电子课程设计-公用电话计时器(1).docx

简易电话计时器的设计摘要 本设计是用中小规模集成电路设计一个公用电话计时系统。通过本设计使其完成以下几项基本功能：每3分钟计时一次；显示通话次数，最多为99次；每次定时误差小于1秒；具有手动复位功能；具有声响提醒功能，计数器译码显示，声响提醒3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。声响提醒电路由555集成电路完成。关键词 复位、声响、计数器、分频器目 录1设计任务与基本要求2 1.1设计任务2 1.2基本要求22系统总体方案3 2.1系统工作原理32.2系统设计框图33单位电路模块设计 43.1标准信号源43.2分频器53.3分钟定时器63.4通话次数计数器显示电路8 3.5复位电路103.6声响提醒电路114 调试及结果 14 4.1 标准信号源调试 144.2 3分钟信号测量 144.3 计数显示电路调试 144.4 声响提醒电路调试 144.5 结果5 课程设计体会 156 参考文献 16附：总电路图 171.设计任务与基本要求 1.1设计任务用中小规模集成电路设计一个公用电话计时系统。1.2基本要求1) 每3分钟计时一次。2) 显示通话次数，最多为99次。3) 每次定时误差小于1秒。4) 具有手动复位功能。5) 具有声响提醒功能。本设计主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成，其工作原理为：当按下复位按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始， 3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。该设计分频器，3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。声响提醒电路由555集成电路完成。2.系统总体方案2.1工作原理当按下抚慰按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始，此时由标准信号发生器产生的f0=32768Hz信号经过十二级分频得到的f0=8Hz脉冲输入3分钟定时器，选用f0=8Hz的原因时考虑到设计要求定时精度所选定的。3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。2.2 系统设计框图如图1为该计时器的工作框图，主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成。 图1. 计时器的工作框图3.单位电路模块设计3.1标准信号源CD4011是四-2输入与非门集成电路,CD4040是12位二进制串行计数器/分频器是由T型触发器组成的二进制计数器，多位二进制计数器主要用于分频和定时，使用极其简单和方便。 产生脉冲信号的电路很多，例如由集成门电路构成的多谐振荡器，由555定时器组成的方波发生器等。由于该标准信号源要求频率稳定性及输出信号精度比较高，故采用由CD4011与非门（CMOS）电路及晶体原件组成的多谐振频率的信号如图2所示，晶振的标称频率为32768Hz。由于石英晶体的选频特性非常好，只有其串联谐振频率的信号才最容易通过，而其他频率会被晶体大大衰减，所以电路在满足震荡的条件下，其输出频率仅取决于晶体的标称频率，与其他原件参数无关。电路中的电阻R是保证G1门工作在线性状态而加入的，电容C抑制告辞谐波，以保证输出频率稳定。G3门是为了改善输出波形质量，增加带负载能力而加入的缓冲级。图2 标准信号源电路及分频器3.2 分频 由于f=32768Hz频率比较高，为了得到低频信号且又能满足定时要求的脉冲，可采用CD4040二进制计数器/分频器进行分频。CD4040是由12个T型触发器组成的串行二进制计数器/分频器。复位端高电平有效，2个输入端，一个是时钟CP，一个是复位清零端，有12个分频输出端Q1-Q12,最大分频系数为212=4096， n位二进制计数器的最高位输出信号的频率fn 与计数器脉冲频率fcp的关系为fn=fcp/2n 现选择12位异步二进制计数器CD4040，则CD4040计数器最高位输出频率为 f12=f0=fcp/212=8Hz 电路如图2，CR为清零端。表1 CD4040功能表输入输出L不变L进入下一状态XH全部输出为L 3.3 3分钟定时器CD4001的输入阻抗很高，所以对微弱的电流很敏感。当感应电的功率很小时，虽然有电压，但电流太低，所以说这种情况下高阻输入由于对电流的需求很小，只要电压就可以触发，所以使用它的时候，对人体的触摸会有反应。