手機通話計時器的設(shè)計

PAGE20沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計（說明書）手機通話計時器的設(shè)計班級/學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師

沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱電子技術(shù)綜合課程設(shè)計院（系）自動化學(xué)院專業(yè)測控技術(shù)與儀器班級學(xué)號姓名課程設(shè)計題目手機通話計時器的設(shè)計課程設(shè)計時間:年12月19日至年1月1日課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計說明與技術(shù)指標(biāo)設(shè)計一個用來記錄手機通話時間的電路，技術(shù)指標(biāo)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(shè)計秒計數(shù)器；⑤計時結(jié)果用四位數(shù)碼管顯示。二、設(shè)計要求1．在選擇器件時，應(yīng)考慮成本。2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實驗方案；驗證所設(shè)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(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2006年2.陳光明等主編．電子技術(shù)課程設(shè)計與綜合實訓(xùn)．[M]北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007年3.戴伏生主編．基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐．[M]北京：國防工業(yè)出版社，2002年4.譚博學(xué)主編．集成電路原理與應(yīng)用．[M]北京：電子工業(yè)出版社，2003年5.華滿清主編．電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計．[M]北京：機械工業(yè)出版社，2005年6.閻石主編．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)．[M]北京：高等教育出版社，2008年7.謝自美主編．電子線路設(shè)計·實驗·測試．[M]武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006年五、按照要求撰寫課程設(shè)計報告指導(dǎo)教師年月日負責(zé)教師年月日學(xué)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(dǎo)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(guān)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(shè)計。本次課題便是基于手機通話計時器的設(shè)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(dāng)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(shè)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(gòu)成的多諧振蕩器作為脈沖波形發(fā)生電路，將波形頻率設(shè)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(dāng)?shù)目刂崎T電路，利用計數(shù)器的同步預(yù)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(shè)置三個控制開關(guān)，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(gòu)成的矩形波發(fā)生電路，選取適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙葜担瑯?gòu)成周期位1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(yù)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(guān)控制分位的進位，當(dāng)開關(guān)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(dāng)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(shè)計采用的是方案一，555構(gòu)成多諧振蕩電路較容易實現(xiàn)且電路不復(fù)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(shè)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(yīng)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(gòu)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(shè)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(yīng)設(shè)計成60進制，分計數(shù)器應(yīng)設(shè)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(dāng)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(dāng)下一脈沖到來時分位進位，同時利用同步預(yù)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(guān)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(guān)控制時鐘信號的輸入，便可中斷服務(wù)，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(guān)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(guān)的控制，下面給出電路設(shè)計過程。1）邏輯抽象如圖6為開關(guān)電路圖6開關(guān)電路的原理圖當(dāng)開關(guān)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(zhuǎn)換表秒位狀態(tài)邏輯電平AB0001~58105911由表1可知，當(dāng)A為0時，B不可能為1，因此A'B為無關(guān)項，即約束項，如SA'B，S'A'B均為無關(guān)項。在邏輯表達式中，可適當(dāng)添加無關(guān)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(guān)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(yīng)的數(shù)碼管應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(jié)果詳述如下：1）如圖13所示，開關(guān)J3閉合，J1和J2斷開。此時由開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(dāng)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(shè)計要求，在實驗室進行關(guān)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(guān)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(guān)J3閉合，J1和J2斷開時，電路正常工作，數(shù)碼管正常顯示當(dāng)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(dāng)開關(guān)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(jié)論結(jié)論：經(jīng)測試看到，電路能夠正常工作，該電路完成了課程設(shè)計的全部要求，實現(xiàn)了如下的設(shè)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(shè)體會及合理化建議體會：經(jīng)過兩周時間，課設(shè)已然順利完成。與其他同學(xué)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(shè)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(dǎo)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(xué)是老老實實的學(xué)問，容不得半點虛假，在學(xué)術(shù)方面，一定要做到嚴(yán)謹(jǐn)，這也是對我們做學(xué)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(shè)計以前做的不多，雖然之前也做過一些電子設(shè)計大賽，但我主要負責(zé)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(xué)相比確實是還遠遠不夠的，在今后的學(xué)習(xí)中還需加強。通過本次課設(shè)，加強了對數(shù)電和模電知識的運用，同時也讓我學(xué)到了很多課本上學(xué)不到的東西，也包括從別的同學(xué)的課設(shè)題目中，體會到實踐的重要性，無論在平時學(xué)習(xí)，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(jié)果，然而轉(zhuǎn)到實物就顯得困難些了。這次課設(shè)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(xué)習(xí)更是有著莫大的作用。在此想感謝指導(dǎo)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(xué)到很多，在本次課設(shè)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(xué)到對自己有用的東西。合理化建議：在今后的課設(shè)環(huán)節(jié)中，因加強實踐操作，并多開設(shè)一些數(shù)電模電的相關(guān)課設(shè)，讓同學(xué)們通過動手，去體會那一份屬于自己的成功。