电工电子课程设计---四路病房呼叫系统

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本次主要使用Proteus 和Multisim分别实现

`主要参考文档`

`学会翻阅官方文档`

一、设计目的

1.掌握电路的设计、分析与调试方法。

2.能够熟练使用Multisim电路仿真软件对电路进行设计、仿真和调试。

3.加深对电工电子技术相关知识的理解及应用。

二、设计任务与要求

病房呼叫按钮：医院有4个病房（1号、2号、3号、4号），每个病房装有呼叫按钮。病人按下呼叫按钮后，会向护士值班室发出信号。
显示电路：护士值班室有一个显示器，用于显示当前呼叫病房的编号，四个指示灯对应四个病房，以及一个扬声器用于声音提示。指示灯闪烁表示当前病房正在呼叫。
优先级：1号病房的呼叫优先级最高，2号其次，4号最低。
数码管显示：用一个数码管显示呼叫病房的编号。当没有呼叫信号时，显示0；当有多个呼叫信号时，显示优先级最高的病房编号。

三、设计要求

1.根据课题，查阅相关资料。

2.画出系统原理框图，确定基本电路。

3.参数计算和元器件选择。

4.画出单元电路图及整体电路图。

5.用Multisim进行仿真，调试。

6.制作PPT答辩。

7.撰写课程设计报告。

四、器材清单

元件名称	型号	数量	备注
优先编码器	74LS148	1	双列直插
双四输入与非门	74LS20	1	双列直插
定时器	NE555	1	双列直插
译码器	74LS48	1	双列直插
1位数码管	0.56英寸共阴	1	红光
发光二极管	5mm	5	红光
自锁微型按钮	6脚	4
三极管	9011	1	NPN型
电阻	360欧	12	1/4W碳膜电阻±1%
电阻	1.5K	2	1/4W碳膜电阻±1%
无源蜂鸣器	交流5V	1
电容	1UF、0.01UF	各1	瓷片电容

五、了解一下软件

Proteus简单介绍（废话不说）
1. 适用于嵌入式系统和微控制器应用的设计和仿真。
2. 广泛用于硬件开发和嵌入式系统设计，特别是需要实时仿真的项目。
Multisim简单介绍（废话不说）
1. 强大的 SPICE 仿真功能，用于模拟电路的分析。
2. 适用于模拟电路和数字电路的设计和分析。

六、任务实施过程

`LED和开关部分`

组件

LED1至LED4：发光二极管，用于指示开关的状态。
R1至R4：限流电阻，每个电阻为360Ω，用于限制流过LED的电流，保护LED。
S1至S4：开关，用于手动控制LED的开关状态。

工作原理

当开关S1至S4被按下时，相应的电路闭合，电流通过限流电阻R1至R4流向LED1至LED4，点亮相应的LED。
开关的状态信号（高/低电平）也传递给后续的逻辑电路。

`逻辑门和译码器部分`

组件

U1（74LS20D）：双四输入NAND门，每个门有四个输入，一个输出。
U2和U3（74LS48D）：BCD至七段显示译码器，将二进制输入信号转换为七段显示信号。

工作原理

U1（74LS20D）：
- 该IC包含两个四输入NAND门。输入端口为1A、1B、1C、1D（第一个门）和2A、2B、2C、2D（第二个门），输出端口为1Y和2Y。
- 开关S1至S4的信号作为U1的输入信号。每个NAND门会对输入信号进行逻辑运算，并输出结果。
U2和U3（74LS48D）：
- 这些IC将U1的输出（BCD码）转换为驱动七段显示器的信号。U2和U3分别处理不同的输入信号并输出到七段显示器U4。

