电话脉冲按键显示器设计课程设计说明书.doc

课 程 设 计 说 明 书题 目： 电话脉冲按键显示器专 业： 电气工程与自动化年 级： 2010级学 生： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2012 年 06 月 24 日电话脉冲按键显示器摘要：电话脉冲按键显示器主要由4000系列芯片（40174锁存器,4508译码器）和74HC147编码器组成。该电话脉冲按键显示器除具有准确显示和反映按键数字功能外，还具有清零、定时熄灭和逐位显示功能。当用户输入号码时，显示器显示从低位向高位前移，逐位显示按键数字；重新按键时，可用清零按钮清除显示；在挂机2分钟或者按下熄灭按钮后，显示器熄灭。系统通过Proteus仿真软件验证了其理论设计的正确性。关键词：脉冲，显示器，4000系列芯片，ProteusAbstract：Telephone Pulse button monitor consists of 4000 series chip (a 40174 latch, decoder 4508) and 74HC147 encoder. The telephone pulse button monitor has accurate display and reflect the key digital function, also has the reset timing out, and bit by bit display function. When the user input number, from low to high display forward, bit by bit display key figures; when the key is available again, a reset button clear display; in 2 minutes or press out the on-hook button, display out. Simulation software by Proteus verify the correctness of their theoretical design.Keywords: Pulse, Monitor, 4000 series chip, Proteus目录1 前言11.1 设计背景11.2 设计概述12 总体方案设计32.1 方案比较32.2 方案论证42.3 方案选择43 单元模块设计53.1 按键脉冲电路53.2 定时消隐功能电路73.3电路参数的计算及元器件的选择93.4特殊器件介绍94 软件简介135 系统调试145.1 仿真电路总图145.2 系统仿真参数设置145.3 功能调试145.4 调试结果分析196 系统功能指标参数206.1 系统实现的功能206.2 系统指标参数测试206.3 系统功能及指标参数分析207 结论218 设计总结228.1 设计的收获体会228.2 对设计的进一步完善提出意见或建议229 致谢2310 参考文献24附录：系统的仿真总图251 前言1.1 设计背景随着科技的发展,电话越来越普及。与此同时设计电话按键脉冲显示器操作简单，不但成本低，体积小，而且操作简单，因此成为小规模知识竞赛之首选。对与我们学生来说电话脉冲按键显示器也是比较适合初学者设计的一个课题。1.2 设计概述基于电话脉冲按键显示器自身的一些优势如原理简单，设计的器件大多为较为常见的器件等。本文的目的是使用比较常用的器件设计可实现逐位显示按键数字的显示器。本次课题主要目的是培养我们自主动手设计能力和解决问题的能力，加强我们对数字信号、模拟信号的认识和运用，让我们对电子设计有一定的认识。1.2.1设计目标用数字和模拟集成电路芯片以及配套的分立电子元件来设计电话脉冲按键显示器电路，该电路可以实现：基本功能：1、能准确显示和反映按键数字（共计12位按键）。2、显示器显示从低位向高位前移，逐位显示按键数字，最低位为当前输入位；3、重新按键时，能首先清除显示。发挥部分：1、 在挂机2分钟或者按下熄灭按钮后，显示器熄灭。2、 熄灭的同时清零1.2.2技术路线要实现该设计，就应把整个电路分为几大模块。分别是按键脉冲模块，锁存模块，译码显示模块，定时熄灭模块。先通过对各个模块进行设计、调试之后再将其组合起来进行整机调试。1.2.3实施计划首先就是要理清实现设计的框图，在总体框图的指导下，作出具体的电路图，由要设计实现的功能，计算出各个电路元件的值，并逐一对各个元件进行选择。最后用仿真软件对设计进行仿真操作，调试软件，并对照出的设计有误的地方进行必要的修正，确保设计的正确。1.2.4必备条件要实现该电路的设计，首要的就是要制定出设计的实现框图，并在老师的指导和参照资料的条件下作出具体电路图，选定实现实现该设计的各种元器件。另外，还应由必要的软件帮助设计完成。2 总体方案设计对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对同一目的的实现方法。