投币电话控制器的设计.docx
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投币电话控制器的设计
投币电话控制器的设计
一、概述：
随着科技的发展进步，电子技术在现代社会中起着举足轻重的作用。
它的广泛应用，给人们的日常生活和生产带来了极大的便捷。
同样，作为通讯工具的电话也同其它现代化的工具一样，已成为当今人们生活中不可少的一部分。
它作为一种通讯工具，可以使处于异地的人们很方便地进行交流与沟通，使人们能快速而准确地传递信息。
1、电话控制器的方法和类型：
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。
但磁卡控制较投币电话控制方便，而且时间也相对较长，但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。
磁卡可以运用微机控制，但编程复杂，只是它的电路简单，并且控制比较灵活。
投币电话控制器相对来说比较简单，控制时间比较短，电路采用数字电路可以方便地实现，制作和调试比较简单，且成本较低。
本课题主要讨论的是投币电话控制器。
用投币电话控制器的投币电话的特点是操作简单，只须拿起话筒，投入一次通话硬币，即可接通电话，通话时间为3分钟。
2、投币电话控制器的实现方法：
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。
二、设计任务书：
1、设计题目：
投币电话控制器的设计
2、技术指标与要求：
（1）通话时间为3分钟，即每投入一次硬币可通话一个计时单元（3分钟）。
（2）在通话开始时，以绿灯提示；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1秒，数字自动减1。
（3）数字显示为0之前，如不再投币，电话自动切断，控制器停止工作；如继续投币，通话仍可继续。
3、设计内容：
（1）课题分析和各单元电路的分析及设计；
（2）元器件及参数的选择；
（3）整体电路图；
（4）总结和讨论。
三、电路的设计与分析：
1、A课题分析：
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、译码显示电路、减法器、定时电路组成，其电路框图如图所示：
控制电路
预制时间
二十进制加法计数器
减法器
执行机构
秒脉冲发生器
的显示电路
工作原理：
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，该电路可用一片CD4518来实现。
在通话时间为3分钟内，共180秒，二十进制加法计数器每计到20秒时就输出一个信号，送到控制电路完成下一步功能。
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。
B各单元电路的分析与设计：
（1）秒脉冲发生器
此电路是由CD7555组成的多谐振荡器，该电路的输出脉冲周期为T=0.7（R1+2R2）C。
若T=1s，令C=10μF，R2=33kΩ，则R1=77kΩ，取一固定电阻68kΩ与一个10kΩ的电位器RP串联代替电阻R2。
在调试电路时，调节电位器RP，使输出脉冲周期为1s。
电路如图所示：
根据多谐振荡器的特点：
（1）电路没有稳态，只有两个暂稳态。
（2）通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，产生自激振荡，无需外触发。
（3）输出周期性的脉冲信号。
可知，此电路的工作原理为：
接通电源瞬间t=t0时，电容C来不及充电，C为低电平；此时，555定时器内R=0，S=1，触发器置1，即Q=1，输出U0为高电平。
同时，由于Q=1，放电管V截止，电容C开始充电，电路进入暂稳态。
此电路没有稳态，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。
（2）二十进制加法计数器
由于通话时间为3分钟，共180秒，用二十进制加法器可把时间分为9段，当计数器每计到20秒时，就输出一个信号，送到控制电路完成下一步功能。
二十进制加法计数器连接如图所示：
该电路用一片CD4518来实现。
一片CD4518内部有两个同步十进制计数器，因此，用CD4518来实现比较合理。
