投幣電話控制器

1、 電子課程設(shè)計 投幣電話控制器 學院：電子信息工程學院 專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名： 班級： 學號： 指導老師： 2010年12月 日投幣電話控制器1. 設(shè)計任務(wù)與要求1.1前言：電話控制器的類型很多，有磁卡（如IC卡等）控制和投幣電話控制器控制等，它們的工作原理卻大同小異，都是用來控制通話系統(tǒng)的時間的。本課題主要設(shè)計對象是投幣電話控制器，即一種運用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)電話收費的裝置，與磁卡電話比較，其具有電路簡單、控制靈活、制作和調(diào)試簡單，且成本較低的優(yōu)點。投幣電話控制器應(yīng)用計時、定時和控制等部分組成，其主要工作機理是投入一次通話硬幣時，計時器開始計時，到規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)出警告，以提醒使用者?？?/p>

2、制器主要是控制各部分單元電路，控制執(zhí)行電路。這部分電路主要有時鐘計數(shù)器來實現(xiàn)控制。所以說，時鐘計數(shù)器是用電話控制器的主要部分。1.2設(shè)計要求用按鍵開關(guān)模擬投入通話硬幣，即可接通電話，通話的時間為三分鐘（180秒）。1.通話時間為三分鐘（180秒），即每投入一次通話硬幣即可通話一個計時單元；2. 在通話開始時，以綠燈提示，在通話結(jié)束前20秒，以紅燈提醒通話者注意時間，并開始用數(shù)字顯示通話剩余時間，每通話一秒，數(shù)字自動減一；3. 數(shù)字顯示為零之前，如果不再投幣，電話將自動切斷，控制器停止工作；如果繼續(xù)投幣，通話仍可繼續(xù)；4.系統(tǒng)所用電源自己設(shè)計。1.3設(shè)計指標1. 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；

3、2. 元器件及參數(shù)選擇；3. 編寫設(shè)計報告 寫出設(shè)計的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙；4.總結(jié)并討論，寫出設(shè)計心得體會。二.總體框圖2.1總體框圖 根據(jù)投幣電話控制器的設(shè)計任務(wù)和要求，及其概述中介紹的電話控制器電路的基本組成可知，投幣電話控制器是由秒脈沖發(fā)生器、二十進制加法計數(shù)器、控制電路、顯示電路、減法器、組成，其電路框圖如下圖所示：二十進制加法計數(shù)器脈沖鎖存十進制加法計數(shù)器顯示器秒脈沖發(fā)生器二十進制減法計數(shù)器2.2工作原理概述：當投有硬幣時，秒脈沖發(fā)生器開始工作，輸出秒脈沖信號。二十進制加法計數(shù)器在接收到秒脈沖信號時，開始計數(shù)，該電路可用兩片片74LS160來實現(xiàn)。在通話時間為3分鐘內(nèi)，共18

4、0秒，分為九段，每段二十分鐘，二十進制加法計數(shù)器每計到20秒時就輸出一個信號，送到控制電路即十進制加法計數(shù)器，實現(xiàn)加1，控制電路在160秒通話期間，綠燈亮，表示一切正常；當超過160秒，紅燈亮，并且開始計時。當脈沖切斷，通話也隨之切斷，顯示電路與減法器主要是為最后剩余時間進行倒計時與顯示時間。3. 選擇器件3.1 74LS190 74LS190是十進制同步加/減計數(shù)器， 為可預置的十進制同步加/ 減計數(shù)器，190 的預置是異步的。當置入控制端（ LD ）為低電平時，不管時鐘CP 的狀態(tài)如何，輸出端（Q0Q3）即可預置成與數(shù)據(jù)輸入端（D0D3）相一致的狀態(tài)。190 的計數(shù)是同步的，靠CP 加在4

5、 個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。當計數(shù)控制端（CT ）為低電平時，在CP 上升沿作用下Q0Q3同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當計數(shù)方式控制（U /D）為低電平時進行加計數(shù)，當計數(shù)方式控制（U /D）為高電平時進行減計數(shù)。只有在CP 為高電平時CT 和U /D 才可以跳變190 有超前進位功能。當計數(shù)溢出時，進位/錯位輸出端（CO/BO）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CP 脈沖周期的高電平脈沖；行波時鐘輸出端（ RC ）輸出一個寬度等于CP 低電平部分的低電平脈沖。利用 RC 端，可級聯(lián)成N 位同步計數(shù)器。當采用并行CP控制時，則將RC 接到后一級CT ；當采用并行CT 控制時，則將RC 接

