医院呼叫电路系统的设计.doc

医院呼叫电路数字电子技术课程设计报告题目名称:医院呼叫电路系统的设计姓 名： 刘文敬 专 业： 电子信息科学与技术班 级： 09级2班 学 号： 0901050220 指 导 教 师： 张秀娟 信息科学与工程学院电子信息系2011年 12月 25日摘要设计课题：本次课程设计针对日常生活中医院中所用电路的实际问题问题，设计一个简易的医院病房呼叫系统。要求实现为以下三点功能：1、设计一个具有8个或8个以下的房间使用呼叫电路。2、根据病号的轻、重采用优先编码器，首先对重病号作出反应。 3、电路能显示该病号的房间号和电笛响，以告示护士或医生有病号呼叫。总电路分解后的主要电路模块：呼叫信号电路模块、信号锁存电路模块、复位电路模块、优先显示模块、铃响电路模块。所用芯片及元器件：16个单刀双掷开关key、4个维持-阻塞型D触发器74LS74、1个优先级编码器4532、1个七段码译码器4511、1个共阴极LED七段码显示屏、7个300限流电阻、1个四2输入或非门芯片74LS02、1个四2输入与门芯片74LS08、1个555时基电路芯片、1的频率为200Hz的电铃BUZZER、1个470k的电阻、1个20uF的电解电容、2个普通电容（数值分别为10nF和10uF）、1个+5V的直流稳压电源。设计所用软件：通过运用multisim仿真软件对所绘制的电路进行仿真实验，并用protel绘图软件绘制电路的PCB封装图，最后将结果记录、完善和整理于此报告中。关键词：逻辑芯片、锁存器、单稳态触发器、优先级编码器、七段显示码译码器、共阴极LED显示屏、单刀双掷开关、multisim仿真软件、protel绘图软件目录摘要1目录2前言51.本次课程设计的背景、目的及意义52.本次课程设计总电路各个模块工作原理简述53.本次设计的呼叫系统总电路实现的功能6第一章 方案讨论71.1 总体设计方案的讨论和系统结构图的比较分析71.1.1 两种不同模块顺序的电路的系统框图71.1.2 两种设计方案的对比和最终方案的选择8第二章 各模块电路的设计及其工作原理92.1 呼叫信号电路模块的设计9 2.1.1 呼叫信号电路的原理图92.1.2 呼叫电路工作原理的分析102.2 信号锁存电路模块的设计112.2.1 信号锁存的目的和原因11 2.2.2 信号锁存所用到的芯片以及信号锁存实现方法11 2.2.3 呼叫信号锁存电路原理具体说明14 2.3 优先显示电路模块的设计14 2.3.1 优先显示模块设计的目的和原因14 2.3.2 优先显示模块所用芯片及其实现病房号码显示的工作原理152.4 10秒响铃电路模块的设计202.4.1 10秒响铃电路模块设计的目的原因202.4.2 10秒响铃电路模块所用芯片及其实现10秒铃响的工作原理202.5 复位电路模块的设计272.5.1 复位电路模块设计的目的和原因272.5.2 复位电路的实现方法282.5.3 复位电路原理说明302.6 各模块组合之后实现的系统总电路原理图31第三章 各模块电路组合后的总电路的multisim仿真结果和分析323.1 病房呼叫系统LED优先显示功能和信号锁存的仿真323.1.1 仿真实验结果323.1.2 仿真实验结果分析36 3.2 病房呼叫系统复位电路功能的仿真373.2.1 仿真实验结果37 3.2.2 仿真实验结果分析393.3 病房呼叫系统响铃电路功能的仿真393.3.1 仿真实验结果393.3.2 仿真实验结果分析403.4 实验总结40第四章 用Protel 99SE绘图软件绘制电路的原理图和PCB封装414.1 用绘图软件Protel 99SE 绘仿真制已仿真成功的电路原理图414.1.1用Protel99SE绘制电路的原理图元器件库414.1.2用Protel99SE绘制电路的原理图45 4.2 用绘图软件Protel 99SE 将绘制好的原理图实进行PCB封装464.2.1用Protel99SE绘制电路封装板中的元器件的封装库464.2.2用Protel99SE将总电路原理图进行封装48第五章 本次课程设计的心得与体会525.1 体会和感悟 52附录一 仿真实验中各类元器件清单表53附录二 参考文献56前言1.本次课程设计的背景、目的及意义病房呼叫系统，简称呼叫仪。作用在于将病人的呼叫信号迅速而准确的通知给医护人员，以便病人能获得及时处治。它的使用方便了病人又减少医护人员的巡查次数，减轻了劳动强度。现在在临床上得到普遍的应用。