CD4518是最基本的同步计数器，有简单的“加计数”和“清零”功能。
CD4518中两个计数器除电源共用外，各自独立。
各计数器中有时钟输入端CP和使能端EN，清零端CR，行输出端依次为Q0、Q1、Q2、Q3。
下面的1个计数器标号为1，在各引出端加1，如1CP，上面的1个计数器目标号2，各引出端加2，如2CP等。
CD4518中CP输入端和EN使能端，使计数器中的触发器有上升沿触发方式和下降沿触发方式两种供选用。
EN接高电平1，计数信号由CP端输入，此时为CP信号上升沿触发，CP接低电平，计数信号由EN端输入，此时为计数信号的下降沿触发。
即当EN=0时，计数器处于保持状态。
CR为计数器的清零端，当CR上加高电平，即CR=1时，计数器清零；当CR=0时，计数器处于计数状态或保持状态。
CD4518功能表：
EN
CR
CP
执行功能
X
1
X
清零
1
0
↑
加计数
↓
0
0
加计数
0
0
X
保持
（3）控制电路
控制电路由CD4017十进制计数/脉冲分配器加上发光二级管组成，主要作用是时间控制。
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秒后，红灯亮，并且开始计时。
基主要功能是接受二十进制加法器的输出信号，并把每一个信号分配输出。
CD4017是一个脉冲分配器，它将每一个输入脉冲从Y0—Y9分别输出并且在20秒开始倒计时。
当脉冲切断，通话也随之切断。
控制电路如图所示：
CD4017内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整体输出时序就是Y0、Y1、Y2…Y9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有CP输入端和EN使能端，CR为清零端，当在CR端上加高电平或正脉冲时，其输出Y0为高电平，其余输出端（Y1~Y9）均为低电平。
CD4017有10个输出端（Y0~Y9）和1个进位输出端C0。
输入10个计数脉冲，C0就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
由此可知，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态。
当CD4017的输出端依次输出高电平时，驱动发光二极管也被点亮。
发光二极管要求驱动电压小一点，一般在1.66V左右，电流在5mA左右。
330Ω的电阻在电路中走限流作用。
（4）译码显示电路
译码显示电路由七段译码器/驱动器CD4511组成（带BCD锁存）。
它可以根据其输入端的信号驱动共阴极数码管。
在此，其输入是最后20秒的剩余时间。
其输入是最后20秒的剩余时间。
七段显示译码器的每一代码经过译码被“辨别“出来的特别电路状态，要驱动某一数字显示器的多个笔划段，使其发光显示数字。
CD4511是带驱动器的七段显示译码器，能直接驱动数码管发光。
其引出端中B、C、D、A是BCD码输入端，a、b、c、d、e、f、g是译码器的输出端，与半导体数码管的相应七端相连接，VDD接+5V电源正极。
CD4511用来驱动共阴极显示器。
CD4511的B、C、D、A为BCD码输入端分别同计数器的输出端Q3、Q2、Q1、Q0相连，输入不同的BCD码，输出相应的七段码。
（1）灯测试输入端LT：
LT称为灯测检查。
用IT可检查七段显示器各字段工作是否正常。
当LT=0时，不论D、C、B、A状态如何，输出或非门被封锁，输出均为“1”，所以显示器显示数字“8”。
（2）灭灯输入端BI：
BI灭灯输入可以显示灯熄灭，共功能与LT恰好相反。
通常在有效数据的最高位与最低位的零不需要显示时使用。
（3）数据锁存输入端LE：
当LE=0→1时，译码器则将当前数据锁定，以便能够更清楚地看清译码器译出的数据。
注意：
输入端B、C、D、A数据级名值大于9时，译码器将输出全部置零，使译码器不能显示。
2ES102为共阴显示器，为使CD4510与2ES102匹配，需连接7个200的电阻走限流作用。
为了能实现设计要求，需用两个CD4511和两个显示器2ES102来组成电路。
（5）减法器
减法器是由可预置的十进制同步加/减计数器CD4510组成的二十进制减法计数器，其电路如图所示：
CD4510是可预置数BCD码可逆计数器。
