课程设计报告信工131刘杰.docx
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课程设计报告信工131刘杰
吉林建筑大学
电气与电子信息工程学院
数字电子技术课程设计报告
设计题目:
病房智能呼叫系统
专业班级:
信工131班
学生姓名:
刘杰
学号:
201311114
指导老师:
迟耀丹、张玉红
设计时间:
2015.07.06---2015.07.17
教师评语:
成绩:
评阅老师日期
目录
1、设计任务和要求.................................3
2、设计原理.......................................4
3、选择器件.......................................5
4、功能模块及运行结果.............................12
5、总设计电路原理图...............................16
心得体会总结....................................19
1、设计任务和要求
1、1---5个开关模拟5个病房的呼叫输入信号,1号的优先级最高;1---5优先级依次降低;
2、用一个数码管显示呼叫信号的号码;没信号呼叫时显示0;又多个信号呼叫时,显示优先级最高的呼叫号(其他呼叫号用指示灯显示);
3、凡有呼叫发出5秒的呼叫声;
4、功能扩展:
对优先级低的呼叫声进行存储,处理完高优先级的呼叫,再进行低优先级的处理(发挥部分)。
2、设计原理
1、设计思路:
下面对4个要求逐一进行分析。
首先,根据题目要求用5个开关模拟5个病房的呼叫信号,由于1---5优先级依次降低,所以我们用优先编码器来控制其优先级;为了调和显示优先编码的顺序,我们用到了并行加法器;其次,要显示病房号码,就要使用数码管以及能将优先编码器产生的8421码转化为数码管显示的译码器;能够发出呼叫声,在仿真中就需要蜂鸣器来实现这个功能;对于存储呼叫信息,由于使用了优先编码器,当同时闭合两个开关或多个开关时,它会遵循优先级最高的来实现,当优先级高的开关断开后,之后的优先级较高的会进行操作,这个过程是自动的。
2、原理框图
图
(1)原理框图
三、器件选择
1、所用器件
表一:
设计所用的器件表
器件名称
数量
单刀开关
5
直流电源电压
7
灯泡
5
电阻
7
电容
2
非门
5
74LS148
1
74LS283
1
4511
2
数码管
1
555定时器
1
蜂鸣器
1
2、主要器件的功能介绍
(1)单刀开关:
设计中用5个单刀开关控制灯的亮与灭,将5个开关由上而下分别设置成从K5--K1,当按下对应键位后,则相应的灯亮,断开开关后,则对应的灯灭。
图
(2)单刀开关图
(2)非门:
又称反相器,是实现逻辑“非”运算的逻辑电路,其逻辑函数式为:
。
图(3)非门图
(3)74LS148:
8线—3线优先编码器74LS148,该编码器的输入输出都是低电平有效。
该芯片在设计中的功能是对送入信号进行优先筛选,并将筛选出的信号译成二进制码输出,送入下一个芯片。
它的逻辑符号图为图(4),使能端EO(芯片是否启用)的逻辑方程:
EO =I0·I1·I2·I3·I4·I5·I6·I7·E I
当EO输入EI=1时,禁止编码、输出(反码):
A2,A1,A0为全1。
当EO输入EI=0时,允许编码,在I0~I7输入中,输入I7优先级最高,其余依次为:
I6,I5,I4,I3,I2,I0,I0等级排列。
图(4)8线—3线优先编码器74LS148的逻辑符号图(左)及内部连线图(右)
它的管脚功能介绍:
为16脚的集成芯片,0---7为输入信号,A2,A1,A0为三位二进制编码输出信号,EI是使能输入端,EO是使能输出端,GS为片优先编码输出端。
表二:
74LS148的功能表
输入
输出
0
1
2
3
4
5
6
7
1
X
X
X
X
X
X
X
X
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
0
1
0
X
X
X
X
X
X
0
1
0
0
1
0
1
0
X
X
X
X
X
0
1
1
0
1
0
0
1
0
X
X
X
X
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
X
X
X
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
X
X
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
X
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1-高电平0-低电平X-任意
