数字显示病房呼叫系统

1、毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 题目类别：题目类别： 题目性质：题目性质： 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： 数字显示病床呼叫系统电路设计 学 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 指导教师： I 摘摘 要要 本论文完成的是 病病房房呼呼叫叫系系统统 的功能。该电路设计采用 主主从从结结构构 ，监控机构放 置在医生值班室内，当病床有呼叫请求时进行声光报警，并在显示器上显示病床的位 置。呼叫源（按钮）放在病房内，病人有呼叫请求时，按下请求按钮，提示闹铃响起， 向值班室呼叫，并点亮相应床位的指示灯。电路采用模块设计思想，分为四个主要功 能模块：呼叫显示模块，优先选择模块，译

2、码显示模块，以及呼叫模块。优先选择 模块用 8 线3 线优先编码器 74LS148D 来实现优先显示危重病人和显示唯一性，优 先选择模块输出的信号运用由小规模逻辑门电路进行译码并由7 段字形译码器 74LS47D 和共阴极七段数码管来实现显示病床号码，并通过74LS148D 使能输出端 EO 来控制由 555 定时器构成的呼叫模块进行 呼呼叫叫报报警警 。本论文利用 数数字字电电路路 的思 想，运用 Multisim10 仿真软件来实现病房呼叫系统的设计及测试，检验是否实现预 期功能。 关关键键词词： 病病房房呼呼叫叫 优优先先编编码码器器 数数字字显显示示 呼呼叫叫报报警警 II 目目 录录

3、 毕业设计（论文）任务书.I 摘 要.I 目 录.II 一、 选题背景 .1 二、 系统设计 .1 2.1 方案论证 .1 2.2 系统设计 .2 2.2.1 结构框图及说明 .2 2.2.2 系统原理图及工作原理 .4 2.3 单元电路设计 .5 2.4 元件参数选择 .14 三、 软件仿真 .15 3.2 仿真过程 .17 3.3 仿真结果 .18 四、 元器件清单 .24 总结归纳 .24 致 谢.25 参考文献 .26 1 一一、选选题题背背景景 病房呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断或护理的紧急呼叫工具，可将 病人的请求快速传送给值班医生或护士，是提高医院和病房护理水平的必备设

4、备之一。 呼叫系统的优劣直接关系到病员的安危，历来受到各大医院的普遍重视。它要求及时、 准确、可靠、简便可行、利于推广。 本设计采用主从结构，基本运作方式为。监控机构放置在医生值班室内，当病床 有呼叫请求时进行声光报警，并在显示器上显示病床的位置。呼叫源（按钮）放在病 房内，病人有呼叫请求时，按下请求按钮，提示闹铃响起，向值班室呼叫，并点亮相 应床位的指示灯。 本设计分为四个主要功能模块：呼叫显示模块，优先选择模块，译码显示模块， 以及呼叫模块。这些模块共同工作完成本电路的功能实现。其中运用了8 线3 线 优先编码器 74LS148D 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

5、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。 通过对病房呼叫系统电路的设计、安装与调试，熟练掌握各种电子测量仪器、仪 表的正确使用方法，熟悉掌握数字逻辑电路原理及各类型数字单元电路的工作原理、 电路形式、调试方法、整机电路统调技巧等方面知识；同时，通过对系统设计结果的 理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强数字逻辑电路原理与技术方法的掌 握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本专业工作奠定坚实的技术基础。 二二、 系系统统设设计计 2 2. .1 1 方方案案论论证证 病房呼叫系统 的设计方法很多，可由多

6、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。 2 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

7、困难。 方案选择： 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。 2 2. .2 2 系系统统设设计计 2 2. .2 2. .1 1 结结构构框框图图及及说说明明 图 2-1 病房呼叫系统的系统结构示意图 3 开开始始 待待机机 呼呼叫叫信信号号 呼呼叫叫显显示示模模块块：对对 应应床床位位的的提提示示灯灯亮亮 呼呼叫叫模模块块：蜂蜂鸣鸣器器 发发出出5 5秒秒的的响响声声 优优先先选选择择模模块块：对对于于信信号号进进 行行优优先先选选择择编编码码 译译码码显显示示模模块块：

8、对对信信号号进进行行译译码码并并显显 示示病病人人的的床床号号 医医生生对对显显示示的的病病患患进进行行治治疗疗， 并并恢恢复复该该病病患患的的呼呼叫叫开开关关 所所有有病病患患是是否否都都已已经经 医医治治 否 七七段段显显示示器器自自动动熄熄灭灭待待 机机 呼呼叫叫模模块块自自动动复复位位待待机机 是 是否 图 2-2 病房呼叫系统的系统流程图 4 2 2. .2 2. .2 2 系系统统原原理理图图及及工工作作原原理理 系统原理设计图如下所示 : 图 2-3 病房呼叫系统原理设计图 5 工作原理： 病房呼叫系统分为四个主要功能模块：呼叫显示模块，优先选择模块，译码显示 模块，以及呼叫模块

9、。这些模块共同工作完成本电路的功能实现。其中运用了8 线3 线优先编码器 74LS148D 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。 信号呼叫（ 1 个至 8 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

10、 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。 2 2. .3 3 单单元元电电路路设设计计 ( (1 1) )呼呼叫叫显显示示模模块块的的设设计计 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（500 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