它具有清零、预置数、加计数和减计数等四种功能。
其真值表如表所示：
CP
LD
U/D
CE
CR
功能
X
1
X
0
0
不计数
↑
0
1
0
0
加计数
↑
0
0
0
0
减计数
X
X
X
1
0
预置数
X
X
X
X
0
复位
U/D为加/减计数控制端，当该端为高电平时进行加计数，反之，进行减计数。
在此电路中，U/D就进行减计数。
CE为预置计数控制端，该端为高电平时，停止计数，并可以端输入预置数，这时输出端Q0~Q3将和D0~D3的状态相同。
当CE端恢复低电平时，计数器从预置值开始进行加计数或减计数。
当计数值为9（1001）时，进位端C0由高电平变成低电平，输出一个时钟周期的负脉冲。
CR为复位端，该端为高电平时，计数清零，Q0~Q3输出均为低电平。
LD为计数禁止端，该端为高电平时，禁止计数，输出保持不变。
此电路用CD4510级联可逆计数的连接方法。
它为同步级联方式（各级时钟脉冲CP输入端并联），当低位计数到9或者变“0”时，时位输出C0产生低电平，于是允许下一级（较高位）进行进位或借位计数。
不需要CE和CR功能（预置数和复位）时，应把这些管脚接VSS电平。
当控制电路Y8输出高电平时，通过与非门与计数器CP端相连，启动计数译码显示电路开始工作。
计数器在秒脉冲信号的作用下，开始减法计数，直到计数为零为止。
用10kΩ的电阻和10µF的电容组成微分电路以实现控制电路对此电路的控制。
（6）预置通话时间
预置时间即为通话的控制时间，具体时间设定为3分钟，现用CD7555组成的单稳态触发器来实现通话时间的控制。
CD7555是CMOS集成定时器，主要管脚有：
VSS接地端；TR触发端；OUT输出端；R复位端；C-V电压控制端；TH阈值输入端；D放电端；VDD电源端。
其功能表为：
TH
TR
R
OUT
V
X
X
0
0
导通
<2/3VDD
<1/3VDD
1
1
截止
>2/3VDD
>1/3VDD
1
0
导通
<2/3VDD
>1/3VDD
1
保持原态
保持原态
由CD7555组成的单稳态触发器的特点是：
（1）有一个稳定状态和一个暂稳状态。
（2）在触发脉冲作用下，电路将从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态停留一段时间后，又自动返回到稳定状态。
（3）暂稳态时间的长短取决于电路本身参数，与触发脉冲的宽度无关。
根据这一特点，可知该电路的脉冲宽度Tw=1.1RC，若Tw=3min，令C=10µF，则R=79kΩ，所以选取一固定电阻68kΩ与一个100kΩ的电位器RP串联代替电阻R。
在调试电路时，调节电位器RP，使输出脉冲周期为3分钟。
此电路如图所示：
2、元器件及参数的选择：
两个发光二极管；一个三极管（NPN型）；一个二极管；两个继电器KA；两个与非门电路；
电阻：
200Ω（1千个）；470Ω（2个）；33kΩ（1个）；330Ω（1个）；100kΩ（3个）；68kΩ（2个）；电位器：
10kΩ（1个）；100kΩ（1个）；电容：
0.01μF（5个）；10μF（1个）。
芯片：
两片集成定时器CD7555；一片计数器CD4518；一片十进制计数/脉冲分配器CD4017；两片七段译码器/驱动器；CD4511（带BCD锁存）；两片十进制同步加/减计数器CD4510。
3、整体电路图：
4、心得体会：
通过对此电路的设计，使我们了解到此电路主要是由秒脉冲发生器、二十进制加法计数器、控制电路、译码显示电路、减法器、定时电路组成。
此电路不仅电路简单，而且易于实现。
并且，通过对此电路的设计，也使我对电子技术知识得到更深刻的了解，使我的专业知识得到了贯彻性的运用，虽然，此电路的实现可以用其它电路来代替，而且还有许多不足，但是通过自己对其电路的设计，使我了解到了关于电路设计方面的知识与方法，为以后自己步入社会实践奠定了基础。
回顾起此次数电课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多做图问题，最后在同学们的帮助下终于游逆而解。
同时，在其他同学的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！
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