手机通话计时器.docx
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手机通话计时器
沈阳航空航天大学
课程设计
（说明书）
手机通话计时器的设计
班级/学号94070102-070
学生姓名张远康
指导教师胡爱玲
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称电子技术综合课程设计
院（系）自动化学院专业测控技术与仪器
班级94070102学号2009040701070姓名张远康
课程设计题目手机通话计时器的设计
课程设计时间:
2011年12月19日至2012年1月1日
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
设计一个用来记录手机通话时间的电路，技术指标如下：
①记录时间以分钟为单位，最大到99分钟；
②计时采取向上进位原则，即每次计时不到整分的时间部分，按1分钟计；
③可以间断计时，且计时能够累加；
④自己设计秒计数器；
⑤计时结果用四位数码管显示。
二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。
3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1.童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：
高等教育出版社，2006年
2.陈光明等主编．电子技术课程设计与综合实训．[M]北京：
北京航空航天大学出版社，2007年
3.戴伏生主编．基础电子电路设计与实践．[M]北京：
国防工业出版社，2002年
4.谭博学主编．集成电路原理与应用．[M]北京：
电子工业出版社，2003年
5.华满清主编．电子技术实验与课程设计．[M]北京：
机械工业出版社，2005年
6.阎石主编．数字电子技术基础．[M]北京：
高等教育出版社，2008年
7.谢自美主编．电子线路设计·实验·测试．[M]武汉：
华中科技大学出版社，2006年
五、按照要求撰写课程设计报告
指导教师年月日
负责教师年月日
学生签字年月日
成绩评定表
评语、建议或需要说明的问题：
指导教师签字：
日期：
成绩
一、概述
随着科技的不断进步，手机对大家来说已不再陌生，然而，人们所关心的问题无非是通话问题，其中，通话时间将直接影响众多手机用户的切身利益，这时就涉及到计时器的设计。
本次课题便是基于手机通话计时器的设计。
其实现的功能是：
用数码管显示实时通话时间，最长通话时间99分钟，当电话挂断时，秒位没记足60秒的按一分钟记，即实现进位功能，并且可以实现间断和累加计时。
二、方案论证
设计一个手机通话计时器，能够显示手机实时通话时间，并在通话时间不足60秒时实现分钟进位，四位数码管分别显示分位和秒位，最大计时99分钟。
方案一：
该方案采用555定时器构成的多谐振荡器作为脉冲波形发生电路，将波形频率设置为1HZ，提供给计数器74ls160作为时钟信号，实现计数功能。
同时添加适当的控制门电路，利用计数器的同步预置数功能实现分位的进位，最终由四位数码管显示通话时间。
该电路设置三个控制开关，分别用来控制计数器的暂停，清零和挂断，并且可以实现间断和累加计时。
原理框图如图1所示。
图1方案一电路的原理框图
方案二：
本方案采用滞回比较器构成的矩形波发生电路，选取适当的电阻和电容值，构成周期位1秒的脉冲信号，送给计数器的时钟信号端。
选择适宜的门电路，利用全加器加1或0，以及计数器预置数，全加器的输入端与分位计时器的输出端相连，输出端连接分位的输入端，用开关控制分位的进位，当开关按下时，通过判别秒位状态来决定全加器加1或0，使得当电话挂断时分位进位，秒位清零。
原理框图如图2所示
图2方案二电路的原理框图
本设计采用的是方案一，555构成多谐振荡电路较容易实现且电路不复杂，常用的门电路用于进位，省去了滞回比较器和全加器带来的麻烦，且性价比较高。
三、电路设计
1.直流稳压电源电路
其方框图及原理图如图3和图4所示。
图3电源电路的原理框图
电源采用220V交流电经变压器降压，利用全波整流、电容滤波电路以及稳压芯片7805，将电源电压稳定在5V，如图4所示。
图中二极管D2是对7805的过流保护作用，滤波电容C3应选用电解电容，其值较大，起充放电作用，电阻R5用于电容的放电。
图4电源电路的原理图
2.时钟发生电路
该电路由555定时器构成，利用电容C1的充放电，形成矩形脉冲，电路原理图如图5所示。
图5时钟电路的原理图
电路原理：
开启电源后输出为低电平，电容C1通过R3和R4开始充电，充到1/3Vcc时，输出上升为高电平，电容继续充电，直到2/3Vcc时，输出又降为低电平，电容向R3放电，放到1/3Vcc时，又开始充电，一直循环，就形成了脉冲。
充电时间t1=（R2+R3）*C1ln2，放电时间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为1秒，选取电容C1=10uF，R3=R4，根据公式T=（R3+2R4）C1ln2，则有R3=R4=48k。
由于脉冲的占空比对计时器影响不大，因此这里只输出矩形波，且48k电阻不存在，因而选用47.5k电阻即可。
3.计数及进位电路
经分析可知，本课题需要设计两个计数器电路，分别用于秒计数和分计数。
秒计数器应设计成60进制，分计数器应设计成100进制。
