电力电子课程设计--投币电话控制器.docx
《电力电子课程设计--投币电话控制器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子课程设计--投币电话控制器.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
上海电力学院
课题名称投币电话控制器
课题代码216
院（系）
专业
班级
学号及姓名
时间
指导教师签名：
教研室主任（系主任）签名：
目录
一、设计任务分析……………………………………………………………………….3
1.设计目的……………………………...............….……3
2.设计内容、要求及方案……………………………3
二、总体电路设计……………………………………………………………………….4
1.总电路仿真图…………………………………….……4
2.各部分电路原理和设计说明………………….5
三、个人设计部分……………………………………………………………………….11
1.数码管的显示………………………………………..11
2.开关控制电路的实现……………………………13
四、实验小结………………………………………………………………………………16
1.注意事项……………………………………………….17
2.实验心得及体会…………………………………..17
五、实物图………………………………………………………………………………….18
六、参考文献………………………………………………………………………………20
七、致谢………………………………………………………………………………………20
一、设计任务分析
1.设计目的
1）了解并掌握电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。
2）通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；进一步掌握电子仪器的正确使用方法。
3）学会使用EDA软件Multisim对电子电路进行仿真设计。
4）初步掌握普通电子电路的安装、布线、调试等基本技能。
5）提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写课程设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
2.设计内容、要求及设计方案
1）任务
设计并制作1个投币电话控制器。
2）基本要求
①通话时间规定为3min，即每投入一次通话硬币可通话一个计时单元（3min）。
②在通话开始时，以绿灯提示。
通话结束前20s，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1s，数字自动减1。
③数字显示为零之前，如不再投币，电话将自动切断，控制器停止工作；如继续投币，通话仍可继续。
3）设计方案
当投有硬币时，秒脉冲发生器开始工作，输出秒脉冲信号。
计数器在接收到秒脉冲信号时，设置通话时间为3分钟，并开始计数，共180秒。
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，控制电路使得红灯亮，并且开始显示通话剩余时间，每通话1s，数字自动减1。
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。
数字显示为零之前，如不再投币，电话将自动切断，控制器停止工作；如继续投币，重复此前的工作过程。
4）主要元器件
包括：
计数器74192（3个），四2输入与门7408（3个），四2输入或门7432（1个），双4输入或门4072（1个），六反相器7404（1个），R3240R6C（红1个），R3240G6C（绿1个），开关元件（1个），定时器555（1个），电阻和电容若干
二、总体电路设计
1.总电路仿真图
1）投币后前160秒运行截图如图1所示
运行状态：
绿灯亮，开始三分钟计时
图1总电路仿真图（a）
2）投币后最后二十秒倒计时运行截图如图2所示
运行状态：
红灯亮，数码管显示20秒倒计时
图2总电路仿真图（b）
2.各部分电路原理和设计说明
1）秒脉冲发生电路
①原理
秒脉冲发生电路是由555定时器和一些电阻和电容原件组成的多谐振荡器来实现的。
多谐振荡器是一种在接通电源后，就能产生一定频率和一定幅值矩形波的自激振荡器，常作为脉冲信号源。
