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呼叫源(开关)放在病房内,当病人有呼叫请求时,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8线—3线优先编码器74LS148来实现优先选择模块主要功能,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。
本论文阐述了如何利用数字电路的思想,以及应用MULTISIM7仿真软件设计一个病房呼叫系统,测试并实现其功能,并使用protelDXP软件绘制其原理图和PCB版图。
二.设计内容
2.1方案论证
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,硬件设计思路简单,造价低廉,元件较少,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比较复杂,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。
(1)呼叫显示模块
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)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:
3号病床的呼叫显示灯
图2-4呼叫显示模块设计图
(2)优先选择模块
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2.18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2-5数据选择模块电路图
(3)译码显示模块
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。
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:
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,可以用门电路设计出如下译码模块逻辑电路图:
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:
图2-8数码管显示模块功能电路图
(4)呼叫模块
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。
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。
三.原理图设计
应用MULTISIM7仿真软件设计一个病房呼叫系统,绘制原理图如下:
图3-1病房呼叫系统原理图
四.系统仿真与调试
4.1仿真
图4-1待机情况下的病房呼叫系统仿真
图4-2.1工作情况下的病房呼叫系统仿真电路①
图4-2.2工作情况下的病房呼叫系统仿真电路②
4.2仿真过程
1.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。
2.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1,2,6病人的呼叫信号,1,2,6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,2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(2号)。
结果如下
图4.3.61号,2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
五.PCB版图设计
当断开所有的呼叫开关后,系统将自动恢复到待机状态:
图5-1病房呼叫系统PCB版图
六.总结与体会
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,以及PCB版图的绘制。
主要设计运用模块化的思想将系统分为四大功能模块:
在设计和绘制的过程中我充分理解了74LS148、74LS47D、74LS00、共阴极数码管及NE555的引脚图和它们的性质功能,也对数字电子的理解有所加深。
在这次实验中,更熟悉了Multisim7仿真软件的使用,知道了一些元件如蜂鸣器、芯片及各种开关的使用方法以及具体封装。
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。
同时,使用ProtelDXP软件绘制原理图,绘制PCB版图的过程中,也练习并加深了对CAD软件的认识和学习,能够熟练的绘出电子元件的电路图。
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,发现对于书本上的知识理解又上了一层。
七.参考文献
1.《电子线路CAD》齐跃峰,西安电子科技大学出版社。
2.《电路CAD-Protel——DXP2004电路设计与实践》天津大学出版社,2008年01月出版。
3.《电子线路CAD》殷庆纵。
出版社:
北京大学出版社,2009年08月出版
4.《数字电子技术基础(第五版)》,阎石。
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