这里选用较常用的计数芯片74ls160，用四片计数，计数器之间用常规门电路连接起来，秒位由0到59之间计数，当计到59秒时，秒位计数芯片进位输出端ECO为高电平，将其连接到分位计数器的使能端EP/ET，使得当下一脉冲到来时分位进位，同时利用同步预置数将秒位清零。
然而这样还不能实现电话挂断后分位进位的功能，因此进位电路还待改进。
本方案采用三个开关电路，分别实现暂停、清零和挂断功能。
其中，暂停和清零较为简单，只需用开关控制时钟信号的输入，便可中断服务，将计数器异步清零端接地，便可实现清零功能。
核心内容还是如何实现分位的进位，这便是第三个开关的作用了。
这里依然采用置数法对秒位清零，进位是由分计数器的使能端EP/ET决定的。
由上面的分析可知，进位、置数与否要受秒位和开关的控制，下面给出电路设计过程。
1）逻辑抽象
如图6为开关电路
图6开关电路的原理图
当开关闭合时，S为低电平0，表示电话挂断；断开为高电平1，表示正常工作；
记A和B为秒位状态，其中，A用来判断秒位是否为0，其逻辑表达式为秒位的或运算，B用来判断秒位是否为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为74160秒位输出端的八个引脚）
于是，秒位状态判别电路如图7所示：
图7秒位状态判别电路原理图
它们的逻辑电平如表1所示：
表1秒位状态逻辑电平转换表
秒位
状态
逻辑电平
A
B
0
0
0
1~58
1
0
59
1
1
由表1可知，当A为0时，B不可能为1，因此A'B为无关项，即约束项，如SA'B，S'A'B均为无关项。
在逻辑表达式中，可适当添加无关项，以化简表达式。
2）列真值表
用EP/ET表示分位的使能端，高电平有效。
用LD'表示秒位的清零端，低电平有效。
EP/ET和LD'受三个输入端的控制，即S、A、B。
对照他们各自表示的物理意义，可列出真值表，如表2所示：
表2进位电平真值表
S
A
B
EP/ET
LD'
0
0
0
0
0
0
0
1
x
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
x
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
3）写出逻辑表达式
a）E=S'AB'+S'AB+SABb）LD'=SAB'+SA'B'
=S'A+SAB=SB'
注意到SA'B，S'A'B均为无关项，因而有：
E=S'A+SAB+SA'B+S'A'B
=S'A+SAB+AB+A'B
=（（S'A）'*B'）'
所以，进位电路如如图8所示：
图8进位电路原理图
4.数码管显示电路
显示部分采用四位数码管，两个数码管显示秒位，由0到59变化，另两个显示分钟，由0到99之间变化，因此最大显示时间为99分59秒。
由于计数器74ls160输出只有四位，而一般数码管是由七段led组成，因此，要使数码管正确显示时间，还需将计数器的四位二进制输出进行译码，这里选用显示译码器74ls47，其对应的数码管应为共阳极。
如图9所示，将74ls160的四位输出端分别接入译码器的四输入端，且译码器使能端应接入高电平，输出端便可直接连共阳数码管，并且给数码管的公共端接入高电平，这时从图9中可以看到，显示部分能正常工作。
图9数码管显示原理图
四、性能的测试
1.直流稳压电源的测试
按图10连接电路，对直流稳压电源进行测试，由图10中中电压表读数可测得输出电压为5.003V，用示波器测量变压器输出端及最后输出波形，如图11所示，可知最终输出为稳定的直流电压，满足设计要求。
图10稳压电路输出电压值
图11电源变压器（下）及稳压电路（上）输出波形
2时钟电路测试
按图5所示的电路，在电容C1及脉冲输出端连接示波器，测量其输出波形如图12所示。
图12时钟电路的输出（上）及电容充放电（下）波形图
由图12中波形可以看到，脉冲周期大概在1.01秒，误差为1%，基本符合时钟电路的设计要求。
3.电路整体性能测试
（a）仿真测试
按附录I所示电路，在multism软件中进行仿真，左边数码管为分位，右边为秒位。
结果详述如下：
1）如图13所示，开关J3闭合，J1和J2断开。
此时由开关J3控制的时钟信号正常接入计数器，且计数器处于使能状态；由开关J2控制的清零信号被断开，计数器的异步清零端处于高电平状态；进位控制开关J3断开，计数器的同步置数端为高电平。
因此电路正常工作。
图13整体电路的正常工作状态图
2），如图14所示，开关J3和J1闭合，J2断开时，由于秒位未记足60秒，秒计数器置数端为低电平，分计数器使能端为高电平，且时钟信号正常接入计数器，因此当下一脉冲来临时，分位产生进位，同时秒位清零。
图14进位状态图
（b）实物测试：
根据设计要求，在实验室进行关键电路的硬件搭接测试。
为简便起见，实物电路只用三位数码管，分位只用一位显示；同时，直流电源和脉冲由实验箱直接提供。
1）如图12所示，此时为清零状态，清零开关J2闭合，秒位和分位同时清零。
图15整体电路的清零状态图
2）如图16所示，开关J3闭合，J1和J2断开时，电路正常工作，数码管正常显示当前通话时间。
图16整体电路的正常状态图
3）如图17所示，当开关J3和J1闭合，J2断开时，由于秒位未记足60秒，此时分位进位，秒位清零。
图17整体
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