并比较两种方案的优劣。2.1 方案比较2.1.1 方案一系统框图如图2.1所示。图 2.1 方案一的系统框图脉冲按键输入编码电路译 码电 路数 字显 示移位寄存器时钟脉冲产生定 时电 路清零控制工作原理简述：接通电源后，用户输入一个数字，给移位寄存器和译码器一个脉冲，使其选通，数码管显示所输数字；当新按键脉冲来后，通过移位寄存器串联延时实现逐位显示按键数字；需要重新按键时可以用清零按钮实现清零；通过555集成定时器和计数器定时120秒实现灭灯功能，并同步清零。2.1.2方案二系统框图如图2.2所示。工作原理简述：接通电源后，用户每输入一个数字，给锁存器和译码器一个脉冲，使数码管显示所输数字；当新按键脉冲来后，通过锁存器串联延时实现逐位显示按键数字；需要重新按键时可以用清零按钮实现清零；通过555集成定时器和计数器定时120秒实现灭灯功能，在120秒内用户再拿起话筒时，定时电路无效并清零。图2.2 方案二的系统框图脉冲按键输入编码电路译 码电 路数 字显 示锁 存器时钟脉冲产生定 时电 路锁 存器清零控制2.2 方案论证 方案可行性分析：对于方案一不可行，因为数码管显示熄灭后不能再次显示数字，而且不能实现同步清零，即会保留上次所输入号码。并且移位寄存器管脚比锁存器更复杂，且需要两片级联才能实现12位数字显示。对于方案二可行，是在方案一的基础之上进行修改和完善的。采用的是当用户挂机时计数，拿起话筒计数器清零。且用锁存器实现数字逐位显示，思路清晰且不会遇到移位寄存器级联延迟的问题。2.3 方案选择比较方案一和方案二可以看出，方案二比方案一更加可靠，而且使用到的元器件也都是我们所常用到的一些元件比如：555，74HC147、4508、40174、74LS161以及开关、电容、电阻、门电路等一些我们所学过，用过的基本器件；从操作行和可行性上说方案二思路清晰，成品的使用方便，芯片功能端能综合利用等优势；从自身的势力上来说，方案二略显复杂一些，但由于本次设计是第一次将数字电子电和模拟电子运用于实际的电路设计中，我们尚未完全的掌握这2门知识，并且不能将理论知识熟练应用到实际电路中，因而对电路还不能达到最优化的设计，所以综合各个方面的因数，我选择了方案二做为本次课题的主要研究对象，本文也将注重介绍方案二的设计方法。3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1按键脉冲电路该部分电路要完成两个功能：通过按键脉冲的输入准确显示数字；给锁存器和译码器一个脉冲，选通并实现移位显示数字。3.1.1 数字按钮如图3.1所示该电路由开关09所组成的数字键和清零、消隐按键共十二位按键组成，按钮开关应为常开型，当按下开关时，开关闭合，输入信号；当松开开关时，开关自动弹出。图 3.1 按键输入按钮3.1.2编码电路如图3.2所示数字输入电路由非门，按钮和编码器组成。在输入数字信号前，编码器输入端无效，输出为高电平，接非门后连接下一级。当有效数字脉冲输入后，编码器相应端输入低电平，开始编码；若需输入数字0，则不经过编码器直接输入一个脉冲。图 3.2按键输入按钮3.1.3 锁存译码显示电路锁存译码显示电路主要由锁存器40174、译码器4508及数码管组成，其电路图如图3.3所示。通过编码器74HC147编成的二进制代码送至第一个锁存器锁存，锁存后的BCD码再送至4508译码器译码到数码管显示相应的数字。当1到9按键都没有按下时，由于编码器输出端都是高电平，经过40174后使4508的输出全为低电平，因此数码管全部显示为零。为了解决不能显示数字零的问题，在74HC147的前面接有一个按钮直接控制译码器选通。当有按键脉冲输入后，编码器的数据送到40174的输入端，同时经过有一个或门将高电平送到40174的脉冲输入端，此时数据就能通过输入端进入锁存器40174送出；当高电平降到低电平时，40174输出段保持输出，同时再将此输出信号送到下一片40174的输入端，进而实现了数据的移位和锁存输出。脉冲产生的同时也使4508的STB段产生了一个高电平，使4508进行选通功能，从而使40174的输出端的数据送到4508的输入端，再进行译码显示。图3.3 锁存译码、显示电路3.2 定时消隐功能电路该部分主要完成两个功能：1、在挂机2分钟或者按下熄灭按钮后，显示器熄灭。2、熄灭的同时清零定时电路部分主要由555定时器、十六进制同步加计数器74LS161减法计数电路、40174锁存器及相关电路组成。具体电路如图3.4所示。555定时器提供每秒一次的脉冲输入，两块74LS161实现加法计数，通过开关SW1模拟话筒的挂机与拿起,当开关选通时，脉冲输入并开始计数，计数119次加上延时即约120秒后经与非门输出低电平，由锁存器锁存输出至4508消隐端，实现数码管熄灭。当开关断开时，脉冲无法输入，同时计数器清零端为低电平有效，便于在下一次挂机时开始计数。熄灭按钮与定时电路部分输出通过或门相连，都能使数码管熄灭的功能。