随着时代的高速发展和高集成芯片制作技术的提高，电路系统间的元器件的配合密切度与日俱增，功能在许多方面得到进一步扩展和细化，这使得许多电路系统在原始电路的基础上的改进速度日新月异，并运用在了社会生产和生活民用等方面。其中，医院病房呼叫系统电路的设计和改进不失为一个电子技术在生活中的应用的有效范例。众所周知，一个设计误差程度极低，功能强大的医院病房呼叫系统能为医护人员准确提供病人的病情和所处病房号等重要信息，不仅能为医护人员的工作提高效率，并能及时为病情重的病人提高医护处理，从而避免某些医疗事故的发生。由此可见，病房系统的设计的重要性，是日常工作中最常用的电路系统之一。2.本次课程设计总电路的各个模块工作原理简述本次课程设计的电路原理如下，主要分为以下几部分：（一）、呼叫信号电路：以一排8个单刀双掷开关并联实现。这些开关在没有呼叫请求信号时，接如低电平0（设置为0V接地点），在有病房请求信号时，接入高电平1（设置为+5V），之后自动跳转到低电平状态。本次设计8个呼叫信号，分别对应8个病房，号码分别为：0、1、2、3、4、5、6、7。（二）、信号锁存电路：以4个维持-阻塞型D触发器芯片74LS74来实现（SD，RD端都接高点平1），用于锁存8个呼叫信号的高点平。4个芯片的CP时钟信号输入端分别和所要锁存的呼叫信号相连，D端口接入复位电路（医护人员控制，不按复位按键时默认为高电平1，按下时为低电平0），故有呼叫信号时，CP端口由低电平跳转至高电平时有瞬时上升沿脉冲，触发器被触发，其输出端Q和D被置为相同的状态，只要不复位，都为高点平1，等到呼叫信号开关自动置回低电平0时，Q端电位和之前一致，仍为1，从而实现了呼叫信号的锁存。（三）、复位电路：以一排8个单刀双掷开关并联实现，能从低电平自动跳转至高电平，用于某一病房的锁存信号高电平1的解除。医护人员在处理完某一病房的工作后，按下对应的复位按键后，锁存电路的D触发器的D端口被置为低电平0，医护人员只要同时通知那一病房的病人再按一下请求信号开关，通过瞬时的上升沿触发D触发器，Q和D都被置为低电平0，请求信号开关自动置回低电平0后，便将低电平锁存在Q端，从而实现了原先锁存信号的复位。（四）、优先显示电路：以优先级编码器4532BD、4511BD译码器，共阴极LED七段码显示屏以及七个限流电阻实现。通过优先级编码器将7号病房的优先级设为最高，对应的病人的病情最重，然后病情依次按6、5、4、3、2、1、0号病房减轻，优先级顺序减小。当一个病房有呼叫请求信号时，除非有优先级更高的病房有呼叫请求，其他病房的请求均在此请求信号复位之前得不到响应。呼叫请求信号响应通过LED显示屏和响铃电路共同测得。（五）、响铃电路：主要以逻辑部件芯片四2输入或非门芯片74LS02、四2输入与门74LS08、高电平触发电铃BUZZER和555定时器构成的单稳态触发器构成。74LS02输入端都和呼叫请求信号相连，当有请求信号时，通过逻辑转换给555定时器的输入端TRI一个低电平脉冲，输出端OUT产生一段时间的高电平信号，从而触发电铃响一段时间。3.本次设计的呼叫系统总电路实现的功能 当有病房进行呼叫请求时，医护人员可以通过七段码显示屏观察到当前优先级最大的病房呼叫的号码，同时能够通过电铃听到10s的响声。医护人员处理完此病房的工作后，按下此病房对应的复位按键，即可观察到并处理其他优先级较低的病房工作，直到处理完所有的病房的工作处理完后清零即可（0号病房只能通过电铃响声判断请求信号，以免和清零混淆）。第一章 方案讨论1.1总体设计方案的讨论和系统结构图的比较分析 本次课程设计所需的电路模块和工作原理之前已大致作出阐述，现对有关电路系统的整体结构进行合理安排。通过查找相关资料，本次课程设计可以通过两种有略不同的电路模块位置安排和顺序结构来实现，现对两种实行方案进行比较分析，选出最为合适的方案。1.1.1两种不同模块顺序的电路的系统框图通过查找资料后找到的的电路试行方案的系统框图及结构如下图1.1.1和图1.1.2所示。病房10秒呼叫模块复位按扭锁存优先级显示模块图1.1.1 病房呼叫系统框图方案一病房优先显示模块10秒呼叫模块锁存复位按扭图1.1.2 病房呼叫系统框图方案二1.1.2 两种设计方案的对比和最终方案的选择 通过以上两个方案的框图对比观察可以得出，二者唯一的不同点就是锁存电路所放的位置略有不同。下面分析二者的功能的全面度，来选择出最佳方案。 由方案一的模块顺序可以看出，优先级LED显示电路的位置放在了锁存电路之后，病房的呼叫请求信号先通过锁存电路进行信号的锁存，之后能够通过优先级显示电路将优先级最高病房的呼叫请求信号的病房号码显示出来，医护人员在处理完此病房的工作时，按下对应此病房的复位按键即可将原先请求的信号高电平复位清零，再逐一去针对其他优先级较低的病房进行工作处理，直到处理完所有请求信号的病房的工作即可，因此能够实现实际要求。 