手機通話計時器的設計

PAGE20沈陽航空航天大學課程設計（說明書）手機通話計時器的設計班級/學號學生姓名指導教師

沈陽航空航天大學課程設計任務書課程名稱電子技術綜合課程設計院（系）自動化學院專業(yè)測控技術與儀器班級學號姓名課程設計題目手機通話計時器的設計課程設計時間:年12月19日至年1月1日課程設計的內(nèi)容及要求：一、設計說明與技術指標設計一個用來記錄手機通話時間的電路，技術指標如下：①記錄時間以分鐘為單位，最大到99分鐘；②計時采取向上進位原則，即每次計時不到整分的時間部分，按1分鐘計；③可以間斷計時，且計時能夠累加；④自己設計秒計數(shù)器；⑤計時結果用四位數(shù)碼管顯示。二、設計要求1．在選擇器件時，應考慮成本。2．根據(jù)技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3．畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1．根據(jù)技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用軟件仿真。2．進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1.童詩白，華成英主編．模擬電子技術基礎．[M]北京：高等教育出版社，2006年2.陳光明等主編．電子技術課程設計與綜合實訓．[M]北京：北京航空航天大學出版社，2007年3.戴伏生主編．基礎電子電路設計與實踐．[M]北京：國防工業(yè)出版社，2002年4.譚博學主編．集成電路原理與應用．[M]北京：電子工業(yè)出版社，2003年5.華滿清主編．電子技術實驗與課程設計．[M]北京：機械工業(yè)出版社，2005年6.閻石主編．數(shù)字電子技術基礎．[M]北京：高等教育出版社，2008年7.謝自美主編．電子線路設計·實驗·測試．[M]武漢：華中科技大學出版社，2006年五、按照要求撰寫課程設計報告指導教師年月日負責教師年月日學生簽字年月日成績評定表評語、建議或需要說明的問題：指導教師簽字：日期：成績一、概述隨著科技的不斷進步，手機對大家來說已不再陌生，然而，人們所關心的問題無非是通話問題，其中，通話時間將直接影響眾多手機用戶的切身利益，這時就涉及到計時器的設計。本次課題便是基于手機通話計時器的設計。其實現(xiàn)的功能是：用數(shù)碼管顯示實時通話時間，最長通話時間99分鐘，當電話掛斷時，秒位沒記足60秒的按一分鐘記，即實現(xiàn)進位功能，并且可以實現(xiàn)間斷和累加計時。二、方案論證設計一個手機通話計時器，能夠顯示手機實時通話時間，并在通話時間不足60秒時實現(xiàn)分鐘進位，四位數(shù)碼管分別顯示分位和秒位，最大計時99分鐘。方案一：該方案采用555定時器構成的多諧振蕩器作為脈沖波形發(fā)生電路，將波形頻率設置為1HZ，提供給計數(shù)器74ls160作為時鐘信號，實現(xiàn)計數(shù)功能。同時添加適當?shù)目刂崎T電路，利用計數(shù)器的同步預置數(shù)功能實現(xiàn)分位的進位，最終由四位數(shù)碼管顯示通話時間。該電路設置三個控制開關，分別用來控制計數(shù)器的暫停，清零和掛斷，并且可以實現(xiàn)間斷和累加計時。原理框圖如圖1所示。秒計數(shù)器555時鐘電路直流穩(wěn)壓電源秒計數(shù)器555時鐘電路直流穩(wěn)壓電源進位控制門電路分計數(shù)器進位控制門電路分計數(shù)器數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示圖1方案一電路的原理框圖方案二：本方案采用滯回比較器構成的矩形波發(fā)生電路，選取適當?shù)碾娮韬碗娙葜担瑯嫵芍芷谖?