我们用555定时器构成一个周期为1s的多谐振荡器来实现投币电话控制器的计时功能。
其输出周期为的脉冲信号。
要得到周期为1s的脉冲信号,令C=10μF，R1=120kΩ，则R2=（10+1）kΩ。
其原理图如图3所示：
图3秒脉冲发生电路原理图
②555定时器简介
555定时器功能表：
555定时器引脚图如图4所示：
图4555定时器引脚图
555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图上所示。
其中6脚称阈值端（TH），是上比较器的输入；2脚称触发端（TR），是下比较器的输入；3脚是输出端（Vo），它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端（DIS），它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端（MR），加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端（Vc）,可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。
③工作过程
仿真部分截图如图5所示：
图5秒脉冲发生电路
接通电源瞬间t=0时，充电电流由VCC→R1→R2→C→地，电容两端电压VC随充电按指数上升，充电时间常数为τ1=R1+R2×C。
电容上电压上升正向阈值电压23VCC时，555定时器复位输出低电平，放电管导通，充电结束。
定时器输出为低电平时，放电管导通，电容放电。
放电电流由C→R2→T→地，电容两端电压随放电从正向阈值电压23VCC开始指数规律下降，放电时间常数τ2=R2×C。
电容上电压下降到反向阈值电压13VCC时，定时器输出高电平，放电管截至，放电结束。
电容放电结束，电路又开始新一轮的充放电。
充电从13VCC到23VCC结束，放电从23VCC到13VCC结束，周而复始，定时器输出周期方波信号。
2）计数器部分电路
①原理
由于通话时间设定为三分钟，我们用三片74192计数器完成180秒的计数，并利用74192的减计数功能实现最后20秒的倒计时。
②74192芯片简介
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。
CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。
PL为预置输入控制端，异步预置。
MR为复位输入端，高电平有效，异步清除。
CO为进位输出1001状态后负脉冲输出。
BO为借位输出0000状态后负脉冲输出。
其引脚图如图6所示：
图674192引脚图
74192功能表：
③工作过程
第一片74192，采用预置法，将其预置端输入1001状态，实现从9到0的十进制减计数，作为180秒计时的个位，其CP脉冲为555定时器输出的秒脉冲。
第二片74192，采用预置法，将其预置端输入0111状态，实现从7到0的八进制减计数，作为180秒计时的十位，其触发脉冲为上一片74192的BO输出信号。
第三片74192，采用预置法，将其预置端输入0001状态，实现从1到0的二进制减计数，作为180秒计时的百位，其触发脉冲为上一片74192的BO输出信号。
总体来说，我们将三个74LS192组合成一个初始值为179的减法器，由秒脉冲提供信号。
个位上的74LS192接收到由秒脉冲发生器发出的信号，开始计数，当个位上为递减到0时，BO向十位上的74LS192传递一个低电平，十位上的74LS192计数；当十位递减到0时向百位上的74LS192传递一个低电平，百位计数。
仿真电路图如图7所示：
图7计时电路部分仿真图
3）控制电路
此电路在180秒的前160秒通话期间，绿灯亮，表示一切正常，而当时间超过160秒的后20秒里，红灯亮。
即计数器在180-020的过程中，绿灯一直亮；当计数器在019-000的过程中为红灯。
当计数器在019-000时，百位上74LS192为0000，十位上74LS192为000X，故我们用百位和十位上的输出端的电位特性控制红灯和绿灯亮。
用四输入或门将百位74LS192的Q0与十位74LS192的Q3,Q2,Q1连接，输出端与绿灯用与门连接（与门的另一个输入端接控制电路停止的信号），输出端接非门，再接与门和红灯连接（与门的另一个输入端接控制电路停止的信号）。