由方案二的模块顺序可以看出，锁存电路的位置放在了优先级LED显示电路之后，病房的呼叫请求信号没有经过锁存就直接通过显示电路将信号对应的病房的号码进行了显示，虽然具有显示功能，但存在以下几个弊病：其一是由于本次课程设计所采用的呼叫信号请求开关为能够自动从高电平位置跳转到低电平的单刀双掷开关，所以当请求信号不经过锁存电路直接将信号传给LED显示电路后，其显示数字有可能只能持续一段时间，当请求信号由自动变为低电平时，原先的请求信号因为没有经过锁存而可能导致数字改变，医护人员可能因此疏漏优先级较高的病房的请求信号；其二是假若医护人员没有疏漏病房的请求信号，处理完此病房的工作后，按下对应此病房的复位键以后，由于锁存电路在LED显示模块之后，LED显示屏上的数字不会因为复位而发生任何改变，医护人员就不能处理其他病房的工作。 综上对于两种方案的分析，虽然二者都能显示病房呼叫请求信号所对应的病房号码，但是方案一能够基本实现所有功能，方案二不能。方案一的有点要远远大于方案二，因此本次课程设计采用那个方案二。 第二章 各模块电路的设计及其工作原理 选择方式在确定以后，下面就要对总电路的各个模块进行独立而具体的方案设计了。本次课程设计按照呼叫信号和处理的时序上作为设计顺序，依次按模块的设计顺序为：呼叫信号电路模块、信号锁存电路模块、优先显示电路模块、响铃电路模块。具体设计如下：2.1 呼叫信号电路模块的设计呼叫信号作为病房的信号发生器，是这次整个系统电路设计最基本而不可或缺的部分，可以直接通过单刀双掷开关的来实现呼叫信号按键的设计。本次课程设计根据具体的真实情况，采用在一段时间之内能够直接由高电平跳转到低电平的8个单刀双掷开关的并联设计来实现，8个病房的呼叫请求信号分别对应各自的开关作为按键，具体实现过程如下。2.1.1 呼叫信号电路的原理图 首先用multisim仿真软件绘制呼叫信号的电路如下图2.1.1所示。图2.1.1 呼叫电路模块原理图2.1.2 呼叫电路工作原理的分析 由图2.1.1单刀双掷开关的并联电路可知，先设整个系统中默认的高电平为+5V，低电平为0V。8个可以在一段时间之内由高电平自动置为低电平的单刀双掷开关分别作为每个病房的呼叫信号请求按键，并且并联在一起。按图所示，将开关编号从上往下依次设置为：J0call、J1call、J2call、J3call、J4call、J5call、J6call、J7call，分别对应病房号码为：0、1、2、3、4、5、6、7。当所有的病房均没有呼叫信号请求时，都接低电平，当某一病房有呼叫请求时，按下按键即可将开关接至高电平，进而发出此病房的信号请求，之后若不持续按键，请求信号开关便会自动从高电平跳转到低电平，呼叫信号请求截止。系统允许有多个房间的开关同时打到高电平，即为可以有多个病房同时按下呼叫请求信号，此时系统会按优先级处理显示这其中呼叫请求优先级最高的病房号码，具体情况之后论述。现假设4号病房按下呼叫信号请求按键，则其工作过程如下图2.1.2和图2.1.3所示。图2.1.2 4号病房开始时按下呼叫信号请求按键，开关接入高点平图2.1.3 一段时间不按键，4号病房请求按键自动置回低电平2.2 信号锁存电路模块的设计2.2.1 信号锁存的目的和原因 由于呼叫请求信号的按键开关在一定时间内会由高电平状态自动置回低电平状态，所以当按下请求信号时，信号不能时钟维持在高电平状态，所以先前的高电平请求信号必须经过锁存才能始终保持并将请求信号传给优先级显示电路，使优先级显示电路持续显示刚才申请呼叫请求的病房号码。2.2.2 信号锁存所用到的芯片以及信号锁存实现方法本次课程设计维持-阻塞型D触发器芯片74LS74来实现信号的锁存功能，其芯片IC原理图和工作真值表如下图2.2.1和表2.2.1所示：图2.2.1 维持-阻塞型D触发器74LS74芯片原理图输入输出预置清除时钟D Q QSDRDCP01XX1010XX0100XX111111011001110XQ0Q0表2.2.1 维持-阻塞型D触发器功能表由图2.2.1可知，一个74LS74芯片中有两个D触发器，因为每个D触发器可以锁存一个呼叫请求信号，所以用四片74LS74芯片即可实现对8个呼叫请求信号进行锁存。