6、到后一級CP。引出端符號CO/BO 進位輸出/錯位輸出端CP 時鐘輸入端（上升沿有效），CT 計數(shù)控制端（低電平有效）D0D3 并行數(shù)據(jù)輸入端LD 異步并行置入控制端（低電平有效），Q0Q3 輸出端RC 行波時鐘輸出端（低電平有效），U /D 加/減計數(shù)方式控制端。邏輯符號如下：內(nèi)部原理圖為：3.2 74LS160 邏輯符號如下：功能表如下：表3 74LS160的功能表DEP ET工作狀態(tài)×××01111×0111× ×× ×0 1× 01 1置零預置數(shù)保持保持（但C=0）計數(shù)3.3 555定時器555定

7、時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555， 555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、

8、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3。 內(nèi)部原理圖：多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故 稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之 間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平

9、觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電，使 電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當uc上升到（2/3）Vcc時，輸出uo為低電平，放電管VT導通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān) 。充電時間常數(shù)T充=（R1R2）C。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個暫

10、穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。圖1（b）所示為工作波形。555構(gòu)成多諧振蕩器 ：由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以及C通過R2向放電端放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在和之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波。 =0.7（R1+R2）C，=0.7R2C其中，為VC由上升到所需的時間，為電容C放電所需的時間。555電路要求R1與R2均應(yīng)不小于1K，但兩者之和應(yīng)不大于3.3M。外部元件

11、的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因此，這種形式的多諧振蕩器應(yīng)用很廣。一般多諧振蕩器的工作過程可分為以下四個階段:(1) 暫穩(wěn)態(tài) I(Otl): 電容 C 充電 , 充電回路為 VDD R1 R2 C 地 , 充電時間常數(shù)為 為1=(R1+R2)C, 電容 C 上的電壓 uc 隨時間 t 按指數(shù)規(guī)律上升 , 此階段內(nèi)輸出電壓 uo 穩(wěn)定在高電平. (2) 自動翻轉(zhuǎn) I(t=tl): 當電容上的電壓 uc 上升到了 VDD 時 , 由于 555 定時器內(nèi) S=0,R=1, 使觸發(fā)器狀態(tài)Q由 1 變?yōu)?0, 由0變成 1

12、, 輸出電壓 uo由高電平跳變?yōu)榈碗娖?, 電容 C 中止充電.(3) 暫穩(wěn)態(tài) (t1t2): 由于此刻=1, 因此放電管 V 飽和導通 , 電容 C 放電 , 放電回路為 C R2 放電管 V 地 , 放電時間常數(shù)2=R2C( 忽略 V 管的飽和電阻 ), 電容電壓 uc 按指數(shù)規(guī)律下降 , 同時使輸出維持在低電平上。(4) 自動翻轉(zhuǎn)(t=t2): 當電容上的電壓 uc下降到了 VDD 時 , 由于 555 定時器內(nèi) S=1,R=0, 使觸發(fā)器狀態(tài)Q由0 變?yōu)?1, 由1變成0, 輸出電壓uo由低電平跳變到高電平 , 電容 C 中止放電.由于=0, 放電管截止 , 電容 C 又開始充電 ,

13、進入暫穩(wěn)態(tài) I.以后 , 電路重復上述過程 , 電路沒有穩(wěn)態(tài) , 只有兩個暫穩(wěn)態(tài) , 它們交替變化 , 輸出連續(xù)的矩形波脈沖信號。3.4 74LS03和74LS0474LS03為一個四輸入與非門，邏輯符號如下：功能表如下：74LS04為六輸入非門，邏輯符號如下：邏輯符號如下：功能表如下：3.5 LM7805CT 如上圖為三端穩(wěn)壓集成電路lm7805。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 ×× 系列和負電壓輸出的lm79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通

14、的三極管，TO- 220 的標準封裝。用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7805表示輸出電壓為正5V，lm7909表示輸出電壓為負9V。 因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 最大輸出電流1.5A，LM78XX系列輸出電壓分別為5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。內(nèi)部原理圖： 7805IC內(nèi)部電路圖. 當制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)