秒的脈沖信號，送給計數(shù)器的時鐘信號端。選擇適宜的門電路，利用全加器加1或0，以及計數(shù)器預置數(shù)，全加器的輸入端與分位計時器的輸出端相連，輸出端連接分位的輸入端，用開關控制分位的進位，當開關按下時，通過判別秒位狀態(tài)來決定全加器加1或0，使得當電話掛斷時分位進位，秒位清零。原理框圖如圖2所示矩形波電路直流穩(wěn)壓電路矩形波電路直流穩(wěn)壓電路控制門電路全加器計數(shù)器控制門電路全加器計數(shù)器數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示圖2方案二電路的原理框圖本設計采用的是方案一，555構成多諧振蕩電路較容易實現(xiàn)且電路不復雜，常用的門電路用于進位，省去了滯回比較器和全加器帶來的麻煩，且性價比較高。三、電路設計1.直流穩(wěn)壓電源電路其方框圖及原理圖如圖3和圖4所示。 穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路電源變壓器~220V50HZ穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路電源變壓器~220V50HZ圖3電源電路的原理框圖電源采用220V交流電經(jīng)變壓器降壓，利用全波整流、電容濾波電路以及穩(wěn)壓芯片7805，將電源電壓穩(wěn)定在5V，如圖4所示。圖中二極管D2是對7805的過流保護作用，濾波電容C3應選用電解電容，其值較大，起充放電作用，電阻R5用于電容的放電。圖4電源電路的原理圖時鐘發(fā)生電路該電路由555定時器構成，利用電容C1的充放電，形成矩形脈沖，電路原理圖如圖5所示。圖5時鐘電路的原理圖電路原理：開啟電源后輸出為低電平，電容C1通過R3和R4開始充電，充到1/3Vcc時，輸出上升為高電平，電容繼續(xù)充電，直到2/3Vcc時，輸出又降為低電平，電容向R3放電，放到1/3Vcc時，又開始充電，一直循環(huán)，就形成了脈沖。充電時間t1=（R2+R3）*C1ln2，放電時間t2=R4*C1ln2，波形周期T=t1+t2=(R3+2R4)C1ln2，占空比q=（R3+R4）/(R3+2R4)。,要使周期T為1秒，選取電容C1=10uF，R3=R4，根據(jù)公式T=(R3+2R4)C1ln2，則有R3=R4=48k。由于脈沖的占空比對計時器影響不大，因此這里只輸出矩形波，且48k電阻不存在，因而選用47.5k電阻即可。計數(shù)及進位電路經(jīng)分析可知，本課題需要設計兩個計數(shù)器電路，分別用于秒計數(shù)和分計數(shù)。秒計數(shù)器應設計成60進制，分計數(shù)器應設計成100進制。這里選用較常用的計數(shù)芯片74ls160，用四片計數(shù)，計數(shù)器之間用常規(guī)門電路連接起來，秒位由0到59之間計數(shù)，當計到59秒時，秒位計數(shù)芯片進位輸出端ECO為高電平，將其連接到分位計數(shù)器的使能端EP/ET，使得當下一脈沖到來時分位進位，同時利用同步預置數(shù)將秒位清零。然而這樣還不能實現(xiàn)電話掛斷后分位進位的功能，因此進位電路還待改進。本方案采用三個開關電路，分別實現(xiàn)暫停、清零和掛斷功能。其中，暫停和清零較為簡單，只需用開關控制時鐘信號的輸入，便可中斷服務，將計數(shù)器異步清零端接地，便可實現(xiàn)清零功能。核心內(nèi)容還是如何實現(xiàn)分位的進位，這便是第三個開關的作用了。這里依然采用置數(shù)法對秒位清零，進位是由分計數(shù)器的使能端EP/ET決定的。由上面的分析可知，進位、置數(shù)與否要受秒位和開關的控制，下面給出電路設計過程。