由表2.2.1的维持-阻塞型D触发器的功能表可知，当SD和RD都接高电平1时（对应封装图CLR引脚和PR引脚），时钟信号CP在上升沿时可以出发D触发器，使输入信号D和输出信号Q的电平状态始终保持一致，而时钟信号CP为0时，无论输入D的高低电平怎样变化，均不影响输出端Q的高低电平，Q端口的电平状态应和之前CP不为0时的电平Q0保持一致，从而实现了对于CP变为0之前的Q端口的数据锁存。通过这个数据锁存功能，信号锁存电路可以依据此功能进行设计，如下图2.2.2所示。图2.2.2 呼叫信号锁存电路原理图2.2.3 呼叫信号锁存电路原理具体说明由呼叫锁存器电路原理图可知，所有的D触发器芯片的CP时钟信号输入端都分别和对应的病房的呼叫请求按键相连接。由于呼叫请求按键在不按下的情况下都接入低电平，当按下某一呼叫请求按键时，开关由低电平瞬时跳变至高电平，从而产生一个上升沿脉冲信号，此时与之相连的D触发器的CP时钟信号输入端因产生的这个上升沿脉冲信号而触发，通过维持-阻塞型D触发器的功能表可知，此时输出端Q会和D触发器的输入端D的电平保持一致。这里输入端D应接入复位电路，当与之对应的复位按键不按下时，复位电路为D端提供持续的高电平，复位电路和呼叫信号电路结构基本相同，也为8个单刀双掷开关的并联电路，与其不同之处在于复位电路在不按复位按键时，复位输出信号处于高电平状态，而按下时，信号在保持一段时间的低电平后就会自动置回高电平；复位电路自动由低电平置回高电平要有较长延时时间，以确保在这个延迟时间段内能够通知病人并实现其再按一次呼叫请求信号过程。复位电路工作原理在之后会有详细说明。当不按复位键时，在有呼叫请求的瞬时，Q和D都保持在了高电平，之后由于呼叫请求按键自动置回低电平，D触发器CP输入端相应也接入了低电平。由维持-阻塞型D触发器的功能表可知，此时输出端Q要始终保持CP接入低电平之前的高电平状态，而由于要产生的呼叫请求信号也应为高电平，从而实现了这个呼叫请求信号的锁存。输出端Q要和之后的优先显示电路模块相连。2.3 优先显示电路模块的设计2.3.1 优先显示模块设计的目的和原因锁存后的呼叫请求信号要通过D触发器的输出端Q和显示电路的模块相连后才能将有呼叫请求信号的病房号码显示出来。病房号码的显示不是任意的，而是有一定的优先级顺序。对于此电路来说，这个优先级的规定根据实际情况要和某一病房的病人的病情的轻重有关系，一般来说，病人的病情越重的病房，其对应的呼叫请求信号的优先级越高。当某一病房的病人按下呼叫请求信号时，除非有请求信号优先级更高的病房有呼叫请求，其他的病房的号码均不能得到显示。例如，假设病房的呼叫请求信号的优先级按号码：7、6、5、4、3、2、1、0的顺序依次递减，那么，当7号病房有呼叫请求信号时，只要不按7号病房的复位键，其他病房的号码无论怎样按呼叫信号请求按键均得不到显示，只显示7，所以7号病房中病人的病情最重，需要医护人员先处理，7号病房对应优先级最高。以此类推，6号病房的优先级次之，当没有7号病房的呼叫请求信号时，其优先级最高，这时若6号病房有呼叫请求信号时，只要对应的复位键不按下，6以下的任何病房的号码均不能得到显示，只显示6。由此可见，0号病房的优先级最低，只有当其他所有病房都没有呼叫请求信号时，0号病房的呼叫请求才能得以显示。本次课程设计中，通过优先级编码器4532来实现以上呼叫请求信号优先级顺序的实现，通过七段码显示译码器4511和共阴极LED七段码显示屏来实现病房号码的输出显示。2.3.2 优先显示模块所用芯片及其实现病房号码显示的工作原理（一）优先级显示模块的优先级排序通过优先级编码器4532来实现。其功能真值表和芯片IC封装图分别如下表2.3.1和图2.3.1所示。输入 输出EII7I6I5I4I3I2I1I0Y2Y1Y0GSEOLXXXXXXXXLLLLLHLLLLLLLLLLLLHHHXXXXXXXHHHHLHLHXXXXXXHHLHLHLLHXXXXXHLHHLHLLLHXXXXHLLHLHLLLLHXXXLHHHLHLLLLLHXXLHLHLHLLLLLLHXLLHHLHLLLLLLLHLLLHL表2.3.1 优先级编码器4532功能真值表图2.3.1 优先级编码器4532芯片原理图由优先级编码器的功能表可知，只要使能端EI（5号引脚）为高电平，7个输入端口的信号能够得以通过编码输出的优先级顺序从高到低依次为：I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0。