图3.4 消隐功能电路图 3-63.3 电路参数的计算及元器件的选择3.3.1按键脉冲电路选用了10个按钮作为0到9数字信号的输入按键和一个清零按钮，编码器74HC147，十二个锁存器40174和4508译码器，一个11相输入或门，十二个数码管作为数字显示。3.3.2 消隐功能电路定时电路用了两个计数器74LS161,两个BCD码译码器4508,一个555和两个电阻R10、R11、两个电容C1、C2组成的多谐振荡器，为计数器提供时钟信号。多谢震荡的频率,而取3.4 特殊器件介绍3.4.1 编码器74HC147如图3.5所示，该图为74HC147的引脚图。编码器74HC147是9线输入4线输出的二进制编码器，其输出为反码。当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。其中I9优先权最高，I1的优先权最低。当I9=0时，无论其它输入端有无输入信号（表中以X表示），输出端只给出I9的编码，即DCBA=0110。当I9=1、I8=0时，无论其余输入端有无信号，只对I8编码，输出DCBA=0111。其余的输入状态依次类推。编码后输出通常要接反相器使其输出正码，如I9的编码，即DCBA=1001，再接下一级。图3.5 74HC147的引脚图3.4.2 锁存器40174如图3.6所示，该图为锁存器40174的引脚图。锁存器是最简单的数据存储部件，基本锁存器由两个交叉耦合的门电路组成。其中D0D5为数据输入端，Q0Q5为数据输出端，CLK为输入数据锁存端，MR为清零端。当锁存器CLK输入端为低电平时，可将输入数据DOD5暂时存放在锁存器内部，一旦当CLK端有脉冲输入，暂存数据才反映到输出数据端Q0Q5H上。如果将MR端接低电平，则40174输出直接为低电平。图3.6 40174引脚图3.4.3 BCD译码器4508如下图3.7所示，该图为BCD码译码器。其中D0D5为BCD码输入端，Q0Q5为译码输出端，当STB为高电平时数据正常通过，低电平时锁存数据；OE为高电平时数码管熄灭，OE端为低电平时正常译码；MR为清零端，为高电平时有效，直接清零。3.4.4 计数器74LS161如下图3.8所示，该图为十六进制计数器。74ls161的MR端具有异步清零作用。当清除端（MR）为低电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。161 的预置数是同步的，需要时钟脉冲CP触发CLK，输出端（Q0Q3）才可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态。其中ENT，ENP为高电平时正常工作，为低电平时保持计数。图3.7 4508引脚图 图3.8 74LS161引脚图3.4.5 555时钟芯片如图3.9，555电路由电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电管和输出缓冲器5个部分组成。它的各个引脚功能如下：1脚：GND(或Vss)外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。|3脚：OUT（或Vo）输出端。2脚：TR低触发端。6脚：TH高触发端。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc. 图3.9 555引脚图4 软件简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。具有4大功能模块 革命性的特点： （1）互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。具有4大功能模块u 智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸。u ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。 u 独特的单片机协同仿真功能支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。u 实用的PCB设计平台 先进的自动布局/布线功能；支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能；可以输出多种格式文件。5 系统调试5.1 仿真电路总图见附录所示。5.2系统仿真参数设置在系统调试之前，我们需要对系统进行参数设置，如表5.1所示。