无论是人还是钳子，它都是导电的，尽管剪线的钳子外是绝缘的，于由它是金属的，它能接收空间中的任何无线电波，当它与触片接触时，金属间的空间电位差也会使这一瞬间产生放电而有电流进入CD4001，人体也不例外，而且人体比较大，接收空间中的电磁波能力更强。市电电源在灯的附近是必定存在的，电力线也产生很强的电磁辐射，事实上，人体触发它的时候，主要是人体接收到的交流感应信号(50Hz)作用在上边而触发的。可控硅与灯的电路是串联的，如果是单向的，会通过一个整流桥连接，这样对于灯来说，仍可通过双向电流，双向可控硅就直接与灯串联了，一般来说由于电路要用直流电，所以都采用单向可控硅加整流桥的方式，整流出来的电流兼作电源用。正因为这个原因，这种灯只能延时点亮，因为一旦触发，整流桥过来的电压被短路，只能通过一个二极管隔离开，使用电容中剩余的电量进行触发维持。另外，由于待机时必须有微弱的电流通过才能工作，所以只能用于白炽灯，若是节能灯，很可能就无法触发了。该电路是本系统的关键。n位二进制计数器的输出状态与计数脉冲的个数关系为： (N)D=2n-1Qn-1+2n-2Qn-2+20Q0因为输入脉冲的周期T0=1/f0定时为3分钟=180秒所需要的输入脉冲的个数N为：N=180/T0=180f0=1440个又因为(N)D=(1440)D=(10110100000)B即要求计数器的模等于1440，利用反馈清零法，可设计出该电路 。如图3所示，当CD4040累计到1440个脉冲时，G1输出为1， G2输出为0， G3被置为1。一旦4040的CR端为高电平，其输出立即被清零，由于CR组成的触发器具有记忆功能，故G3输出不变，当f0上升沿到来时，G3输出为0，CD4040的清零信号解除。可见G3输出的信号fT是周期为3分钟，输出高电平为 1/16秒 的窄脉冲。二极管D1的作用见 图5.复位电路。图3 三分钟定时电路3.4 通话次数计数器显示电路该电路由二位十进制计数器完成，可采用中规模集成计数器CD4029组成。74LS47是一个7段码数码管的驱动芯片，通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用。译码器选用OC门输出的七段显示译码器74LS47，显示器采用共阳极七段LED数码管。其中R是限流电阻，即当74LS47输出为低电平时，流入其输出端电流要小于74LS47的最大允许灌电流。若R过小，流入74LS47的灌电流增大；若R过大，则LED数码管太暗。一般R选择200W500W（在5V电源下）。CD4029通过控制输入端可构成二进制或者BCD计数器，它有3个控制端，即二进制/十进制转换B/D，加/减转换U/D和预置数LD，另外它还有4个置数端D0-D3,4个输出端Q0-Q3,脉冲输入端CP，进位输入端,进位输出端。CD4029具有优先进位功能的四位二/十进制加/减计数器，进位功能可以根据加法和减法或者二进制和十进制来确定CP上升沿进行计数。电路如图4所示。由于CD4029无清零端，实现复位功能需要置数清零。译码器选用OC门输出的七段显示译码器74LS47，显示器采用共阳极七段LED数码管。其中R是限流电阻，即当74LS47输出为低电平时，流入74LS47的灌电流增大；如果R过大，则LED数码管太暗。一般R选择200-500 （在5V电源下）。 表2 4029功能表 LLLHLHLHHLHH保持H保持图4 通话时间显示电路3.5复位电路根据设计要求，在每次通话之前一定要清零。当复位按键按下时，3分钟定时电力和通话次数计数电路均被清零。如图5所示。当复位开关按下时，+5V电源同时加到2分钟定时器的清零端和通话次数的指数段，使其强迫清零。但由于二极管D1的存在，+5V电源加不到门电路CD4001的输出端，避免了CD4001的损坏。另外。由于D2的作用，使得3分钟定时脉冲仅能加到3分钟定时器的清零端和通话次数计数器的计数脉冲输入端，而传送不到通话次数计数器的置数端上来，从而实现了正常的计数。图5 复位电路3.6声响提醒电路该电路的主要功能是每到一个3分钟时间，提醒时间为5秒钟。555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的单稳电路。TTL集成定时器555定时器的外引线排列图和内部原理框图如图6,7所示，它是由上、下两个电压比较器、三个5k电阻、一个RS触发器、一个放电三极管 TD以及功率输出级组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达100200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在+4.5+18V范围内使用，比较器 C1的反相输入端接到由三个5 k电阻组成的分压网络的2/3Vcc处（也称控制电压端），同相输入端为阀值电压输入端。