和2.3.1中所论述的不同号码的房间的优先级以7、6、5、4、3、2、1、0依次递减的顺序把持一致，故可将与其顺序分别对应的D触发器输出端Q分别接至I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0，以实现呼叫请求信号对应房间7、6、5、4、3、2、1、0优先级递减的顺序的排列。实现电路原理图如下图2.3.2所示。图2.3.2 优先级编码器实现呼叫请求信号优先级排序电路原理图（二）优先级显示模块的病房号码显示部分由七段码显示译码器4511和共阴极LED七段码显示屏来实现。七段显示译码器4511的功能真值表和芯片IC封装图分别如下表2.3.2和图2.3.3所示；共阴极LED七段码显示显示屏IC原理图如下图2.3.4所示。输入输出LEBILTDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐 01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存 锁存 表2.3.2 七段码显示译码器4511功能真值表图2.3.3 七段码显示译码器4511芯片原理图图2.3.4 共阴极LED七段码显示屏原理图通过查找相关资料，可以得知七段码显示译码器所能驱动的LED七段码显示屏只能为共阴极的。由七段码显示译码器4511的功能真值表可知，将使能端BI、LT端口接入高电平1，LE端口接入低电平0后，通过将图2.2.4中的优先级编码器4532的输出端Y2、Y1、Y0分别对应接入七段码显示器4511的C、B、A三个输入端，然后将其7个输出端a、b、c、d、e、f、g都分别通过7个300的限流电阻（+5V所对应的驱动所对应的限流阻值300）对应接入共阴极LED显示屏的a、b、c、d、e、f、g这7个输入端口，即可实现4511芯片对于LED显示屏的驱动。由于只显示的数字为0到7，通过4511芯片的功能真值表可以查得去其D输入端没有用到，始终接入低电平0即可。LED显示电屏由于是共阴极的，其使能端CK接地即可。数字显示部分电路的实现原理图如下图2.3.5所示。图2.3.5 病房号码数字显示部分电路原理图 至此，将图2.3.5和图2.3.2合并，即可得到到目前为止所设计的各模块电路整合之后病房号码显示的整体电路，如图2.3.6所示。图2.3.6 病房号码数字显示电路整体设计原理图2.4 10秒响铃电路模块的设计2.4.1 10秒响铃电路模块设计的目的和原因本次课程设计针对10秒响铃电路，其设计的目的和原因主要来自以下两个方面：（一）、对于医护工作人员来说，当某一病房的病人按下信号请求电路之后，仅仅显示此病房的号码是远远不够的，因为医护人员不可能始终注意LED显示屏，所以当没有声音信号的提醒时，医护人员可能因为疏忽而不会对有呼叫请求信号的病房进行工作处理。（二）、之前所设计的电路存在一个漏洞：通过表2.2.2优先级编码器4532功能真值表可以看出，当优先级编码器4532的使能端EI接高电平而正常工作时，其输入端在只有I0为高电平，其他输入端为低电平和所有输入端都为低电平这两种情况下，其输出端Y2、Y1、Y0的输出信号都为低电平0，对应LED七段码显示屏显示的数字也都为0。这样无法通过显示屏所显示的数字来判断这个数字0的成因是由所有病房的工作都已完成而复位清0，并且没有病房按下呼叫请求信号引起的；还是由于只有呼叫请求信号优先级最低、病人病情最轻的0号病房按下了其病房的呼叫请求信号按键，并没有其他病房按下呼叫请求信号引起的。针对0号病房的工作处理，若果只有LED显示屏显示号码，就会引起医护人员判断上的猜疑，因此，只能通过响铃电路是否有铃响来判断0号病房是否有呼叫请求。当LED显示屏显示数字0时，若伴随有铃响，则0病房有呼叫请求信号产生，医护人员应对其进行工作处理；若无铃响，则0号病房没有呼叫请求信号产生，医护人员不再对其进行工作处理。2.4.2 10秒响铃电路模块所用芯片及其实现10秒铃响的工作原理本次课程设计采用逻辑转换芯片：四2输入或非门芯片74LS02、四2输入与门74LS08用来实现对于呼叫请求电路的逻辑转换，然后将经过逻辑转换之后的输出信号接至一个由555定时器构成的单稳态触发器的输入端，当单稳态触发器的输入端由于输入信号的变化而产生一段时间的负脉冲时，触发这个单稳态触发器，使其输出端由低电平状态进行跳转并产生一段时间的高电平信号，由这个高电平触发1的频率为200Hz的电铃声响。555定时器、四2输入或非门芯片74LS02、四2输入与门芯片74LS08的芯片IC原理图分别如下图2.4.1、图2.4.2、图2.4.3所示。