八路呼叫器设计

任务目的要求

一、设计目的

1、运用数字电子技术、模拟电子技术的知识进行电路设计。

2、提高识读中小规模集成芯片的能力，能够熟练地、合理地选用集成电路器件。

3、掌握74LS148、74LS374 、CD4511、数码管、555、74LS30 或74LD686、74LS00、7805、等单元电路的综合应用。

4、掌握稳压电源的整流、滤波、稳压工作原理。

5、熟悉八路呼叫器的工作原理。

6、掌握用Multisim 软件对该系统进行仿真的方法。

7、提高电路布局、布线及检查和排除故障的能力，培养书写综合实验报告的能力 。

二、设计内容

设计一个八路呼叫器。

三、设计要求

1、当某一路由呼叫时，显示该路编号；

2、同时声光报警，报警时间2秒；

3、报警状态可手动通过按键切除；

4、设计出实现电路；

5、用Multisim 软件对该系统进行仿真；

6、用万用板焊接器件，制作电路，完成调试、撰写设计报告；

四、预习内容

1、查阅74LS148、74LS374 、CD4511、共阴极数码管、555、74LS30 或74LD686、74LS00、7805等集成芯片的功能表及相关参数和引脚图；

2、熟悉掌握稳压电源的整流、滤波、稳压工作原理；

3、学习Multisim 仿真软件。

五、设计参考电路

六、报告要求

1、根据设计任务要求，从选择设计方案开始，首先按单元电路进行设计，选择合适的元器件，最后画出总的原理图；

2、 对电路布局要求合理、走线清楚、工作可靠 ；

3、要求使用A4纸手写，必须有封面、任务书及教师评语表；

4、课程设计报告一般应包含：问题分析、方案的提出、设计思路、硬件原理框图、电路图及说明、集成芯片简介、设计过程中遇到的主要难点、解决的办法及体会。

系统工作原理

一、 概述

当某一路有呼叫信号输入时，该信号会被送到编码器（74LS148）中进行编码，编码器信号经过反相器（74LS04），经驱动芯片（CD4511）输出到显示电路，显示这一路的编码。同时触发单稳态电路，产生2s 的高电平，使多谐振荡器工作，使LED 和蜂鸣器产生2S 警报信号，报警状态可以通过手动按键消除。 八路呼叫器的电路主要由编码/锁存/译码/显示电路、单稳态电路、报警电路/手动控制电路组成。

其中，CD4511是自带锁存功能的七段数码管驱动芯片。

二、系统仿真电路

单元电路设计

1. 编码/锁存/译码/显示电路

电路结构及工作原理：

电路由按键、8-3线优先编码器74LS148、反相器74LS04、驱动器CD4511、七段数码管及保护电阻构成。

当J1至J8中某一个按键按下时，表明该路有呼叫。在74LS148的输出端有相应的编码（反码）输出。通过反相器输入CD4511译码驱动数码管显示相应的按键数。例如，当J3按键按下时，表明J3所在的这一路有呼叫，这时J3的低电平输入74LS148进行编码。经反相器74LS04反相后输入CD4511译码驱动，数码显示器显示数码2.

显示电路只需要将CD4511锁存端EL 连接到单稳态触发器输出端，即可实现显示电路显示相应时间（EL 高电平锁存）。 注释：

因为74LS148只能编码0—7，而使用74LS30（8与非）经反相器连接CD4511 A4引脚，可将输出的“0”的以“8”显示在数码管上。

2. 延时2S 报警电路

电路结构及工作原理：

电路由按键、8与非门74LS30、单稳态电路、与非门74LS04、反相器、多谐振荡器、LED 和蜂鸣器组成。

当J1至J8中某一个按键按下时，表明该路有呼叫。使得74LS30输出高电平，经反相器，产生低电平触发单稳态电路，产生2S 高电平延时，经两个反相触发多谐振荡器4 RST引脚， 使其振荡，从而控制LED 和蜂鸣器工作，产生警报。