1）邏輯抽象如圖6為開關電路圖6開關電路的原理圖當開關閉合時，S為低電平0，表示電話掛斷；斷開為高電平1，表示正常工作；記A和B為秒位狀態(tài)，其中，A用來判斷秒位是否為0，其邏輯表達式為秒位的或運算，B用來判斷秒位是否為59，即：A=Q00+Q01+Q02+Q03+Q10+Q11+Q12+Q13=((Q00+Q01)')'+((Q02+Q03)')'+((Q10+Q11)')'+((Q12+Q13)')'=((Q00+Q01)'*(Q02+Q03)'*(Q10+Q11)'*(Q12+Q13)')'B'=(Q00*Q03*Q10*Q12)'（Q00，Q01，Q02，Q03，Q10，Q11，Q12，Q13為74160秒位輸出端的八個引腳）于是，秒位狀態(tài)判別電路如圖7所示：圖7秒位狀態(tài)判別電路原理圖它們的邏輯電平如表1所示：表1秒位狀態(tài)邏輯電平轉換表秒位狀態(tài)邏輯電平AB0001~58105911由表1可知，當A為0時，B不可能為1，因此A'B為無關項，即約束項，如SA'B，S'A'B均為無關項。在邏輯表達式中，可適當添加無關項，以化簡表達式。2）列真值表用EP/ET表示分位的使能端，高電平有效。用LD'表示秒位的清零端，低電平有效。EP/ET和LD'受三個輸入端的控制，即S、A、B。對照他們各自表示的物理意義，可列出真值表，如表2所示：表2進位電平真值表SABEP/ETLD'00000001x0010100111010001101x011001111103）寫出邏輯表達式a)E=S'AB'+S'AB+SABb)LD'=SAB'+SA'B'=S'A+SAB=SB'注意到SA'B，S'A'B均為無關項，因而有：E=S'A+SAB+SA'B+S'A'B=S'A+SAB+AB+A'B=((S'A)'*B')'所以，進位電路如如圖8所示：圖8進位電路原理圖數(shù)碼管顯示電路顯示部分采用四位數(shù)碼管，兩個數(shù)碼管顯示秒位，由0到59變化，另兩個顯示分鐘，由0到99之間變化，因此最大顯示時間為99分59秒。由于計數(shù)器74ls160輸出只有四位，而一般數(shù)碼管是由七段led組成，因此，要使數(shù)碼管正確顯示時間，還需將計數(shù)器的四位二進制輸出進行譯碼，這里選用顯示譯碼器74ls47，其對應的數(shù)碼管應為共陽極。如圖9所示，將74ls160的四位輸出端分別接入譯碼器的四輸入端，且譯碼器使能端應接入高電平，輸出端便可直接連共陽數(shù)碼管，并且給數(shù)碼管的公共端接入高電平，這時從圖9中可以看到，顯示部分能正常工作。圖9數(shù)碼管顯示原理圖四、性能的測試1.直流穩(wěn)壓電源的測試按圖10連接電路，對直流穩(wěn)壓電源進行測試，由圖10中中電壓表讀數(shù)可測得輸出電壓為5.003V，用示波器測量變壓器輸出端及最后輸出波形，如圖11所示，可知最終輸出為穩(wěn)定的直流電壓，滿足設計要求。圖10穩(wěn)壓電路輸出電壓值圖11電源變壓器（下）及穩(wěn)壓電路（上）輸出波形2時鐘電路測試按圖5所示的電路，在電容C1及脈沖輸出端連接示波器，測量其輸出波形如圖12所示。圖12時鐘電路的輸出（上）及電容充放電（下）波形圖由圖12中波形可以看到，脈沖周期大概在1.01秒，誤差為1%，基本符合時鐘電路的設計要求。電路整體性能測試仿真測試按附錄I所示電路，在multism軟件中進行仿真，左邊數(shù)碼管為分位，右邊為秒位。結果詳述如下：1）如圖13所示，開關J3閉合，J1和J2斷開。此時由開關J3控制的時鐘信號正常接入計數(shù)器，且計數(shù)器處于使能狀態(tài)；由開關J2控制的清零信號被斷開，計數(shù)器的異步清零端處于高電平狀態(tài)；進位控制開關J3斷開，計數(shù)器的同步置數(shù)端為高電平。因此電路正常工作。