(4)74LS283:
它是个四位超前进位加法器。
在设计中74LS283实现的是两个四位二进制数的加法运算,它的逻辑表达式为:
S3S2S1S0=A3A2A1A0+B3B2B1B0。
在该设计中,它接收来自优先编码器74LS148的译码输出分别送入A2A1A0,同时将A3接地,与设定的B3B2B1B0=1001相加,并将所得结果S3S2S1S0中的S2S1S0送出。
在整个电路是通路的情况下,74LS283的运算过程如表三:
表三:
74LS283的运算过程
A3
A2
A1
A0
B3
B2
B1
B0
S3
S2
S1
S0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0为低电平,1为高电平
图(5)加法器74LS283的逻辑符号图
它的引脚功能:
A3~A0为运算输入端;B3~B0为运算输入端;CO为进位输入端,S3~S0为和输出端;C4为进位输出端。
(5)4511:
它是一个用于驱动共阴极LED(数码管)显示器的BCD码—七段码译码器,特点如下:
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流,可直接驱动LED显示器。
该设计中,我们用到了两个4511,第一个4511芯片的输入端D接地,输入端CBA接接来自74LS283的输出端S2S1S0,灯测试端LT接高电平,灭灯输入端BI接74LS148的使能输出端,锁存控制端LE接地,输出端QG--QA接数码显示管的输入端;第二个4511芯片的输入端DCBA全部接地,灯测试端LT接高电平,灭灯输入端接74LS148的进位输出端,锁存控制端LE接地,输出端QG--QA接数码显示管的输入端。
当开关全部打开时,74LS148的进位输出端为高电平,使能输出端为低电平,第一个4511芯片不工作,而第二个4511芯片工作,数码管显示0;当有一个或多个开关闭合时,74LS148的进位输出端为低电平,使能输出端为高电平,第一个4511芯片工作,而第二个4511芯片不工作,数码管显示4511驱动所对应数字,因此实现了没有信号呼叫时,数码管显示0,有信号呼叫时,显示呼叫信号对应的数字的功能。
它的逻辑符号图如图(6)所示:
图(6)4511的逻辑符号图
它的引脚功能:
其中ABCD为输入,A为最低位。
LT为灯测试端,BI为消隐功能端,低电平时使所有笔段均消隐,正常显示时,BI端应加高电平。
LE是锁存控制端,高电平时锁存,低电平时传输数据。
A~G是7段输出端,可驱动共阴LED数码管。
表四:
4511的工作真值表
输入
输出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁存
锁存
1-高电平0-低电平X-任意
(6)数码管:
设计图中采用的是共阴级七段数码显示管,由发光二极管组成。
图(7)七段数码管的逻辑符号图
(7)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。
它构成多谐振荡器,组成信号产生电路,在该设计当中,我们利用555定时器构成的多谐振荡器来实现蜂鸣器发出5秒呼叫声的功能。
它的逻辑功能图如图(8)所示。
图(8)555定时器构成的多谐振荡图
它的引脚功能:
1脚:
外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地;8脚:
外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V;3脚:
输出端Vo;2脚:
低触发端;6脚:
TH高触发端;4脚:
是直接清零端。
当此端接低电平,则时基电路不工作,此时不论TR、TH处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平;5脚:
VC为控制电压端。
若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01μF电容接地,以防引入干扰;7脚:
放电端。
该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。
4、模块功能
1、指示灯显示模块
如图(9),开关由上而下分别是K5-K1,依次闭合时,对应的灯泡会发光。
此时,闭合了开关K5和K2,对应的灯泡L5和L3发光。
运行结果如下:
图(9)指示灯显示模块及闭合K5、K2时的运行结果
2、优先显示模块
由设计要求,数码管要显示优先级最高的病房的呼叫信号,所以我们须得对病房呼叫信号进行选优。
优先级最高为1,然后为2,依次到5。
在开关全部打开时显示为0。
电路路如图(10)所示:
图(10)优先显示模块
