电气自动化专业课程设计

电子课程设计

—简易公用电话计时器

学院：电子信息工程学院

专业：电气工程及其自动化 班级：电气101501班 姓名：赵树刚 学号：[1**********]3 指导老师：李小松 2012年12月21日

目 录

一．设计任务与要求介绍 --------------------------3 二. 总体框图-------------------------------------3 2.1 设计总体框图---------------------------------3 2.2 设计思路-------------------------------------4 2.3 模块功能-------------------------------------4 三. 使用的主要器件及其功能-----------------------6 3.1 74LS160的介绍--------------------------------6 3.2 555多谐震荡器的功能及应用--------------------9 3.3 三极管非门的应用-----------------------------11 3.4 LED显示屏的简单介绍--------------------------12 四. 各部分功能模块-------------------------------12 五. 总体设计电路图及仿真结果---------------------18 六. 心得体会-------------------------------------19

简易公用电话计时器

一． 设计任务与要求

简易公用电话计时器是一种用数字显示的计时装置，具体要求如下：

1．每一秒钟计时一次。最大计时时间为59分59秒。

2．具有手动复位功能。 3．每一分钟报警一次。

4．通话时长超过三分钟按通话一次计数。最大计数为99。 5．可对通话次数手动清零。 要求完成的任务如下：

1．画出整体电路图，并进行必要的分析说明。

2．用设计软件对可编程器件进行设计输入、设计仿真和器件编程，使器件具

有所规定的逻辑功能。

3. 安装调试所设计的电路，使之达到技术指标要求。 4.对实验结果进行分析记录。

二、总体框图

2.1 总体框图

该简易公用电话计时器总体框图如图1所示。

图1 简易公用电话计时器总体框图 2.2 设计思路

实验的第一步是要提供一个标准时间，即提供一个周期为一秒的方波信

号。由于最大计时为59分59秒，因此设计需要四位计数电路，分别为秒个位、秒十位、分个位、分十位。计数之后才能进行进行译码显示。同时在一分钟的时候给报警电路一个脉冲信号，用以达到报警的目的。另外需要设计电话的手动开关，即模拟打电话和挂电话的过程。同时其要求超过三分钟按一次计数。及要求有计数功能。最大计数为99故需要添加一个二位计数电路。同时为其设计一个开关以达到手动清零的目的。 2.3 模块功能

（1）秒脉冲发生器模块

本实验选用555计时器组成多谐振荡器发出的脉冲，从而获得1HZ的秒脉冲。秒脉冲发生器电路图如图2所示。

图2 秒脉冲发生器 （2）译码显示模块

秒个位、秒十位、分个位、分十位分别位10、6、10、6进制计数器。秒、分个位均为十进制，即显示0-9秒、分十位为6进制计数器，显示0-5。其显示仿真电路图如图3所示。

图3 译码显示模块

（3）手动复位模块

该部分有一个开关和串联电阻以及一个5V电压源组成。用以达到模拟电 话的通话及挂断过程。 （4）报警装置模块

用一个灯泡来实现该电路的报警功能。 （5）通话计数模块

该部分用俩片74LS160芯片来实现起最大计数为99的功能要求。 （6）计数器手动清零模块

该部分用与手动复位部分相同的元器件来实现其要求。

三、选择器件

本设计所需要的元器件如表1所示。 表1 选用元器件

3.1 十进制加法计数器74LS160的应用

它是同步十进制加法记数器，当LOAD端输入底电平时处于预置数状态，D0、

D1、D2、D3的数据将会在CP上升沿到达时被置入Q0、Q1、Q2、Q3中，它的预置数是同步的。74LS160的逻辑图如图4所示。图中LD为预置数控制端，A到D为数据输入端，RCO为进位输出端，RLC为异步置零端，QA-QD位数据输出端，ENP和ENT为工作状态控制端。十进制加法计数器74LS160的内部结构原理图如图5所示。

