手機(jī)通話計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)

PAGE20沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)（說明書）手機(jī)通話計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)班級(jí)/學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱電子技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì)院（系）自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)姓名課程設(shè)計(jì)題目手機(jī)通話計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)時(shí)間:年12月19日至年1月1日課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說明與技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)用來記錄手機(jī)通話時(shí)間的電路，技術(shù)指標(biāo)如下：①記錄時(shí)間以分鐘為單位，最大到99分鐘；②計(jì)時(shí)采取向上進(jìn)位原則，即每次計(jì)時(shí)不到整分的時(shí)間部分，按1分鐘計(jì)；③可以間斷計(jì)時(shí)，且計(jì)時(shí)能夠累加；④自己設(shè)計(jì)秒計(jì)數(shù)器；⑤計(jì)時(shí)結(jié)果用四位數(shù)碼管顯示。二、設(shè)計(jì)要求1．在選擇器件時(shí)，應(yīng)考慮成本。2．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，通過分析計(jì)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(shí)驗(yàn)要求1．根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用軟件仿真。2．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1.童詩(shī)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(jì)與綜合實(shí)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(jì)與實(shí)踐．[M]北京：國(guó)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(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)．[M]北京：機(jī)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(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)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(jì)報(bào)告指導(dǎo)教師年月日負(fù)責(zé)教師年月日學(xué)生簽字年月日成績(jī)?cè)u(píng)定表評(píng)語(yǔ)、建議或需要說明的問題：指導(dǎo)教師簽字：日期：成績(jī)一、概述隨著科技的不斷進(jìn)步，手機(jī)對(duì)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(shí)間將直接影響眾多手機(jī)用戶的切身利益，這時(shí)就涉及到計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)。本次課題便是基于手機(jī)通話計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)。其實(shí)現(xiàn)的功能是：用數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)通話時(shí)間，最長(zhǎng)通話時(shí)間99分鐘，當(dāng)電話掛斷時(shí)，秒位沒記足60秒的按一分鐘記，即實(shí)現(xiàn)進(jìn)位功能，并且可以實(shí)現(xiàn)間斷和累加計(jì)時(shí)。二、方案論證設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)通話計(jì)時(shí)器，能夠顯示手機(jī)實(shí)時(shí)通話時(shí)間，并在通話時(shí)間不足60秒時(shí)實(shí)現(xiàn)分鐘進(jìn)位，四位數(shù)碼管分別顯示分位和秒位，最大計(jì)時(shí)99分鐘。方案一：該方案采用555定時(shí)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(jì)數(shù)器74ls160作為時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。同時(shí)添加適當(dāng)?shù)目刂崎T電路，利用計(jì)數(shù)器的同步預(yù)置數(shù)功能實(shí)現(xiàn)分位的進(jìn)位，最終由四位數(shù)碼管顯示通話時(shí)間。該電路設(shè)置三個(gè)控制開關(guān)，分別用來控制計(jì)數(shù)器的暫停，清零和掛斷，并且可以實(shí)現(xiàn)間斷和累加計(jì)時(shí)。原理框圖如圖1所示。秒計(jì)數(shù)器555時(shí)鐘電路直流穩(wěn)壓電源秒計(jì)數(shù)器555時(shí)鐘電路直流穩(wěn)壓電源進(jìn)位控制門電路分計(jì)數(shù)器進(jìn)位控制門電路分計(jì)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?，?gòu)成周期位1秒的脈沖信號(hào)，送給計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)端。