`七段显示器部分`

组件

U4：七段显示器，用于显示数字。

工作原理

七段显示器通过U2和U3的输出信号控制，每个段（A至G）根据输入信号的不同亮起或熄灭，显示相应的数字。

`555定时器和蜂鸣器部分`

无稳态模式：
- 无稳态模式下，555定时器没有稳定状态，它不断在高电平和低电平之间切换，形成一个周期性方波。
- 输出引脚（OUT）将交替输出高电平和低电平，频率和占空比由外部的电阻和电容决定。
组件及其连接：
- R10（1.5KΩ）和R11（1.5KΩ）：设置充电和放电时间常数。
- C（1μF）和Cf（0.01μF）：定时电容，控制振荡频率。
- Q1（2N2221）：NPN三极管，放大555定时器的输出信号。
- R12（360Ω）：限流电阻，保护三极管和蜂鸣器。
- LS1（蜂鸣器）：发出声音信号。
工作过程：
- 当电源接通时，电容C开始通过R10和R11充电。
- 当电容电压达到2/3电源电压时，内部触发器翻转，输出引脚（OUT）变为低电平，同时电容开始通过R11放电。
- 当电容电压放电至1/3电源电压时，触发器再次翻转，输出引脚变为高电平，电容重新充电。
- 如此循环，输出端产生一个频率和占空比固定的方波信号。
- 方波信号通过Q1三极管放大，驱动蜂鸣器LS1发出声音。

`电路整体工作原理`

当按下S1至S4时，相应的LED（LED1至LED4）亮起，表示开关的状态。
开关的状态信号传递给U1（74LS20D）进行逻辑运算。
U1的输出信号作为BCD码传递给U2和U3（74LS48D），进行译码。
U2和U3的输出信号驱动七段显示器U4，显示对应的数字。
555定时器（U5）配置为模式，通过Q1放大信号驱动蜂鸣器LS1发出200Hz的声音。

七、任务实施(Proteus)

效果图展示(整体P1)

SW1和SW4

SW1-SW4

八、任务实施（Multisim）

效果图展示(整体P1)
我们可以利用74LS20的NAND门输出控制NE555的复位引脚（RESET）。当NAND门输出为低电平时，复位NE555，使其停止工作；当NAND门输出为高电平时，允许NE555正常工作。

部分展示

NE555定时器

74LS20

74LS148、74LS48、BCD

九、简要说明：

74LS20（双四输入 NAND 门集成电路）当所有四个输入均为高电平时，输出为低电平，其余情况下输出为高电平。

1A, 1B, 1C, 1D (引脚1, 2, 4, 5): 第一四输入 NAND 门的输入端。
1Y (引脚6): 第一四输入 NAND 门的输出端。

74LS148(8 线-3 线优先编码器)它有8个信号输入端、3个二进制码输出端，1个输入使能端、1个选通输出端和1个扩展端。

D0 - D7 (引脚1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8): 输入端（D7 具有最高优先级）。
A0, A1, A2 (引脚9, 10, 11): 输出端。
EI (引脚15): 使能输入（低电平有效）。
GS (引脚6): 输出有效信号（低电平有效）。
EO (引脚7): 使能输出（低电平有效）。
Vcc (引脚16): 电源引脚。
GND (引脚8): 接地引脚。

74LS48(七段显示驱动器)

A, B, C, D (引脚7, 1, 2, 6): 四位二进制输入。
a - g (引脚10, 11, 12, 13, 14, 15, 16): 七段显示器的输出端。
LT (引脚5): 灯测试输入（低电平有效）。
BI (引脚4): 消隐输入（低电平有效）。
RBO (引脚3): 消隐输出。
RBI (引脚9): 纹波消隐输入。
Vcc (引脚14): 电源引脚。
GND (引脚8): 接地引脚。

NE555(定时器集成电路)

