投币电话控制器

电子课程设计——投币电话控制器学院：电子信息工程学院专业：电气工程及其自动化姓名：班级：学号：指导老师：2010年12月日投币电话控制器一.设计任务与要求1.1前言：电话控制器的类型很多，有磁卡（如IC卡等）控制和投币电话控制器控制等，它们的工作原理却大同小异，都是用来控制通话系统的时间的。本课题主要设计对象是投币电话控制器，即一种运用数字电路技术实现电话收费的装置，与磁卡电话比较，其具有电路简单、控制灵活、制作和调试简单，且成本较低的优点。投币电话控制器应用计时、定时和控制等部分组成，其主要工作机理是投入一次通话硬币时，计时器开始计时，到规定的时间内发出警告，以提醒使用者。控制器主要是控制各部分单元电路，控制执行电路。这部分电路主要有时钟计数器来实现控制。所以说，时钟计数器是用电话控制器的主要部分。1.2设计要求用按键开关模拟投入通话硬币，即可接通电话，通话的时间为三分钟（180秒）。1.通话时间为三分钟（180秒），即每投入一次通话硬币即可通话一个计时单元；2.在通话开始时，以绿灯提示，在通话结束前20秒，以红灯提醒通话者注意时间，并开始用数字显示通话剩余时间，每通话一秒，数字自动减一；3.数字显示为零之前，如果不再投币，电话将自动切断，控制器停止工作；如果继续投币，通话仍可继续；4.系统所用电源自己设计。1.3设计指标1.画出电路原理图（或仿真电路图）；2.元器件及参数选择；3.编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸；4.总结并讨论，写出设计心得体会。二.总体框图2.1总体框图根据投币电话控制器的设计任务和要求，及其概述中介绍的电话控制器电路的基本组成可知，投币电话控制器是由秒脉冲发生器、二十进制加法计数器、控制电路、显示电路、减法器、组成，其电路框图如下图所示：2.2工作原理概述：当投有硬币时，秒脉冲发生器开始工作，输出秒脉冲信号。二十进制加法计数器在接收到秒脉冲信号时，开始计数，该电路可用两片片74LS160来实现。在通话时间为3分钟内，共180秒，分为九段，每段二十分钟，二十进制加法计数器每计到20秒时就输出一个信号，送到控制电路即十进制加法计数器，实现加1，控制电路在160秒通话期间，绿灯亮，表示一切正常；当超过160秒，红灯亮，并且开始计时。当脉冲切断，通话也随之切断，显示电路与减法器主要是为最后剩余时间进行倒计时与显示时间。三.选择器件3.174LS19074LS190是十进制同步加/减计数器，为可预置的十进制同步加/减计数器，190的预置是异步的。当置入控制端（LD）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（D0～D3）相一致的状态。190的计数是同步的，靠CP加在4个触发器上而实现。当计数控制端（CT）为低电平时，在CP上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（U/D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制（U/D）为高电平时进行减计数。只有在CP为高电平时CT和U/D才可以跳变190有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（RC）输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。利用RC端，可级联成N位同步脉冲锁存二十进制加法计数器十进制加法计数器显示器秒脉冲发生器二十进制减法计数器计数器。当采用并行CP控制时，则将RC接到后一级CT；当采用并行CT控制时，则将RC接到后一级CP。引出端符号CO/BO进位输出/错位输出端CP时钟输入端（上升沿有效），CT计数控制端（低电平有效）D0～D3并行数据输入端LD异步并行置入控制端（低电平有效），Q0～Q3输出端RC行波时钟输出端（低电平有效），U/D加/减计数方式控制端。逻辑符号如下：内部原理图为：3.274LS160逻辑符号如下：功能表如下：表374LS160的功能表CPRDLDEPET工作状态×××01111×0111××××01×011置零预置数保持保持（但C=0）计数3.3555定时器555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。内部原理图：多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。图1（b）所示为工作波形。555构成多谐振荡器：由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。