其中，手动消除警报电路，由锁存器74LS374，与非门74LS00构成，在2S 期间可手动使多谐振荡器4 RST引脚置低，从而不工作，即消除警报。

注释：

图中①线连接CD4511消隐引脚BI 和锁存引脚EL

实现无呼叫时数码管灭，有呼叫时锁存。

3. 报警电路/手动控制电路

电路结构及工作原理

电路由按键、2输入四与门74LS00、六反相器74LS04、三极管、LED 发光二级管以及保护电阻构成。

此处LED 灯极为模拟的简要报警装置。当按键按下时低电平输入经反相器使其清零，LED 灯熄灭。

其中J9、R17、VCC 、GND 实际中被74LS374等效代替，实现2S 期间手动消除警报功能。

仿真时出现的问题

1. multisim 中ＣD4511功能与实际芯片不符合，所以仿真时电路与实际电路图不符合。

2. 开始对multisim 软件不熟悉，许多芯片找不到；

3. 由于仿真软件仿真时时间不是1:1，为了现象明显，我们适当按比例缩小了电阻、电容等的参数。

集成芯片介绍

1. 优先编码器

74LS148

74LS148优先编码器有八个输入端和三个输出端。当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端没有低电平输入时，输出端才输出相应该输入端的代码。例如：D5=0且D6=D7=1(D6、D7优先级别高于D5) 则此时输出代码010。 当OE 输入EI=1时，禁止编码、输出(反码) ： A2,A1,A0为全1。

当OE 输入EI=0时，允许编码，在D0～D7输入中，输入D7优先级最高，其余依次为：D6,D5,D4,D3,D2,D1，D0等级排列。 74LS148优先编码器输出为反码。

2. 六反相器

74LS04

74LS04是六非门（反相器），其工作电压为5V ，其内部含有6个CMOS 反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0，或0变成1。

逻辑关系为

Q=~Q

3. 驱动芯片CD4511

CD4511是一片CMOS BCD —锁存/七段译码/驱动器，引脚排列

如图所示。

其中A1、A2 、A3、A4为BCD 码输入，A1为最低位。

BI ：消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT ：测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE ：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。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，可驱动共阴LED 数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a 段消隐；显示数“9”时，d 段消隐，所以显示6、9这两个数时，

字形不太美观 。

所谓共阴 LED 数码管是指7段LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。

限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V 时可使用300Ω的限流电阻。

4. 八与非门

74LS30

A-H 为输入端，Y 为输出端，逻辑关系为

Y=ABCDEFGH。

5. 四与非门

74LS00

逻辑关系：Y=~(AB)

6. 555定时器

555定时器内部电路：

555定时器可构成单稳态触发器和多谐振荡器，电路图如下：

单稳态触发器 多谐振荡器 其中，单稳态延时时间 Tw=RCln3=1.1RC； 多谐振荡器振荡周期 T=（R1+2R2）Cln2 占空比q=R1/（R1+R2） 注释：

具体推导过程参考《数字电子技术基础》-第十章。

7. 锁存器74LS374

OE 为使能端，低电平使能，高电平输出端为高阻态； CP （CLK ）为控制脉冲输入端，当CP 由低变高（上升沿）时，输出跟随输入，即 Q=D; CP其他情况输出Q 都不会变化，成保持状态。

电路图如下

电路安装、调试与测试

1．电路安装

购买适当的元器件（见附录），还应备直流稳压电源和万用表，搭建电路进行试验。

1. 布局。按照原理图并依整体布局情况摆放器件。 2. 连线。根据器件的摆放先手绘各个管脚的连线，有利于焊接实验的顺利进行。

3. 焊接。（期间应严格按规定操作，注意安全，防止烫伤。） 4. 接入电源，进行实验。（不要在带电的情况下插、拔或焊接集成电路，以防损坏器件或造成电路故障。）

2. 电路调试

该步是实验的关键环节，是理论与实践相结合的关键阶段。 1. 检查电路。焊接完成后，对照电路图，按信号的流向逐级检查电路的安装是否准确无误。

2. 通电观察。电源接通，先观察电路是否有异常情况，如冒烟、异常气味、放电、发光、元器件不正常的发烫、电源电压是否掉下来等现象。若有，排除故障后重新接通电源，然后测量电路的电源电压是否正常，每个集成电路的电源引脚电压是否正常，以确信集成电路是否已通电工作。