当计数器在019-000时，四输入或门的输入全为0，输出为0，红灯亮，而绿灯前面的与门输出为0，所以不亮。
其他情况下，四输入或门的输入不全为0，所以输出为1，此时绿灯亮，而红灯不亮。
其仿真电路图如图8所示：
图8控制电路部分仿真图
4）倒计时数码显示部分电路
由于本次设计的投币电话控制器要求仅在通话时间三分钟的最后20秒倒计时显示，所以仅将十位和个位的输出与数码显示管连接，为保证只有最后20秒是显示，即要求红灯亮时显示倒计时，将十位和个位的74192每个输出端都通过二输入与门与数码显示管连接，与门的另一个输入端连在一起后与红灯的控制信号相连（即连接到红灯前面的与门的输出端）。
仿真电路图如图9所示：
图9倒计时数码显示部分仿真图
三、个人设计部分
在本次设计中，我主要负责设计数码管的显示、开关控制电路部分（包括各部分电路的总体连接，保证正常启动和停止）。
1.数码管的显示
①数码显示原理
数字显示电路通常由译码器和显示器等部分组成。
该仿真实验中，数据已由十进制8421BCD码给出，因此可直接连接数码显示器。
数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件。
实验中采用七段式数字显示方式，如图表示七段式数字显示器利用不同发光段的组合。
其功能表如下表所示：
数字显示器真值表：
十进制数或功能
输入
输出
字形
D3
D2
D1
D0
a
b
c
d
e
f
g
0
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
L
0
1
L
L
L
H
L
H
H
L
L
L
L
1
2
L
L
H
L
H
H
L
H
H
H
2
3
L
L
H
H
H
H
H
H
L
L
H
3
4
L
H
L
L
L
H
H
L
L
H
H
4
5
L
H
L
H
H
L
H
H
L
H
H
5
6
L
H
H
L
L
L
H
H
H
H
H
6
7
L
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
7
8
H
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
8
9
H
L
L
H
H
H
H
H
L
H
H
9
图10数码显示管分段布置图
由于本次设计的投币电话控制器要求仅在通话时间三分钟的最后20秒倒计时显示，所以仅将十位和个位的输出与数码显示管连接。
为保证只有最后20秒时显示，即要求红灯亮时显示倒计时，将十位和个位的74192每个输出端都通过二输入与门与数码显示管连接，与门的另一个输入端连在一起后与红灯的控制信号相连（即连接到红灯前面的与门的输出端）。
这样连接，当计数电路计数到最后二十秒时，红灯亮，数码显示管前的与门输出才为1，数码管开始20秒倒计时，其余时间输出均为0，数码管不工作。
本次试验我们用的是实验台上的数码显示管，十位的输入端A1、B1、C1、D1
分别接与十位的74192输出Q0、Q1、Q2、Q3所接的与门输出端相连，个位的输入端A2、B2、C2、D2分别与个位的74192输出Q0、Q1、Q2、Q3所接的与门输出端相连。
仿真部分截图如图11所示：
个位信号
十位信号
红灯信号
图11数码显示仿真图
实际数码显示管如图12所示：
图12数码显示实物图
2.开关控制电路的实现
1）开关连接部分
用一个单刀双掷开关，将三片74192的三个预置端连接在一起，开关扳向一端是接地，扳向另一端是接电源线，即实现扳向地线时将三片74192状态预置为179，扳向另一端后开始计时，实现电路功能。
2）电路的停止
在本次投币电话控制器的设计中，我们必须保证计时开始后三分钟电路停止，即74192停止计时，数码管不显示，红灯和绿灯都灭掉。
①72192计时的停止
在整个电路开始计时三分钟的最后一秒钟，即第180秒，三片74192的输出均为0，即个位十位百位的74192输出均为0，因此将个位和十位的74192的八个输出端以及百位的74192的最低位输出端均用几个或门连接，其总体的输出端仅在三分钟的最后一秒输出零，可以作为电路的停止信号。
将其与555定时器的输出接到与门的输入端，并将与门的输出作为个位的74192的CP脉冲。
这样连接，在计时的最后一秒，个位的74192的脉冲端输入为0，从而实现74192停止计时。
②红绿灯和数码管的复位（红绿灯熄灭，数码管归零）