選擇適宜的門電路，利用全加器加1或0，以及計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)，全加器的輸入端與分位計(jì)時(shí)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(jìn)位，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，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(shí)分位進(jìn)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(jì)數(shù)器控制門電路全加器計(jì)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(jì)采用的是方案一，555構(gòu)成多諧振蕩電路較容易實(shí)現(xiàn)且電路不復(fù)雜，常用的門電路用于進(jìn)位，省去了滯回比較器和全加器帶來的麻煩，且性價(jià)比較高。三、電路設(shè)計(jì)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(duì)7805的過流保護(hù)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(shí)鐘發(fā)生電路該電路由555定時(shí)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(shí)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(shí)，輸出上升為高電平，電容繼續(xù)充電，直到2/3Vcc時(shí)，輸出又降為低電平，電容向R3放電，放到1/3Vcc時(shí)，又開始充電，一直循環(huán)，就形成了脈沖。充電時(shí)間t1=（R2+R3）*C1ln2，放電時(shí)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(duì)計(jì)時(shí)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(jì)數(shù)及進(jìn)位電路經(jīng)分析可知，本課題需要設(shè)計(jì)兩個(gè)計(jì)數(shù)器電路，分別用于秒計(jì)數(shù)和分計(jì)數(shù)。秒計(jì)數(shù)器應(yīng)設(shè)計(jì)成60進(jìn)制，分計(jì)數(shù)器應(yīng)設(shè)計(jì)成100進(jìn)制。這里選用較常用的計(jì)數(shù)芯片74ls160，用四片計(jì)數(shù)，計(jì)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(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到59秒時(shí)，秒位計(jì)數(shù)芯片進(jìn)位輸出端ECO為高電平，將其連接到分位計(jì)數(shù)器的使能端EP/ET，使得當(dāng)下一脈沖到來時(shí)分位進(jìn)位，同時(shí)利用同步預(yù)置數(shù)將秒位清零。然而這樣還不能實(shí)現(xiàn)電話掛斷后分位進(jìn)位的功能，因此進(jìn)位電路還待改進(jìn)。本方案采用三個(gè)開關(guān)電路，分別實(shí)現(xiàn)暫停、清零和掛斷功能。其中，暫停和清零較為簡(jiǎn)單，只需用開關(guān)控制時(shí)鐘信號(hào)的輸入，便可中斷服務(wù)，將計(jì)數(shù)器異步清零端接地，便可實(shí)現(xiàn)清零功能。核心內(nèi)容還是如何實(shí)現(xiàn)分位的進(jìn)位，這便是第三個(gè)開關(guān)的作用了。這里依然采用置數(shù)法對(duì)秒位清零，進(jìn)位是由分計(jì)數(shù)器的使能端EP/ET決定的。由上面的分析可知，進(jìn)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(jì)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(shí)，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(dá)式為秒位的或運(yùn)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(gè)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(shí)，B不可能為1，因此A'B為無關(guān)項(xiàng)，即約束項(xiàng)，如SA'B，S'A'B均為無關(guān)項(xiàng)。在邏輯表達(dá)式中，可適當(dāng)添加無關(guān)項(xiàng)，以化簡(jiǎn)表達(dá)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(gè)輸入端的控制，即S、A、B。對(duì)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(jìn)位電平真值表SABEP/ETLD'00000001x0010100111010001101x011001111103）寫出邏輯表達(dá)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(xiàng)，因而有：E=S'A+SAB+SA'B+S'A'B=S'A+SAB+AB+A'B=((S'A)'*B')'所以，進(jìn)位電路如如圖8所示：圖8進(jìn)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(gè)數(shù)碼管顯示秒位，由0到59變化，另兩個(gè)顯示分鐘，由0到99之間變化，因此最大顯示時(shí)間為99分59秒。由于計(jì)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(shí)間，還需將計(jì)數(shù)器的四位二進(jìn)制輸出進(jìn)行譯碼，這里選用顯示譯碼器74ls47，其對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管應(yīng)為共陽(yáng)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(yáng)數(shù)碼管，并且給數(shù)碼管的公共端接入高電平，這時(shí)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(cè)試1.直流穩(wěn)壓電源的測(cè)試按圖10連接電路，對(duì)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行測(cè)試，由圖10中中電壓表讀數(shù)可測(cè)得輸出電壓為5.003V，用示波器測(cè)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(jì)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(shí)鐘電路測(cè)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(cè)量其輸出波形如圖12所示。