比较器C2的同相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处，反相输入端为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较器的输出端控制RS触发器。RS触发器设置有复位端，当复位端处干低电平时，输出为低电平。控制电压端是比较器C1的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比较器C1、C2的参考电压。不用时可将它与地之间接一个O01F的电容，以防止干扰电压引入。输出电流可达100200mA，能直接驱动低阻抗扬声器。 图6 TTL电路555电路结构 图7 555集成电路引脚排列表3 555芯片功能表触发阈值复位放电端输出H导通LH原状态H截止HL导通L555构成的单稳态电路 当电源接通后，Vcc通过电阻R向电容C充电，待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时，RS触发器置0，即输出Vo为低电平，同时电容C通过三极管T放电。当触发端的外接输入信号电压Vi1/3Vcc时，RS触发器置1,即输出Vo为高电平，同时，三极管T截止。电源Vcc再次通过R向C充电。输出电压维持高电平的时间取决于RC的充电时间，当t=tW时，电容上的充电电压为；所以输出电压的脉宽 tW=RCln31.1RC （一般R取1k10M，C1000pF）值得注意的是：t的重复周期必须大于tW，才能保证放一个正倒置脉冲起作用。由上式可知，单稳态电路的暂态时间与Vcc无关。因此用555定时器组成的单稳电路可以作为精密定时器。实现此功能可用单稳态触发器加多谢振荡器完成。利用555定时器组成的电路如图8.根据定时时间的要求，可确定电阻R1，电容C1的值。因为 T0 =1.1 R1C1, T0=5秒，取C1=10uF，可得R1=4.7K。图8 声响提醒电路4.调试及结果4.1标准信号源调试利用示波器观察振荡器输出波形是否正确。若用万用表直流量程测量其输出，应为2.5V左右输出。然后用示波器观察分频器CD4040的Q11端输出，检验是否有8Hz信号输出。 4.23分钟信号测量3分钟定时信号脉冲输出高电平时间极短，故利用示波器测量时，把示波器扫描速度开关打在“扫描停止”档，观察光点的变化。 4.3计数显示电路调试首先外加入1Hz左右的脉冲信号，观察计数器、译码、显示电路是否正常工作。 4.4声响提醒电路调试首先调试多谐振荡器，将第二片555定时器的4脚接高电平，用示波器观察输出波形。然后将3分钟定时脉冲输出到第一片555定时器组成的单稳态触发器中，同时将第二片555的4脚接到单稳态触发器的输出端，用示波器观察输出波形的变化或用扬声器监听。4.5 结果通过这次设计最终实现了设计的要求，当按下复位按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时电话通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始， 3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。5.课程设计体会第一，接到任务以后进行选题。选题是设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地；因此选题时一定要考虑好了。 第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，在课程设计的过程中，较多的时间是用来查阅资料，因为还是第一次做电子课程设计，所以一般通过网上查阅和图书馆资料查阅，在此查阅期间，我学会了怎样使用超星阅读器和PDF阅读器。第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。 第四，有了方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。通过课程设计，我了解了电子设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程，能用Protel等软件绘制电路原理图，能独立解决设计中出现的一般问题，能正确选用元器件与材料，能查阅各种有关手册和正确编写设计报告。参考文献1姚福安主编：电子电路设计与实践M，山东，山东科技出版社， 2004.2康华光主编：电子技术基础（数字部分）M，北京，高等教育出版社， 2005.3李银华主编：电子线路设计指导M，北京，北京航空大学出版社，2005.4衣承斌、刘金南编：数字集成电子技术基础M，南京，东南大学出版社，1994.5席德勋编著：现代电子技术M，北京，高等教育出版社，1999.附：总电路图17