圖13整體電路的正常工作狀態(tài)圖2），如圖14所示，開關J3和J1閉合，J2斷開時，由于秒位未記足60秒，秒計數(shù)器置數(shù)端為低電平，分計數(shù)器使能端為高電平，且時鐘信號正常接入計數(shù)器，因此當下一脈沖來臨時，分位產(chǎn)生進位，同時秒位清零。圖14進位狀態(tài)圖（b）實物測試：根據(jù)設計要求，在實驗室進行關鍵電路的硬件搭接測試。為簡便起見，實物電路只用三位數(shù)碼管，分位只用一位顯示；同時，直流電源和脈沖由實驗箱直接提供。1）如圖12所示，此時為清零狀態(tài)，清零開關J2閉合，秒位和分位同時清零。圖15整體電路的清零狀態(tài)圖2）如圖16所示，開關J3閉合，J1和J2斷開時，電路正常工作，數(shù)碼管正常顯示當前通話時間。圖16整體電路的正常狀態(tài)圖3）如圖17所示，當開關J3和J1閉合，J2斷開時，由于秒位未記足60秒，此時分位進位，秒位清零。圖17整體電路的掛斷狀態(tài)圖結論結論：經(jīng)測試看到，電路能夠正常工作，該電路完成了課程設計的全部要求，實現(xiàn)了如下的設計目的：①記錄時間以分鐘為單位，最大到99分鐘；②計時采取向上進位原則，即每次計時不到整分的時間部分，按1分鐘計；③可以間斷計時，且計時能夠累加；六、性價比整個電路選用的都是一些常用的芯片，比如加法計數(shù)器74ls160，555定時器，平時做實驗都用過，價格比較便宜，且在市場上也很容易買到。還有一些門電路，如與非門，非門，都比較常規(guī)。經(jīng)驗證，該電路合理性較強，且性價比較高。七、課設體會及合理化建議體會：經(jīng)過兩周時間，課設已然順利完成。與其他同學題目相比，我這個還算比較容易實現(xiàn)，只是用了一些基本的數(shù)電知識，設計起來不難。開始拿到題目，在一兩天之內(nèi)完成了仿真，但由于期末時間比較緊張，遲遲沒有動手做硬件，直到第二周才開始。為簡單起見，我只在試驗箱上連了一下電路，而沒有焊成電路板。在連電路時，還是遇到了一些問題，實驗箱上連線較多，毫無層次感，接上之后線路令人眼花繚亂，一步出錯，就可能導致后面都不對，檢查起來也不容易，這遠沒有焊電路板來的優(yōu)越。由于對一些芯片的引腳排列不熟悉，比如或非門74ls02，輸入和輸出接反，接上之后，數(shù)碼管就顯示出錯，后來逐步調(diào)試，經(jīng)仔細檢查才發(fā)現(xiàn)問題所在，不過最終還是連接成功了，總算有個安慰了。這也充分說明，科學是老老實實的學問，容不得半點虛假，在學術方面，一定要做到嚴謹，這也是對我們做學問的要求，對我們專業(yè)素養(yǎng)的形成起著潛移默化的作用。硬件電路的設計以前做的不多，雖然之前也做過一些電子設計大賽，但我主要負責一些軟件調(diào)試，編寫程序算法，對硬件了解不是太多，這一點固然不是我所擅長，所以動手能力和其他同學相比確實是還遠遠不夠的，在今后的學習中還需加強。通過本次課設，加強了對數(shù)電和模電知識的運用，同時也讓我學到了很多課本上學不到的東西，也包括從別的同學的課設題目中，體會到實踐的重要性，無論在平時學習，或是在工程實際中，理論知識固然重要，但要真正到實際中，卻又不是那么容易了，在仿真過程中，經(jīng)調(diào)試容易能得到理想結果，然而轉到實物就顯得困難些了。這次課設是理論到實踐的一次跨越，同時又通過實際反作用與理論，讓我加深了對理論知識的理解，對今后的學習更是有著莫大的作用。在此想感謝指導老師胡老師，無論是授課環(huán)節(jié)還是實驗過程，我都從老師身上學到很多，在本次課設中，也是在老師的幫助和鼓勵之下，我才順利完成了硬件的連接，并從中學到對自己有用的東西。合理化建議：在今后的課設環(huán)節(jié)中，因加強實踐操作，并多開設一些數(shù)電模電的相關課設，讓同學們通過動手，去體會那一份屬于自己的成功。