图2.4.1 555定时器原理图 图2.4.2 四2输入或非门芯片74LS02 图2.4.3 四2输入与门芯片74LS08通过查找相关资料，可知555定时器构成的单稳态触发器的电路原理图及其输入、输出和电解电容C两端的电压的波形图如下图2.4.4和图2.4.5所示。其中，555定时器构成的单稳态触发器要以TRI引脚作为触发信号的输入端，以OUT引脚作为单稳态信号的输出端。图2.4.4 555定时器构成的单稳态触发器原理图图2.4.5 555定时器构成的单稳态触发器的输入、输出和电解电容C两端的波形分析原理图通过对于以上555定时器构成的单稳态触发器的波形原理图的分析可知：当输入信号端口TR1端的信号由高电平瞬时跳变至低电平时，其输出电压OUT端口会从低电平跳变至高电平状态，并保持一段时间，之后会从高电平跳回低电平，本次课程设计可以将保持这段时间的高电平信号作为响铃的触发信号。由于想让铃响时间为10秒，所以高电平的维持时间应为10秒。输出信号高电平维持时间的具体数值可以通过以下几个公式算得：电解电容C两端的电压在输出端由高电平跳变至低电平时会充放电，其电压变化公式为： （1）当上式中的时，并且时间常数时，可以求得输出信号的高点平维持时间为： （2） 由图2.4.5的555定时器的波形分析可知，电解电容C两端的充放电初值为： （3）将（3）式中的初值代入（2）式中，即可得到： （4） 此次课程设计要求为10秒，同时R和C的取值分别为：由此能够计算出铃响高电平维持时间的具体数值为：由此可知，电路中的参数数值都已确定，故可以实现铃响电路模块的铃响时间为10秒的控制。现只要在555定时器构成的单稳态触发器的输入端TRI处输入一个由高电平转为低电平的信号即可在其输出端OUT处触发时间为高电平信号。而这个将高电平转为低电平的触发信号必须通过逻辑运算器件对各个病房的输入请求信号进行合适的逻辑转换而得，此逻辑转换要满足以2个条件下条件：（1）、当所有病房都不按下呼叫请求信号按键时，通过逻辑器件对所有病房呼叫请求信号的逻辑转换，送往555触发器构成的单稳态触发器的输入端TRI的信号始终为低电平。（2）、当有1个或1个以上的病房按下呼叫请求信号按键的瞬间，通过逻辑器件对所有病房呼叫请求信号的逻辑转换，送往555触发器构成的单稳态触发器的输入端TRI的信号为有高电平跳变至低电平，而当所有病房的呼叫信号请求按键自动置回低电平时，通过逻辑转换器件使TRI端的信号由低电平跳变回高电平，从而满足如图2.4.5所示的TRI端的输入波形图情况。通过对逻辑转换情况的分析，本次课程设计找到了针对所有病房的呼叫请求信号进行的一个合适的、能满足以上条件的逻辑转换公式。设与病房0、1、2、3、4、5、6、7对应的呼叫请求信号按键的电平状态依次为：I0、I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7。设送入555定时器构成的单稳态触发器输入端TRI的信号为Y。则信号Y和各病房的呼叫请求信号满足以下逻辑关系，即可实现课题要求的触发信号条件： （5）由逻辑转换公式（5）可知，输入TRI端的信号Y要和所有病房的呼叫请求信号按键的电平状态呈现或非关系，当所有病房都没有呼叫请求信号时，都为低电平，通过逻辑转换使信号Y始终为高电平，当有一个以上的病房按下呼叫请求信号按键时，其对应的瞬间接入高电平，信号Y通过逻辑转换关系跳变至低电平，之后当所有病房的呼叫信号请求按键自动置回低电平时，又都瞬间变为低电平，信号Y通过逻辑转关系又由低电平状态回到了高电平状态，从而能够实现在有呼叫请求信号时TRI端输入信号Y如图2.4.5所示的单稳态触发输入波形。由于没有8输入或非门芯片，故要将公式（5）进行合理的逻辑变换，再用已有的芯片实现相同的逻辑关系。（5）式变换如下： （6）由公式（6）可知，课题先将呼叫请求信号进行或非变换，再将所得的4个信号进行与变换即可实现同样的逻辑转换。在这里，或非关系用1个四2输入芯片74LS02实现、与关系用1个四2输入芯片74LS08实现。逻辑器件芯片四2输入或非门芯片74LS02、四2输入与门芯片74LS08组合后的电路的输入端和所有的呼叫请求信号电路的请求按键相连，实现针对（6）式的逻辑转换，在这个组合电路的输出端输出信号Y加到555单稳态触发器输入端TRI，有呼叫请求信号时，555单稳态触发器的输入端由高电平转为低电平的一段时间，再回到高电平的输入触发信号，从而实现以上设计的555单稳态触发器在触发后的输出端维持10s高电平的功能。74LS02和74LS08之间的连接方式、二者连接之后的电路和各个呼叫请求按键之间的连接方式如下图2.4.6所示。