图4 74LS160的逻辑符号

图5 74LS160的内部结构图

当RC=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当R.1、LD=0时，电路工作在预置数状态。这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。当RC=LD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。同时C的状态也得到保持。如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。当RC=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，C端从高电平跳变至低电平。利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。74LS160的逻辑功能如表2所示。

表2 74LS160逻辑功能表

由74LS160功能表2可得，当置数端为0时，输出全为0。预置数端为0，当脉冲到达时，计数器置数；当置数和预置数端都为1，且EP=ET=1时，计数器进行加法计数；当EP=0，EP=1时，输出不变，且RCO=0；当ET=1时，各输出及RCO都保持不变。 3.2 555定时器应用

555定时器的逻辑管脚图如图6所示。 连接合适的电阻电容即可组成秒脉冲发生器。

国产双极型定时器CB555电路结构图。它是由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。

VH是比较器C1的输入端，v12是比较器C2的输入端。C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个五千欧电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空

时，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO,VR2=1/2VCO.

RD是置零输入端。只要在RD端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电

平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使RD处于高电平。图中的数码1—8为器件引脚的编号。

图6 555定时器逻辑符号

555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。555定时器内部结构如图7所示。 (1)电路组成

555集成定时器由五个部分组成。

① 基本RS触发器：由两个“与非”门组成 ② 比较器：C1、C2是两个电压比较器

③ 分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。

④ 晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管VT构成开关，其状态受Q端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。

图7 555定时器内部结构图

(2) 基本功能

555定时器逻辑功能如表3所示。

当R0时，Q1，输出电压VoVOL为低电平，VT饱和导通。

21当R1时，VTHVCC时，VTRVCC时，C1输出低电平，C2输出高电平，33

Q1，Q＝0，voVOL，TD饱和导通。 21当R1、VTHVCC、VTRVCC时，C1、C2输出均为高电平，基本RS33

触发器保持原来状态不变，因此vo、VT也保持原来状态不变。 21Q0，当R1、C1输出高电平，C2输出低电平，VTHVCC、VTRVCC时，33

Q＝1，voVOH，VT截止。

表3 555定时器逻辑功能表

输入

阈值输入(VI1)

×

＜2/3Vcc

＞2/3Vcc

＜2/3Vcc 触发输入(VI2) × 输出 复位(RD) 输出(Vo) 0 0 1 0 不变 放电管T 导通 截止 导通 不变 ＜1/3Vcc 1 ＞1/3Vcc 1 ＞1/3Vcc 1

3.3 三极管非门 在一些实用的反向器电路中，为了保证在输入低电平时三极管可靠地截止，

常将电路接成图2.3.3的形式。由于接入了电阻R2和负电源VEE,即使输入的低电

平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，从而使三极管能可靠地截止，

输出为高电平。

当输入信号为高电平时，应保证三极管工作在深度饱和状态，以使输出电

平接近于零。为此，电路参数的配合必须合适，保证提供给三极的基极电流大于

深度饱和的基极电流。 三极管非门逻辑图如图8所示。

图 8 三极管非门逻辑图

校时电路所用的芯片是74LS04，74LS04管脚图如图9所示。

图9 74LS04管脚图

三极管非门74LS04功能表如表4所示。

同理可知其他各非门与04的原理基本相同。其之间最大的区别在于是几输入的。00与03均为双输入与非门。12为三输入20为四输入。在此就不做过细的介绍了。

3.4 七段显示数码管 LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。目前LED显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。管脚１２３４分别接输出段的Ｑ０、Ｑ１Ｑ２、Ｑ３．七段显示数码管管脚图如图10所示。

图10 七段显示数码管

四、功能模块

4.1 555多谐振荡器组成脉冲发生器

多谐振荡器不需要外加输入信号，只要加上直流电源就能自动输出相应频率和宽度的矩形脉冲。由于矩形脉冲含有丰富的高次谐波，所以称为多谐振荡器。

多谐振荡器电路能从一种状态翻转到另一种状态，变化极其迅速。多谐振荡器的稳定度及频率的准确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用成品振构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高也可采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成定时器555与RC组成的多谐振荡器。555多谐振荡器组成脉冲发生器电路图如图11所示。