此电路图由5个开关控制,经优先编码器74LS148进行优先筛选,译码出的信号送入加法器74LS283,再进入4511驱动数码管显示对应的数字,运行结果如下:
(1)没有信号输入时,开关全部打开,数码管显示为0。
运行结果如下图:
(2)闭合开关K5时的运行结果:
(3)同时闭合开关K5和K2的运行结果:
(4)闭合全部开关时的运行结果:
3、呼叫模块
根据设计要求开关全部打开时,蜂鸣器不发出响声;有一个或多个开关闭合时,蜂鸣器发出5秒响声。
因此,我们利用555集成时基电路组成的脉冲启动型多谐振荡电路,产生一定频率f的信号,驱动蜂鸣器发出呼叫。
如图(11)所示:
图(11)呼叫模块
根据实际情况,在电路图当中,我们取电容值C=0.01uF,R1=R2,设计中要求呼叫声为5s,即振荡周期T=5,它的振荡周期的计算公式为
T=0.7(R1+2R2)C,经计算求得R1=R2=240k。
因此当有信号输入时,就实现了蜂鸣器发出5s呼叫声的功能。
5、总电路原理图
图(12)总电路原理图
1、总电路图的工作原理:
用5个单刀开关控制输入信号,即控制灯泡的亮与灭,由上而下分别是K5--K1,当闭合开关,则相应的指示灯亮,断开开关,则相应指示灯灭;没有信号呼叫时显示0,有多个信号呼叫时显示优先级最高的呼叫号,其他呼叫号用指示灯显示。
开关闭合后,有信号送入74LS148优先编码器中,并且蜂鸣器开始呼叫,当只有一个信号送入编码器,则编码器只对这个信号进行编码,经过74LS283加法器运算,然后进入译码器进行译码,最后在数码管上显示对应的病房号码,并且蜂鸣器进行呼叫5s;当闭合2个或两个以上的开关,即有多个信号送入优先编码器中,优先编码器对优先级别高的进行编码,存储低的优先级的呼叫声,处理完高优先级的呼叫,再进行低优先级呼叫的处理。
2、总电路图运行结果
(1)开关全打开,没有信号输入时,指示灯都不亮,蜂鸣器不响,数码管显示为0。
运行结果如下:
(2)闭合开关K5时,灯泡L5亮,蜂鸣器响起(5秒),数码管显示为5。
运行结果如下:
(3)同时闭合开关K5和K2时,灯泡L5和L2亮,蜂鸣器响起,数码管显示为2。
运行结果如下:
(4)当所有开关闭合时,灯泡L5、L4、L3、L2、L1全部亮,蜂鸣器响起,数码管显示为1。
运行结果如下:
六、心得体会总结
本设计是要达到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的效果。
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的呼叫,使病情严重的病人得到优先救治。
同时系统自动存储其他呼叫号,在高级别的呼叫号清零后自动对其他呼叫号进行显示,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系统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。
在设计的过程当中,遇到的问题是不计其数的,通过多方的查找资料,筛选资料,分析处理资料,静心的独立思考,与同学们的积极探讨以及老师的悉心辅导下,我终于圆满的完成了此次课程设计,成功的解决了所有的设计任务和要求。
在设计的初期,我面临着两个关键性的问题,一是优先级不对,二是蜂鸣器一直响,实现不了发出5秒的呼叫声。
对于优先级问题,有多个信号同时呼叫时,1的优先级最高,5的优先级最低,我利用74LS148优先编码器来实现息功能,实际接入电路当中后,实现的却是5的优先级最高,1的优先级最低,于是我去掉了非门,实现了5的优先级比1的优先级高的功能,但开关全部打开时,数码管却显示7,静心思考后,我决定接入个74LS283加法器,经过多次计算,却还是没能实现开关全部打开时为0的效果,在与同学们的讨论下,抱着试探的心态,我利用了两个4511芯片和一个74LS283,终于成功的解决了多个信号输入时优先级和没有信号输入时输出为0的问题;对于蜂鸣器要发出5秒呼叫声的问题,我利用555定时器与电阻电容构成的多谐振荡器来实现,却想当然的随便找了个电阻电容值,导致蜂鸣器一直响,在老师的指点和参阅数字电子技术基础辅导书下,重新进行了计算,实现了发出5秒呼叫声的功能。
此次课程设计让我受益匪浅,特别是在遇到问题如何去解决问题这一方面让我进步很大,在遇到问题时,千万不要有畏难心态而不去思考,要抱着一定要解决问题的心态去面对,经多方摸索,与他人多多探讨,发挥集体的智慧,从而去解决问题。
另外我也了解到自己的不足,一是对课本的不熟悉,不能熟练运用芯片来实现某些功能,二是不能很好的理论联系实际,总是相当然的按照自己的思路去处理问题,犯了很多低级错误等等。
最后感谢老师的悉心指导和陪伴,同时也感谢同学们的帮助与鼓励,让我圆满的完成了此次课程设计。
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