序号编号参数序号编号参数序号编号参数1R110K17C210uF33U1645083R310K19U24017435U1845084R410K20U34017436U1945085R510K21U44017437U2045086R610K22U54017438U2145087R710K23U64017439U2245088R810K24U74017440U2345089R910K25U84017441U24450810R1043K26U94017442U25450811R1150K27U104017443U2655512R121028U114017444U2774LS16113R1310K29U124017445U2874LS16114R141K30U134017446U2974HC14715R010K31U1445084716C110uF32U15450848表5.1 元件参数表5.3 功能调试通过这几天的的理论设计, 为了验证对理论应用的正确性，选用Proteus软件进行仿真，验证所设计的电路能否实现准确显示和反映按键数字，能否实现数字从低位向高位逐位显示及清零，当定时时间到能否消隐，在消隐后能否再次正常工作。5.3.1 锁存译码显示电路图5.1 按键脉冲电路5.3.1.1 调试目的测试译码显示电路是否具有能准确显示和反映按键数字，并且数字从低位向高位逐位显示，最低位为当前输入位;当重新按键时，能首先清零的功能。5.3.1.2 调试电路调试电路如图5.1所示。5.3.1.3 调试结果1、假设用户按下数字5时，编码器对5进行编码，其显示结果为如图5.2所示。2、假设用户接着依次按下数字按钮0,2,3时，其显示结果为如图5.3所示。3、当调试移位成功后，按下清零按键时，结果如图5.4图 5.3 数字显示 图 5.4 清零显示 图 5.2 数字按键5输入 5.3.2 定时消隐电路5.3.2.1 调试目的调试定时电路能否实现120秒后或直接按键消隐，。5.3.2.2 调试电路定时电路如图5.5所示。5.3.2.3 调试结果1、假设已输入数字88，其显示结果如图5.6所示。2、打开开关120秒时，其显示结果如图5.7所示。3、闭合开关后，其显示结果如图5.8所示 图 5.6 预先输入数为88图 5.7 打开开关120秒图 5.8闭合开关 图 5.5 定时消隐电路5.4 调试结果分析5.4.1 调试电路已实现的功能通过先分步调试后整体调试的方法，本设计已实现了逐位显示按键数字，通过清零按钮一键清零和120秒后自动消隐清零的功能。5.4.2 调试中遇到的问题和此电路的不足在调试的过程中遇到了许多的问题，主要在于如何实现从低位到高位逐位显示数字及如何用按键脉冲选通锁存器、译码器，如经比较译码器4511和4508的详细功能后，选择4508有利于减少连线和实现消隐同步清零；并且定时部分用74LS161计数器计数120秒实现熄灭后，遇到了只能消隐1秒的问题，经反复调试和对161电路的分析知道，需要加入一个锁存器和由两个开关组合而成的同步开关连接到计数器清零端，实现反复计数消隐功能。此电路的不足在于使用元器件较多，结构连线复杂，耗能较大。6 系统功能指标参数6.1 系统实现的功能该系统能够准确显示和反映按键数字，并将显示从低位向高位前移，逐位显示，其中最低位为当前输入位；当按下清零键时，能清除显示；在挂机2分钟或者按下熄灭按钮后，能自动使显示器熄灭并同时清零。6.2 系统指标参数测试对于本设计系统的参数测试，先分部分解决所需功能，并将我们电路的各部分分开进行仿真。对此部分仿真可用到仿真软件proteus。在对每个部分仿真达到正确结果后，然后将各个模块连接起来进行整体测试。经过仿真证明我设计的电话脉冲按键显示器电路工作正常，能实现所需功能。6.3 系统功能及指标参数分析通过前面的参数计算和仿真的如系统各元件的参数表如表6.1所示。表6.1 元件参数表7 结论该设计用仿真软件proteus的验证了理论分析结果的正确性。此次课程设计经过为期2周的不懈努力，目前基本达到了预期的要求，通过对整个系统的调试，可得到如下结论：能准确显示和反映按键数字，显示器显示能从低位向高位前移，逐位显示按键数字，最低位为当前输入位；当重新按键时，能首先清除显示；在挂机2分钟或者按下熄灭按钮后，能自动使显示器熄灭并同时清零。学会了通过40174锁存器和4508译码器实现数字移位功能，尤其是理解了40174的上升沿触发和4508的高电平选通功能，实现了按键脉冲输入数字信号并逐位显示的功能。同时也更加的理解了555定时器组成的多谐触发器和74LS161计数器可以组成时间控制电路，以及74HC147编码器的使用方法。不过，这个设计还是有它的不足之处。首先就是电路设计有些复杂，元器件种类和数目有点多，它们会耗费掉一定的电力。其次布局还需要一定优化，减少占用空间。8 设计总结8.1 设计的收获体会在动手设计之前，参考了许多相关的资料。在设计中又参考了以前学过的按键脉冲输入的原理，有了基本思路。但着手设计时，又出现了许多未预料到的问题，例如元件的选择：在选择实现移位功能的器件时，是用移位寄存器还是用锁存器，经过慎重思考，最终选择了锁存器40174。因为需要显示输入的数字，所以选择了数码显示管，相应的选择了译码器4508，用它将输出的二进制代码译成相对应的高、低信号，用其作为数码显示管的驱动信号。在定时电路中，根据设计需要选择了555定时器组成的多谐振荡器来产生脉冲，并用74LS161计数器来设定数码管消隐时间。在一些设计原理上也遇到了许多新问题。如发现当数字消隐后，不能再次亮起，经同学以及老师的