RST - Reset (复位引脚)
- 功能：复位引脚，低电平有效。当该引脚电压低于 0.7V 时，定时器复位，输出为低电平。通常连接到 Vcc 以禁用复位功能。
DIS - Discharge (放电引脚)
- 功能：三极管集电极Collector输入引脚。用于放电控制，与外部电容连接，用于在无稳态模式下控制电容放电。
THR - Threshold (阈值引脚)
- 功能：上阈值电压引脚。当该引脚电压上升到 2/3 Vcc 时，内部触发器翻转，输出低电平。
TRI - Trigger (触发引脚)
- 功能：触发引脚，低电平有效。当该引脚电压下降到 1/3 Vcc 时，内部触发器翻转，输出高电平。
CON - Control Voltage (电压控制引脚)
- 功能：电压控制引脚。可以通过外部电压调整定时器的阈值电压，通常通过一个 0.01μF 的电容接地，以减少噪声干扰。
OUT - Output (信号输出引脚)
- 功能：信号输出引脚，可以输出高电平或低电平信号，驱动负载。
VCC
- 功能：电源电压引脚，范围为 4.5V 至 15V。
GND
- 功能：接地引脚，连接电源的负极。
单稳态模式（单稳态触发器）：
在这种模式下，NE555 通过一个外部触发脉冲产生一个定时脉冲。定时时间由外部电阻和电容确定。
应用：脉冲延时电路、开机延时电路、脉冲宽度调制（PWM）等。

无稳态模式（多谐振荡器）：
在这种模式下，NE555 产生连续的方波输出。频率和占空比由外部电阻和电容决定。
应用：方波发生器、音频信号发生器、时钟脉冲发生器等。

施密特触发模式：
在这种模式下，NE555 作为一个施密特触发器，提供稳定的开关动作，适用于抖动输入信号。
应用：信号整形电路、按键去抖动电路等。

八、引脚图和真值表(不看也行，随心所欲)

74LS20

输入 (A, B, C, D)	输出 (Y)
0000	1
0001	1
0010	1
0011	1
0100	1
0101	1
0110	1
0111	1
1000	1
1001	1
1010	1
1011	1
1100	1
1101	1
1110	1
1111	0

74LS148

输入 (D7-D0)	输出 (A2-A0)	GS	EO
00000000	000	H	L
00000001	000	L	H
0000001X	001	L	H
000001XX	010	L	H
00001XXX	011	L	H
0001XXXX	100	L	H
001XXXXX	101	L	H
01XXXXXX	110	L	H
1XXXXXXX	111	L	H
EI = H	无效	H	H

`注: "X" 表示无关状态，EI = H 时，编码器不工作，所有输出无效。`

74LS48(74LS47一样)

真值表

输入 (BCD)	输出 (七段显示)	显示字符
D C B A	a b c d e f g
------------	-----------------	-----------
0 0 0 0	1 1 1 1 1 1 0	0
0 0 0 1	0 1 1 0 0 0 0	1
0 0 1 0	1 1 0 1 1 0 1	2
0 0 1 1	1 1 1 1 0 0 1	3
0 1 0 0	0 1 1 0 0 1 1	4
0 1 0 1	1 0 1 1 0 1 1	5
0 1 1 0	1 0 1 1 1 1 1	6
0 1 1 1	1 1 1 0 0 0 0	7
1 0 0 0	1 1 1 1 1 1 1	8
1 0 0 1	1 1 1 1 0 1 1	9

显示字符说明

0: 所有段（a, b, c, d, e, f）点亮，段 g 熄灭。
1: 段 b 和 c 点亮，其余段熄灭。
2: 段 a, b, d, e, g 点亮，段 c, f 熄灭。
3: 段 a, b, c, d, g 点亮，段 e, f 熄灭。
4: 段 b, c, f, g 点亮，段 a, d, e 熄灭。
5: 段 a, c, d, f, g 点亮，段 b, e 熄灭。
6: 段 a, c, d, e, f, g 点亮，段 b 熄灭。
7: 段 a, b, c 点亮，段 d, e, f, g 熄灭。
8: 所有段（a, b, c, d, e, f, g）点亮。
9 : 段 a, b, c, d, f, g 点亮，段 e 熄灭。