15、壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。 在lm78 * 、lm79 * 系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是TO-220 和TO-202 兩種封裝。lm78XX系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路圖，是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采集成穩(wěn)壓器lm7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。當輸出電流較大時，lm7805應(yīng)配上散熱板。 （注：在此設(shè)計中，如電阻，電容二極管

16、等器件均無特別要求，按電路中所標參數(shù)選取即可實現(xiàn)功能。）四.功能模塊4.1 秒脈沖發(fā)生器 如上圖為由定時器設(shè)計的秒脈沖發(fā)生器其脈沖周期為一秒，且由于有二極管與并聯(lián)，使其充電時間和放電時間相等，從而使輸出波形更標準，仿真結(jié)果如下頁：其在電路中觸發(fā)計數(shù)器的電路仿真如上：在數(shù)字實驗箱上也得到了相同的結(jié)果，實現(xiàn)了預期的效果。4.2 二十進制加法器如下圖，為二十進制加法器其在脈沖出發(fā)下，可以從一加到二十并實現(xiàn)循環(huán)：仿真結(jié)果如下頁圖：數(shù)字實驗箱上也得到了相同的結(jié)果，可以實現(xiàn)預期效果。4.3十進制加法計數(shù)器 如圖為十進制加法計數(shù)器，也是本設(shè)計的控制器，當加法器由0加到7時綠燈亮，而加到8時，輸出為0100，

17、由于紅燈直接接Q3端高電平，故紅燈亮，實現(xiàn)對電路的控制。仿真結(jié)果如下兩圖：在數(shù)字實驗箱上也得到了相同的結(jié)果，均實現(xiàn)實驗預期效果。4.4二十進制減法器 如下圖為二十進制減法器電路圖及其仿真結(jié)果，其在脈沖出發(fā)下，當控制器顯示8時，可以從20減到0，從而實現(xiàn)對通話最后二十秒，從而提醒通話者注意通話時間。仿真結(jié)果如下頁圖：數(shù)字實驗箱上也得到了相同的結(jié)果，可以實現(xiàn)預期效果。4.5 系統(tǒng)所用電源如上圖為由220v交流電轉(zhuǎn)化為5v直流電的電路圖，結(jié)果如上圖電壓表示數(shù)，可以穩(wěn)定在5.0v，能為系統(tǒng)提供所需的電壓。5. 總體設(shè)計電路如下頁圖：5.1總原理概述 本設(shè)計將三分鐘（180s）分為就段，每段二十秒。秒脈

18、沖發(fā)生器給電路中的二十進制加法器，十進制加法器，二十進制減法器，提供脈沖。當投下硬幣時即接通開關(guān)，二十進制加法器開始計數(shù)，同時由于綠燈接非門為高電平，綠燈亮。當二十進制加法器加到二十時，采集U3輸出端QB的1信號，與秒脈沖信號相與，使十進制加法器加1.如此循環(huán)，當二十進制加法器加到第八個二十時，同時十進制加法器開始顯示8，并且由于紅燈接U3端QC此時為1信號，紅燈開始顯示，而綠燈變?yōu)榈碗娖?，同時熄滅。而二十進制減法器采集紅燈的高電平信號與秒脈沖信號相與使其開始進行減法運算，由于二十進制減法器初始置數(shù)為二十，因此開始倒計時，顯示通話剩余時間。當二十進制減法器減為零時，采集信號，給秒脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖截止信號。若在減為零之前繼續(xù)投幣，則可從新開始實現(xiàn)周期循環(huán)。5.2 仿真結(jié)果如上原理圖為開始仿真，開始計時并且綠燈亮。下圖為最后二十秒紅燈亮并倒計通話剩余時間，并且為零時自動停止，實現(xiàn)預期效果。 在數(shù)字實驗箱上連接電路，并實驗，也得到了相同的結(jié)果，實現(xiàn)實驗預期效果，電路設(shè)計成功。6. 實習心得通過對電話投幣控制器的設(shè)計，使我了解到由秒脈沖發(fā)生器、二十進制加法計數(shù)器、十進制加法計數(shù)器，、二十進制減法器、顯示電路，電源等各種實用電路的設(shè)計和操作，這種電路不僅電路簡單實用，而且易于