圖12時(shí)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(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)要求。電路整體性能測(cè)試仿真測(cè)試按附錄I所示電路，在multism軟件中進(jìn)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(shí)由開關(guān)J3控制的時(shí)鐘信號(hào)正常接入計(jì)數(shù)器，且計(jì)數(shù)器處于使能狀態(tài)；由開關(guān)J2控制的清零信號(hào)被斷開，計(jì)數(shù)器的異步清零端處于高電平狀態(tài)；進(jìn)位控制開關(guān)J3斷開，計(jì)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(shí)，由于秒位未記足60秒，秒計(jì)數(shù)器置數(shù)端為低電平，分計(jì)數(shù)器使能端為高電平，且時(shí)鐘信號(hào)正常接入計(jì)數(shù)器，因此當(dāng)下一脈沖來臨時(shí)，分位產(chǎn)生進(jìn)位，同時(shí)秒位清零。圖14進(jìn)位狀態(tài)圖（b）實(shí)物測(cè)試：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行關(guān)鍵電路的硬件搭接測(cè)試。為簡(jiǎn)便起見，實(shí)物電路只用三位數(shù)碼管，分位只用一位顯示；同時(shí)，直流電源和脈沖由實(shí)驗(yàn)箱直接提供。1）如圖12所示，此時(shí)為清零狀態(tài)，清零開關(guān)J2閉合，秒位和分位同時(shí)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(shí)，電路正常工作，數(shù)碼管正常顯示當(dāng)前通話時(shí)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(shí)，由于秒位未記足60秒，此時(shí)分位進(jìn)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(cè)試看到，電路能夠正常工作，該電路完成了課程設(shè)計(jì)的全部要求，實(shí)現(xiàn)了如下的設(shè)計(jì)目的：①記錄時(shí)間以分鐘為單位，最大到99分鐘；②計(jì)時(shí)采取向上進(jìn)位原則，即每次計(jì)時(shí)不到整分的時(shí)間部分，按1分鐘計(jì)；③可以間斷計(jì)時(shí)，且計(jì)時(shí)能夠累加；六、性價(jià)比整個(gè)電路選用的都是一些常用的芯片，比如加法計(jì)數(shù)器74ls160，555定時(shí)器，平時(shí)做實(shí)驗(yàn)都用過，價(jià)格比較便宜，且在市場(chǎng)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(yàn)證，該電路合理性較強(qiáng)，且性價(jià)比較高。七、課設(shè)體會(huì)及合理化建議體會(huì)：經(jīng)過兩周時(shí)間，課設(shè)已然順利完成。與其他同學(xué)題目相比，我這個(gè)還算比較容易實(shí)現(xiàn)，只是用了一些基本的數(shù)電知識(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)間比較緊張，遲遲沒有動(dòng)手做硬件，直到第二周才開始。為簡(jiǎn)單起見，我只在試驗(yàn)箱上連了一下電路，而沒有焊成電路板。在連電路時(shí)，還是遇到了一些問題，實(shí)驗(yàn)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(cuò)，就可能導(dǎo)致后面都不對(duì)，檢查起來也不容易，這遠(yuǎn)沒有焊電路板來的優(yōu)越。由于對(duì)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(cuò)，后來逐步調(diào)試，經(jīng)仔細(xì)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(gè)安慰了。這也充分說明，科學(xué)是老老實(shí)實(shí)的學(xué)問，容不得半點(diǎn)虛假，在學(xué)術(shù)方面，一定要做到嚴(yán)謹(jǐn)，這也是對(duì)我們做學(xué)問的要求，對(duì)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(jì)以前做的不多，雖然之前也做過一些電子設(shè)計(jì)大賽，但我主要負(fù)責(zé)一些軟件調(diào)試，編寫程序算法，對(duì)硬件了解不是太多，這一點(diǎn)固然不是我所擅長(zhǎng)，所以動(dòng)手能力和其他同學(xué)相比確實(shí)是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在今后的學(xué)習(xí)中還需加強(qiáng)。通過本次課設(shè)，加強(qiáng)了對(duì)數(shù)電和模電知識(shí)的運(yùn)用，同時(shí)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(huì)到實(shí)踐的重要性，無論在平時(shí)學(xué)習(xí)，或是在工程實(shí)際中，理論知識(shí)固然重要，但要真正到實(shí)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(shí)物就顯得困難些了。這次課設(shè)是理論到實(shí)踐的一次跨越，同時(shí)又通過實(shí)際反作用與理論，讓我加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(lì)之下，我才順利完成了硬件的連接，并從中學(xué)到對(duì)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(qiáng)實(shí)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(dòng)手，去體會(huì)那一份屬于自己的成功。