3. 静态调试。不加输入信号，测量电路关键点的电位是否正常。 4. 动态调试。加上输入信号，观测电路输出信号是否符合要求。 5. 指标测试。对课题要求的技术指标进行测试，做出测试结论，确定电路的技术指标是否符合技术指标。

调试时出现的错误

在实际调试中，我组焊接的电路板起初无法正常运行，按键后，数码管只能显示0,2,4,6,8, 这四个数字，其他按键时数码管不显示，确定不是焊接质量问题后，在陈老师的提示下，明白了原因，即我用了CD4511的高三位，而且最低位接地，因此只显示偶数，并且会输入超过9的数字，时CD45 11消隐。

结论

本次课设的目的是设计一个八路呼叫器，主要目的是实现当医院发生紧急情况是，病房之中又有多个病人需要护理的一个优先级别电路应用于医院病房呼叫具有优先级别的呼叫系统，当病人需要呼救时系统自动处理具有优先级别的编号，同时产生2秒的声音信号，另外在产生信号的同时，系统会显示呼叫病人病房编号。这样医护人员可根据系统的优先级别对每个病人进行救治。当有多个病人同时呼救时，系统会会根据优先级别呼出当前最高信号，按下清零键后，声音信号停止。

本设计的主导思想是设计一个当病人紧急呼叫时，产生声音信号提示，并显示病房编号，然后根据病人病情优先级别处理，当多人呼叫时，病情严重者优先。通过此电路的设计，让我明白如何将理论与实践相结合，对Multisim 软件的应用更为灵活；通过电路板的焊接，增强了自己的实际动手能力，同时对各器件的工作原理有了更进一步的理解。

在现实生活中，此设计可得到进一步的改善。例如，在每个按键旁安装反馈信号（声光信号），使病人明确得知医护人员已接受呼叫信号，可有效防止重复呼叫等。

总结及体会

通过这两周的课程设计训练，意识到理论成功与实践成功的距离，我认识到要运用自己的专业知识解决实际问题，理论知识必须扎实，理论是时间的强大后盾，但是这只是必要条件，实践中个人的动手能力也是必要的，它需要自己的严谨、细心的操作，善于捕捉操作中问题，并积极思考寻找解决办法。特别是这次的实习，所需芯片很多，芯片引脚也非常多，所以提前掌握好芯片的特性，并且在操作中区分好引脚分布尤为重要。

开始仿真时，很容易就实现了电路功能，因为软件非常人性化，感觉这次任务完成一半了，可接下来的过程让我认识到，仿真成功之时验证了设计思路的可行性，但是最后的电路“行不行”还是未知数的，所以仿真只算是设计的准备阶段。

在电路焊接过程中，引脚相距很近，很容易短接，必须十分小心，但是由于许多芯片过热会损坏，焊接不能太慢，这都加大了焊接的高标准，达到焊接质量，速度的合格。

焊接中，我感觉难度最大的就是——布线，我选用的板子是双连孔，多连孔混合的，而且由于芯片引脚排列也不是有顺序的，所以布线必须统筹全局，合理，简洁。

通过实习，我巩固了专业理论知识，培养了专业兴趣，提高了动手能力，还有我严谨的科学态度。这都有助于我在今后的学习中更加科学的学习，更加热爱和投入本专业的学习。

参考文献

[1]阎 石 数字电子技术［M ］ 北京：高等教育出版社，2000，5 [2]毕满清 电子技术实验与课程设计（第三版）［M ］北京：机械工业出版社，2005，7

[3]赵曙光 可编程器件原理、开发及应用［M ］ 西安：西安电子科技大学出版社，2002,2

附录一

元器件明细表：

74LS148 编码器 74LS04 反相器 CD4511 译码/驱动器 74LS00 两输入与非门 74LS30八与非门 （74LS374 锁存器） 555定时器

电阻（10k Ω、300Ω、41k Ω、51K Ω、180k Ω） 电容（10uF 、22uF 、10nF ） 蜂鸣器、LED 按钮（共九个） 共阴极八段数码显示管

附录二

元器件引脚图

图9-1 74LS04引脚图 图9-2 74LS00引脚图

图9-3 74LS148引脚图 图9-4 CD451引脚图

图9-5 74LS374引脚图

图9-9 三极管