图2.4.6 逻辑运算部件产生555单稳态触发器输入端触发信号原理图由图2.4.6可知，呼叫请求信号经过逻辑转换之后的信号Y对应的端口为74LS08芯片的3Y输出端，只要将3Y接入555单稳态触发器的输入端TRI即可。对于555单稳态触发器，在其输出端接一个工作频率为200Hz的电铃，这样一有输入端的触发信号，其输出端保持约为10秒的高电平，就可驱动电铃，使其工作。逻辑组合芯片的输出端和555单稳态触发器的连接即可实现整个响铃电路模块的设计，其电路原理图连接方式方式如下图2.4.7所示。图2.4.7 10秒响铃电路整体设计原理图2.5 复位电路模块的设计2.5.1 复位电路模块设计的目的和原因将前四个模块的电路整合成一个总电路之后，电路的设计主体基本完成。此时，整个电路系统仅剩最后一个电路模块，那就是复位电路模块。当电路系统没有复位电路，维持-阻塞型D触发器的输入端口D只接高电平的情况下，某一病房按下呼叫请求信号按键时，由于每个病房的信号请求按键和对应的D触发器的时钟脉冲触发端CP相连，其产生的顺时上升沿脉冲通过时钟脉冲触发端CP触发D触发器，使对应输出信号的Q端口置为和D相同的高电平，当呼叫请求信号按键自动置为低电平时，先前的高电平信号得到锁存，呼叫请求信号得以维持，不会因为按键自动返回低电平而停止（详细情况见锁存信号设计模块2.2节中的内容），但此时，锁存后的信号无论怎样调节呼叫请求信号开关都不能将其解除，LED显示屏始终显示当前锁存呼叫信号的优先级最大的呼叫请求信号所对应的病房号码。当医护人员处理完这个病房的工作后，想要处理其他呼叫请求信号优先级较低的病房的工作，却始终不能使LED显示屏显示数字的变化，因为呼叫信号始终锁存而不能解除。综上可知，电路系统必须添加一个复位电路，当医护人员处理完一个病房的工作后，将这个病房锁存的呼叫请求信号复位清零，解除此病房的呼叫请求信号的锁存，从而使其他优先级较低的病房的数字得以显示。医护人员每对一个病房复一次位，需查看一次LED显示屏的数字变化，直到处理完所有进行呼叫请求的病房的工作后，LED显示屏显示0为止（0号病房此时要单独判断是否有呼叫请求）。2.5.2 复位电路的实现方法由2.5.1中的论述可知，要实现某一病房呼叫请求信号的复位和锁存信号的解除，可以在医护人员按下此病房的复位按键时，使此房间与之对应的用于信号锁存的D触发器的输入端D和低电平相连，此时医护人员要通知这一病房的病人再按一次呼叫请求信号按键，只要保证D端口连接低电平的时间能维持到或超过再次按下呼叫请求信号按键按下的时刻，再次产生一个D触发器的CP端口的上升沿触发信号，根据表2.2.1的维持-阻塞型D触发器的功能真值表，此时D触发器的输出端Q和输入端D电平状态保持一致，都为低电平，就将先前输出口Q端锁存的信号清除了。由表2.2.1可知，呼叫请求按键自动置回低电平时，D触发器CP端口接低电平，Q端口就将先前自身的低电平进行了锁存，直到下一次呼叫请求高电平信号来临之前，都将为低电平状态，从而彻底的实现将原先Q端口锁存的呼叫请求信号清除，实现了此病房呼叫请求信号的复位清零功能。要使4个D触发器芯片的所有8个D输入端口在不复位时接高电平，而在复位时接入低电平时，可以通过8个并联的、可以在一定时间内从低电平状态自动置回至高电平状态的单刀双掷开关分别与其对应的D输入端口相连接来实现复位电路的设计。这段自动置回时间要远大于呼叫信号请求按键由高点平自动置回低电平的时间才能满足呼叫请求信号复位清零的功能，具体设计电路原理图如下图2.5.1和2.5.2所示。图2.5.1 复位电路模块原理图图2.5.2 复位功能实现电路愿意图2.5.3 复位电路原理说明 由图2.5.1可以看出，复位电路由8个单刀双掷开关并联而成。其七个单刀双掷开关的编号依次为：J0reset、J1reset、J2reset、J3reset、J4reset、J5reset、J6reset、J7reset，分别用于病房号为0、1、2、3、4、5、6、7号病房的呼叫请求信号在锁存后的复位清零。其结构和呼叫信号电路的结构基本相同，但存在少许差异，主要体现在以下两个方面：（一）复位电路在不按复位按键时，复位输出信号处于高电平状态，而按下时，信号在保持一段时间的低电平后就会自动置回高电平。（二）复位电路自动由低电平置回高电平要有较长时间延迟，以确保在这个延迟时间段内能够通知病人并实现其再按一次呼叫请求信号过程。由图2.5.2的复位功能实现电路，信号结合2.5.2中所说明的复位电路实现的方法可知，中间的呼叫信号请求电路按键分别对应的维持-阻塞型D触发器的时钟信号输入端CP相连，而左侧的复位功能按键分别和对应的D触发器的输入端D相连。