得基本上还算比较成功，能够实现呼喊器报警、显示、复位的基本功能。平心而论，我们这组这次课程设计的题目是比较简单的，虽然用的芯片有点多、连线比较密，但是要实现的功能并不复杂。即便如此，我在这次课程设计中还是遇到了不少意想不到的艰难。我负责的仿真这一块就时常浮现线都连对了，但是电路就是不能正常工作的情况。后来甚至还迫不得已中途更换仿真软件，把multisimll换成为了TinaPro8.0,总算使得仿真得以顺利完成。由于对仿真等电路软件的不够熟悉和时间所限，我们这次课程设计还有不少不完善的地方。比如说，病人的呼喊信号我们没能够按照先后顺序进行锁存，然后再一一在医护人员那里显示，呼喊信号也不能够按照病房的优先级顺序进行显示。所以说，我们这次课程设计还有较大的改良空间，这也暴露出我们在平时学习中重理论、轻实践的问题。很庆幸通过这次课程设计认识到这些问题，以便在以后的学习生活中注意改正。2心得体味这次课程设计使我感触颇多，最重要的一点就是让我感受到了理论和实践是有很大差距的。以前向来非常注重理论知识的学习，对这些电路仿真软件只是有所耳闻，知之甚少，在开始进行仿真时不少元件都找不出来。还有几次仿真电路都按照设计的连好了，可就是运行仿真无法得到想要的效果。最开始我使用的MUItiSinIIl进行仿真，由于它的元件库十分有限，我们电路中的锁存器74HC573在multisimll中没有，经多方查阅资料，最终才发现可以用74F573代替；同样的CC4511被换成为T4511BD,功能略有不同，又必须重新查阅资料。后来，由于锁存功能无法实现，我们还是不得不抛却Multisimll,改而使用TinaPro8.0进行仿真，这是我们感觉最为沮丧的时候，这相当于另起炉灶。我们深刻地体味到了进行电路仿真绝不是连连线那末简单！还比如数码显示译码器就有CC4511、74LS47、74LS48等多种型号，每一种在使能端的功能等地方又略有差别，不得不反复进行试验才干确定。在经历了这次课程设计以后，我明显地感觉到了自己在电路相关软件使用上的不足，这在以后的学习中是我需要努力的方向。毕竟有不少实践方面的东西虽然老师课堂上没有提及，但是在以后工作中将是非常重要的。致谢:在这次课程设计中，我至始至终都得到了陈海川老师的悉心指导和点拨，启示我解决了不少自己难以完成的任务，使得我们的课程设计及其论文得以顺利完成。在此，我要向陈老师表示衷心的感谢！最后，感谢所有赋予我关心和支持的老师和同学！参考文献1黄萍,裴素华555定时器的自动化设计及其应用J现代电子技术2022.18187-1892乜国荃基于555的函数发生器的设计与仿真分析J榆林学院学报2022.19.436-383王立功Multisim仿真软件在电子电路分析中的应用J科技情报开辟与经济2022.19.6104-1074陈志贵,郭隐彪MUItiSinl在数字电子设计中的应用技巧J机电产品开辟与创新2022.20.2148-1495赵战民数码管显示方法的比较J机械与电子2022.20706孙浩Tina软件在实用电子电路中的应用J仪表技术2022.960-617康光华电子技术基础（数字部份）M高等教育出版社2003.38康光华电子技术基础（摹拟部份）M高等教育出版社2003.49彭军电子路线设计与制作.M科学出版社，2005.410宋家友.张友汉.新编电子路线设计实用手册.M福建科学技术出版社，2022.5附录1相关设计图÷医院住院病人呼喊器仿真图U3OoU9口。Irnsloosmhu0½H11U40。(S3。S0uucU6呼喊器PCB板OooooooOPa/O修OVoOIc4o>2OooooIDs-0。2相关设计软件AltiumDesignerWinter09(AD9)Multisiml1(后换为TinaPro8.0)TinaPro8.0仿真软件Microsoftword2022