11、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 2-4 所示： 6 图 2-4 呼叫显示模块设计 图 （2 2）优优先先选选择择模模块块设设计计 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，8 号病床为优先级最高，然后依次是 7,6,5,4,3,2,1 号病床。 在这里，应用了 8 线-3 线优先编码器（ 74LS148D）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（ 74LS148D）

12、功能表如下所示： 7 表 2-1 8 线-3 线优先编码器（ 74LS148D）功能表 输入输出 EII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO 1xxxxxxxx11111 01111111111110 0 xxxxxxx000001 0 xxxxxx0100101 0 xxxxx01101001 0 xxxx011101101 0 xxx0111110001 0 xx01111110101 0 x011111111001 00111111111101 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 74LS148D 无有效信号输入时， EO 输出为 0；

13、当使能输入端 EI 为 0 时并且 74LS148D 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（ 74LS148D）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： 8 图 2-5 数据选择模块电路图 （3 3）译译码码显显示示模模块块设设计计 此模块由两小模块构成，即译码模块与数码管显示模块。

14、先由译码模块将 8 线-3 线优先编码器（ 74LS148D）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： 使能输出端 EO 七段字形译码器（74LS47D）熄灭控制端 BI /RBO(当输入为 0 时熄灭) 8 线-3 线优先编码器 （74LS148） 9 图 2-6 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（ 74LS148D）输出的三位二

15、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： 10 表 2-2 输入输出真值转换表 输入输出开关 ABCDEFG 11110001 21100010 31010011 41000100 50110101 60100110 70010111 80001000 根据表 2-2 可以列出门电路逻辑式： D=ABC E=ABC+A B C+A BC+AB C F=A BC+AB C+A BC+AB C G=A B C+AB C+A B C+AB C 化简得： D=ABC E= ABC+A B+AB C F= A

16、B C+AB C+ BC G= B C+A C+AB C 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： 11 图 2-7 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： 12 图 2-8 数码管显示模块功能电路图 图 2-9 数码管显示模块功能电路图 13 （4 4）呼呼叫叫模

17、模块块设设计计 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 2-9 5 秒呼叫电路原理图 当无病房呼叫时， 同时 74LS148D 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 74LS148D 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+

18、R2)*C， 令 C=10F,R1=144.3k，则 R2=288.6k ，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 555 定时器 555 定时器复位端蜂鸣器 14 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。 2 2. .4 4 元元件件参参数数选选择择 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

19、电阻原件的大小。 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 xxF、xxnF 或直接用数字标注。 电解电容，一般容量范围是14700F。 瓷片电容，一般容量范围是1pF0.47F. 例如，有一电容，标注值为10N，它的实际容量为 0.01F（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=10000 pF，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

20、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

21、高频情况下仍有较高的功率 增益和稳定性。 15 三三、 软软件件仿仿真真 3 3. .1 1 仿仿真真电电路路图图 图 3-1 待机情况下的病房呼叫系统仿真电路 16 图 3-2 工作情况下的病房呼叫系统仿真电路 17 3 3. .2 2 仿仿真真过过程程 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 Multisim10 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

22、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 Multisim10 下检验病房呼叫系统的步骤如下： （1）首先触发一个病人

23、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

24、优先级别，有多个病人同时呼救时，系统优先显示 18 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：显示 灯与显示数码管全灭， 555 计时器已经复位。 3 3. .3 3 仿仿真真结结果果 在 Multisim10 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： 19 图 3-3 待机状态 20 （2） 首先触发一个病人信号： 4 号，4 号对应的发光二极管发光（红色），蜂鸣器

25、声音响，数码管显示对应的4 号病人编号；完成了此功能。结果如下图所示： 21 图 3-4 4 号床呼叫 （3） 开启 4，7，8 病人的呼叫信号， 4,7,8 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8 号病人编号。完成了此功能。结果如下 图所示： 22 图 3-5 4 号,7 号,8 号床呼叫 （4） 将最高级别（ 8 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（ 7 号） 。完成了此功能。结果如下 23 图 3-6 4 号,7 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：显示灯与显示数码管 全灭，555 计时器已经复位。

26、结果如下： 24 图 3-7 病房呼叫系统恢复待机状态 四四、 元元器器件件清清单单 所用主要元件仪器见表 4-1 表 4-1 所用主要元器件 名称元件型号数量 非门 74LS05D 10 片 三输入与门 74LS11N 4 片 二输入与门 74LS08D 4 片 二输入或门 74LS08D 6 片 8 线3 线优先编码器 74LS148 1 片 7 段字形译码器 74LS47D 1 片 555 定时器1 片 电阻18 个 电容2 个 数码管7 段共阴极1 个 LED（发光二极管）红8 个 开关8 个 蜂鸣器 1 个 电源VCC/VDD5 个/1 个 三极管 NPN 1 个 总总结结归归纳纳

27、（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：呼叫显示模块，优先选择模块，译码显示模 块，以及呼叫模块。这些模块共同工作完成本电路的功能实现。 （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

28、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 。 25 通过这次毕业设计，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： 呼叫显示模块，优先选择模块，译码显示模块， 以及呼叫模块。这些模块共同工作完成本电路的功能实现。还充分理解了 74LS05D、74LS11N、74LS08D、74LS32N、共阴极数码管及 NE555 的引脚图和它们的 性质功能。 在这次毕业设计过程 ，更熟悉了 Multisim10 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