在74192计时停止的实现中，将个位和十位的八个输出端以及百位的最低位输出端通过几个或门连在一起作为停止信号，这里同样利用这个停止信号，将它和四输入或门（四个输入分别为百位74LS192的Q0与十位74LS192的Q3,Q2,Q1）的输出作为与门的输入，与门的输出再连接绿灯，同理将这个停止信号和非门的输出作为与门的输入，与门的输出再连接红灯。
这样连接，可以实现当电路开始计时三分钟后的最后一秒种，停止信号输出0，与门输出也为0，红灯和绿灯均停止工作。
由于红灯前面的线路另一端与数码管前面的与门相连，所以当红灯停止工作后，数码管也会停止工作。
从而实现了红绿灯和数码管的复位。
其总体连接电路图如图13所示：
图13总体电路仿真图
3）实现与门、或门、非门的芯片
①四2输入与门7408
其引脚图和功能表如图14所示：
图147408引脚图
②双4输入或门4072
其引脚图如图15所示：
图154072引脚图
其中Vss为接地端，VDD为接电源的端口。
③四2输入或门7432
其引脚图如图16所示：
图167432引脚图
④六反相器7404
其引脚图如图17所示：
图177404引脚图
四、实验小结
1.注意事项
①实际电路所用的单刀双掷开关扳向一边，电路连接的是另一边。
②实际电路中的发光二极管（红灯和绿灯）要接保护电阻后再接地，以免烧坏发光二级管。
③4072的NC端必须悬空，不能接线。
④在电路接线前，要熟悉面包板的内部构造，最好用万用表检测其通断情况，以免在后期连接线路时出错。
⑤仿真电路中的数码管左边为高位，右边为地位，而实验台上的数码管左边是低位，右边是高位。
2.实验心得及体会
数字电子技术在我们的日常生产生活中可谓无处不在，我很荣幸在本学期学习了数字电子技术理论课程后还能亲手实践，和组员共同完成一个课题的设计和实现。
这次我们选择了投币电话控制器这个课题，开始拿到任务书的时候，并没有感到这个课题有多难，真正开始设计仿真、动手连接线路的时候，我才发现不仅仅是各部分单元电路要合理设计，每个细节也都是至关重要的。
比如各个芯片的引脚图要查清楚，连线正确才能实现其功能；比如设计的时候虽然方案可以有很多，但我们要力求用最少的芯片和元件来实现其功能，以保证经济性和较好的可实现性。
在仿真部分，我主要负责数码显示部分和整个电路的开关控制，即把其他成员设计的电路整合在一起，并保证电路在运行三分钟后自动停止复位，再将电路整体调试成功。
在这部分设计中，我成功运用了平时学的理论知识，实现了设计要求，当电路调试成功的那一刻，我内心的喜悦和成就感油然而生。
在领了器件和面包板后，本以为之后的工作并不困难了，只要按图连线就可以了，但一步步做下来才发现，需要我们学习和注意的问题还有很多。
为了整块电路板的美观，设计的时候要尽可能使用最短跨度的导线连接相同电位的点，所以芯片的分布也一定要合理。
虽然我们事先熟悉了面包板的构造，却没有提前用万用表检测一下它实际的通断情况，导致整体电路连接出来后，灯却不亮，我们四个人一起从头到尾检测了一遍，才发现面包板有几条线路损坏断开了。
所以要很好的完成课程设计，细心和耐心都是必不可少的。
通过不断地发现问题和解决问题，我们终于完成了投币电话控制器的设计和实现。
最后看着它实现了所有控制要求后，我简直无法形容我的喜悦，同时也深感这次课程设计受益良多。
首先，在这次课程设计中，我加深了对很多理论知识的理解，并通过亲自动手实践，对这些理论进行了实际验证，提高了自己动手实践的能力，使理论和实践得到了很好的结合。
其次，在这次课程设计中，我们虽然遇到了很多难题，但在发现问题与解决问题的过程中，我们的自主探索能力都得到了很大的提高，同时在与组员和老师的交流中，我们也能发现自身的不足和误区，加以改进。
最后，我们在完成课程设计的过程中体会到了团队合作的乐趣。
大家这些天一起在图书馆设计方案，一起去实验室动手实践自己的设计。
一向惯于“独立思考”的我们学会了积极和同团队成员交流，取长补短，共同进步。
“独学而无友则孤陋而寡闻”，只有和同学多交流多学习才能不断的提高自身水平。
总得来说，这次课程设计还是比较成功的，我们较快也较好地完成了老师布置的任务，这都要归功于组员们的辛勤努力和老师的耐心指导。
我们都在这次课程设计中收获了很多。
五、实物图
六、参考文献
《电子技术基础-数字部分》高等教育出版社康华光主编
《电子技术实验指导书》中国电力出版社王鲁杨主编
《电子技术课程设计指导书》上海电力学院
百度百科
七、致谢
感谢同组其他成员的相互帮助，更加需要感谢指导老师的特别帮助，这次实验的成果分不开大家共同的努力，只有大家一起动手做，才能很好地完成这项任务。
20
升级会员 