当不按任何房间的复位按键时，8个复位按键都接高电平，使得4个D触发器芯片74LS74的所有输入端D都接入高电平，所以只要任何房间有呼叫请求信号产生，此病房的呼叫按键由低电平瞬间接至高电平，产生一个上升沿脉冲输入D触发器的CP时钟信号输入端，使输出端Q的电平状态输入端D的状态保持一致，都为高电平，当呼叫信号请求电路按键在发出请求的一段时间之后，自动由高电平置回低电平时，CP时钟信号输入端的信号为低电平，输出端Q要保持原先和输入端一致的高电平状态，实现呼叫请求信号高电平的锁存。当某一病房的信号被锁存，按下其对应的复位键时，复位按键接至低电平，使其与之相连的输入端D也接至低电平，这同时只要再有此病房的输入请求信号时，通过CP输入端的信号上升沿触发可以使输出端Q和输入端D的保持一致，都为低电平，从而实现了此病房锁存的输入请求信号的复位清零。所以医护人员在按下复位键后，只要再通知这一病房的病人再按一次呼叫请求按键即可实现此病房锁存的输入请求信号的复位清零。要注意的一点是：由于复位按键和信号请求按键都是在按下之后可以置回原先电平状态的按键，所以为了避免复位按键在按下后自动置回高电平的过程要提前于医护人员通知病人再次按下呼叫请求按键给出CP上升沿触发信号的过程而导致复位后输出端Q所存的信号不为低电平，复位电路自动由低电平置回高电平较长的时间延迟要长，至少要保证能够有充足时间让病人再次按下呼叫请求按键。2.6 各模块组合之后实现的系统总电路原理图 以上整个电路的5个部分模块均已设计完成，检查所设计的总电路的各模块的电路原理图无误以后，就可将整个医院病房呼叫系统的总电路组合设计完成。将5个设计模块组合之后绘制而成的系统总电路由下图2.6.1所示。图2.6.1 医院病房呼叫系统总电路原理图第三章 各模块电路组合后的总电路的multisim仿真结果和分析3.1 病房呼叫系统LED优先显示功能和信号锁存的仿真3.1.1 仿真实验结果（1）、呼叫系统LED优先级显示仿真实验：分别将所有病房的呼叫请求信号复位以后，依次按下病房号码顺序为：0、1、2、3、4、5、6、7的呼叫信号请求按键（按下后不将开关置回0，以此作为同时有多个病房有呼叫请求信号的仿真实验），分别观察LED显示屏显示的数字，之后将8个按键的高、低电平状态随意置为高电平或低电平（相当于按下或不按呼叫请求按键），仿真输出结果如下所示：图3.1.1 按0号呼叫请求按键仿真结果图3.1.2 按1号呼叫请求按键仿真结果图3.1.3 按2号呼叫请求按键仿真结果图3.1.4 按3号呼叫请求按键仿真结果图3.1.5 按4号呼叫请求按键仿真结果图3.1.6 按5号呼叫请求按键仿真结果图3.1.7 按6号呼叫请求按键仿真结果图3.1.8 按7号呼叫请求按键仿真结果图3.1.9 7号呼叫请求按键按下后，其他按键任意按仿真结果（2）、信号锁存仿真实验：将所有呼叫请求按键通过复位电路复位后，随意按下其中任意一个病房呼叫请求信号按键（相当于接入高电平），之后开关自动弹回原状态（相当于接入低电平），不要按下其他任意病房的呼叫请求按键，观察比较此病房的按键按下和弹回两次的LED显示屏的数字变化。仿真结果如下所示（本次实验选择5号病房作为实验对象）：图3.1.10 仅5号病房的呼叫请求信号按键按下仿真结果图3.1.11 5号病房呼叫请求信号按下后自动置回低电平仿真结果3.1.2 仿真实验结果分析（1）呼叫系统LED优先级显示仿真实验结果的分析：由于在此次仿真实验中，按下病房呼叫请求信号不再置回低电平，所以此仿真实验的目的是用来比较同一时刻有多个病房进行呼叫请求时优先级大小，LED会显示当前优先级最大的呼叫请求信号对应的房间号码。例如，当0号病房和1号病房的呼叫请求信号按键都接高电平时，就模拟仿真了0号病房和1号病房同时按下各自的呼叫请求信号的情况，LED会显示0号病房和1号病房呼叫请求信号优先级最大的房间号码。由实验现象可知，当依次不置回低电平地按下病房呼叫请求信号按键0、1、2、3、4、5、6、7后，LED七段码显示屏显示病房号码数字依次依次为：0、1、2、3、4、5、6、7。这说明，当有病房同时发出呼叫请求信号时，在这些病房之中的房间号码数字越大的病房，其呼叫请求信号的优先级越高，LED显示屏只会显示发出请求信号的病房中优先级最大的病房的号码。由此可见，7号病房的呼叫请求信号优先级是最高的。当7号病房有呼叫请求信号时，无论其他病房怎样按键，LED显示屏始终保持显示数字7，这就更加验证了呼叫请