=0.7（R1+R2）C，=0.7R2C其中，为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段:(1)暂稳态I(O~tl):电容C充电,充电回路为VDD→R1→R2→C→地,充电时间常数为为τ1=(R1+R2)C,电容C上的电压uc随时间t按指数规律上升,此阶段内输出电压uo稳定在高电平.(2)自动翻转I(t=tl):当电容上的电压uc上升到了VDD时,由于555定时器内S=0,R=1,使触发器状态Q由1变为0,由0变成1,输出电压uo由高电平跳变为低电平,电容C中止充电.(3)暂稳态Ⅱ(t1~t2):由于此刻==1,因此放电管V饱和导通,电容C放电,放电回路为C→R2→放电管V→地,放电时间常数τ2=R2C(忽略V管的饱和电阻),电容电压uc按指数规律下降,同时使输出维持在低电平上。(4)自动翻转Ⅱ(t=t2):当电容上的电压uc下降到了VDD时,由于555定时器内S=1,R=0,使触发器状态Q由0变为1,由1变成0,输出电压uo由低电平跳变到高电平,电容C中止放电.由于=0,放电管截止,电容C又开始充电,进入暂稳态I.以后,电路重复上述过程,电路没有稳态,只有两个暂稳态,它们交替变化,输出连续的矩形波脉冲信号。3.474LS03和74LS0474LS03为一个四输入与非门，逻辑符号如下：功能表如下：74LS04为六输入非门，逻辑符号如下：逻辑符号如下：功能表如下：3.5LM7805CT如上图为三端稳压集成电路lm7805。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78××系列和负电压输出的lm79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装。用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7805表示输出电压为正5V，lm7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。最大输出电流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。内部原理图：7805IC内部电路图.当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在lm78**、lm79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。lm78XX系列集成稳压器的典型应用电路图，是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采集成稳压器lm7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，lm7805应配上散热板。（注：在此设计中，如电阻，电容二极管等器件均无特别要求，按电路中所标参数选取即可实现功能。）四.功能模块4.1秒脉冲发生器如上图为由５５５定时器设计的秒脉冲发生器其脉冲周期为一秒，且由于有二极管与Ｒ２并联，使其充电时间和放电时间相等，从而使输出波形更标准，仿真结果如下页：其在电路中触发计数器的电路仿真如上：在数字实验箱上也得到了相同的结果，实现了预期的效果。4.2二十进制加法器如下图，为二十进制加法器其在脉冲出发下，可以从一加到二十并实现循环：仿真结果如下页图：数字实验箱上也得到了相同的结果，可以实现预期效果。4.3十进制加法计数器如图为十进制加法计数器，也是本设计的控制器，当加法器由0加到7时绿灯亮，而加到8时，输出为0100，由于红灯直接接Q3端高电平，故红灯亮，实现对电路的控制。仿真结果如下两图：在数字实验箱上也得到了相同的结果，均实现实验预期效果。4.4二十进制减法器如下图为二十进制减法器电路图及其仿真结果，其在脉冲出发下，当控制器显示8时，可以从20减到0，从而实现对通话最后二十秒，从而提醒通话者注意通话时间。仿真结果如下页图：数字实验箱上也得到了相同的结果，可以实现预期效果。4.5系统所用电源如上图为由220v交流电转化为5v直流电的电路图，结果如上图电压表示数，可以稳定在5.0v，能为系统提供所需的电压。五.总体设计电路如下页图：5.1总原理概述本设计将三分钟（180s）分为就段，每段二十秒。秒脉冲发生器给电路中的二十进制加法器，十进制加法器，二十进制减法器，提供脉冲。当投下硬币时即接通开关，二十进制加法器开始计数，同时由于绿灯接非门为高电平，绿灯亮。当二十进制加法器加到二十时，采集U3输出端QB的1信号，与秒脉冲信号相与，使十进制加法器加1.如此循环，当二十进制加法器加到第八个二十时，同时十进制加法器开始显示8，并且由于红灯接U3端QC此