图11 秒脉冲发生器

通过该电路我们可以得到脉冲为1Hz的秒脉冲。

4.2.计数器译码显示

这一部分采用74LS160实现秒个位、秒十位、分个位、分十位的计数，其中秒十位和分十位是6进制，秒个位和分个位是10进制。当第一个秒个位计数器的计数到9的时候，就发出一个脉冲给秒十位计数器电路一个进位信号，当秒十位计数器到5，秒个位计数器到9的时候给分个位计数器电路一个进位信号。

如下图可看出秒个、十位和分个、十位电路图相同。所有计数器的显示均采用DCD-HEX译码显示器。计数器译码显示如图12所示。

图12 译码电路

4.3 计数器功能

该部分要求就是的最大值为99.我们选用两片74LS160，通过级联的方式组

成十进制计数器。同时其要求通话时长超过三种按一次计数。故其分别由分个位，分十位引出输出0011，0000，将0011的11和第二位0取非后接入三输入与门，将0000中的四个0分别取非后接入四输入与门，二者的输出在经过74LS00与非之后送入个位芯片的74LS160的CLK端，作为输入信号。计数器功能显示电路如图13所示。

图13 计数器触发电路

4.4 报警功能模块

该模块由一个灯泡和一个74LS04非门组成。其输入信号是74LS12的输出端输出的信号，以达到每一分钟报警一次。报警功能电路如图14所示。

图14 报警电路

4.5 手动复位和清零模块

该模块分别有开关，5V电压源，电阻组成。构成简单的开关。复位开关四个计时装置的74LS160清零端相连，而清零装置与计数装置的两片74LS160芯片的清零端相连。手动复位电路如图15所示。计时器清零电路如图16所示。

图15 计时器清零电路

图16 计数器清零电路

五、总体设计电路图

1 EDA仿真实验

本电路的工作过程如下：

由555定时器组成一个多谐振荡器，产生周期为1Hz的脉冲，，秒脉冲传给秒个位计数器的CP脉冲输入端，从而4位显示计数开始工作。

4位显示计数的秒个位、分个位都是十进制计数器（显示0~9），秒十位、分十位都是6进制计数器（显示0~5），总共使用4片74LS160实现。

当秒个位计数器显示9，秒十位计数器显示5的时候给分个位计数器一个脉冲信号使其进位，同时给报警电路一个脉冲信号，使起报警1秒钟。

同时当通话时长超过3分钟时，信号传输到由两片74LS160组成的计数器，计数一次。最大计数为99.

当按下清零开关时，所有显示计数器得到一个低电平，计数器清零。

当按下复位开关时的时候，给所有显示计数器清零端一个有效低电频，使其清零。仿真结果图如图17所示。

图17 总体电路

经仿真测试其结果均可以实现。设计成功。

2 硬件实验

在硬件实验时，依据电路图，在数字电路实验箱上连线，检查无误后接通电源，由于实验箱的限制故简单采用1HZ的脉冲做计数器的时钟，实验取得了很好的预期效果，达到了实验要求。

六、心得体会

通过这次简易公用电话计时器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于公用电话的原理与设计理念。在此次设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法.这次课程设计使我深刻认识到自己在课本知识与实际应用之间存在的不足，意识到平时自己在理论与实践相结合方面下的功夫太少，根本不能适应本专业的要求与将来社会的需求。在实验的硬件实现过程中，理论的电路实现结果与真实的结果往往存在差别，由于实验器件的限制，实际操作连接的电路与理论的也存在差别。在各个仿真过程中，并不是一次性就可以出现结果。需要找出不能进行仿真的原因，一次次对电路进行修改。由于存在器件的限制，有个别器件必须要以其他一个或几个器件代替。本次课程设计，使我深刻认识到在以后的学习生活中要注意理论与实际相结合，在学习理论知识方面要力求精益求精。