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课程名称： 数字电子技术基础 题 目： 出租车计费器 系 别： 信息技术系 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 12电气五班 姓 名： 郑裕宁 学 号： 2012103120542 任课老师： 李春杏 日 期： 2014-06-26 目 录1 前言 1.1 设计背景 1.2 设计目标 1.3 设计计划 2 总体方案设计 2.1 方案一 2.2 方案二 2.3 方案比较与选择3 单元模块设计 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 3.1.1译码显示模块设计 3.1.2计数器模块设计 3.1.3等车时间显示电路模块设计 3.2电路参数的计算及元器件的选择 3.3 特殊元器件的介绍 3.3.1 555定时器 3.3.2 RS触发器 3.3.3 74LS160计数器 3.4 总体模块连接电路4 系统调试5 系统功能与参数 5.1 系统能实现的功能 5.2 系统的参数 5.3 系统调试方法与内容6 结论7 总结与体会1 前言随着出租车行业的快速发展，出租车已经成为城市交通的重要组成部分，从加强行业管理以及减少司机与顾客之间的纠纷出发，具有良好的性能的计费器对于出租车司机和乘客来说都是很必要的。通过已经学过的数电和模电只是并查阅课外辅导资料，运用TINA仿真软件等的设计和仿真测试，设计一定要求的出租车计费器。1.1 设计背景随着出租车行业的发展，对出租车计费器的要求也越来越高，用户不仅要求 计费器性能稳定，计费准确，有防作弊功能；同时还要求其具有车票资料打印、 IC卡付费、语音报话、和电脑串行通信等功能，而这些与电子技术的发展是分不 开的。二十世纪后半期，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，数字系统也得 到了飞速发展，其实现方法经历了由分立元件、SSI、MSI到LSI、VLSI以及UVLSI 的过程。 同时为了提高系统的可靠性与通用性， 微处理器和专业集成电路 （ASIC） 逐渐取代了通用全硬件LSI电路，而ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、 成本低、保密性好而脱颖而出。目前，业界大量可编程逻辑器件（PLD） ，尤其是 现场可编程逻辑器件（FPLD）被大量地应用在ASIC的制作当中。在可编程集成电 路的开发过程中，以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智 能化技术最新成果的电子设计自动化（EDA）技术主要能辅助进行三方面的设计 工作：IC设计,电子电路设计以及PCB设计 理想的可编程逻辑开发系统能符合大量的设计要求：它能够支持不同结构的器 件，在多种平台运行，提供易于使用的界面，并且有广泛的特征。此外，一个设 计系统应该能给设计师提供充分自由的设计输入方法和设计工具选择。 随着城市建设日益加快，象征着城市面貌的出租车行业也将加速发展，计费 器的普及也是毫无疑问的，所以未来汽车计费器的市场是十分有潜力的。1.2 设计目标(1） 计费包括起步价、行车里程计费、等待时间计费3部分；(2） 位数码管显示金额，最大值为99.9元，最小计价单元为0.1元；(3） 行程3公里内，且等待累计时间3分钟内，起步费为8元，超过3公里，以每公里1.6元计费，等待时间单价为每分钟1元；(4） 用两位数码管显示等待时间，最大值为59min；1.3 实施计划(1) 查阅参考资料，画出草稿图；(2) 单元电路的功能介绍与设计；(3) 电路参数的计算及器件选择；(4) 用Multisim软件做出电路图；(5）运行仿真，观察输出结果：(6) 绘制电路原理图；(7）心得体会总结.2 总体方案设计2.1 方案一(1)设计类容具体如下：汽车在行驶时，里程传感器将里程数转换成与之成正比的脉冲个数，然后由计数译码电路变成收费金额。里程传感器由磁铁和干簧管组成，磁铁置于变速器涡轮上，每行驶100米，磁铁与干簧重合一次，即输出一个脉冲信号。则10个脉冲/公里(设为P3)。里程单价可由（B2=2. B1=1）BCD拔码开关设置，经比例乘法器后将里程计费变换成脉冲数P1=P3（1B1+0.11B2）.由于P3=10，则P1为21个脉冲，即脉冲当量为0.1元/脉冲。同理等车计费也可以转换成脉冲当量，这需要脉冲发生器产生10个脉冲/10 分钟（设为P4），如果等车单价为0.6元/10分钟（置B4=0，B3=60，经比例乘法器后将等车计费变换成脉冲数P2=P4（0B4 + 0.1B3）.同理起步价也可以转换成脉冲数（P0=单价/当量）或者将P0作为计数器的预置信号。最后行车费用转换成脉冲总数P=P0 + P1 + P2,结果用译码显示器显示。 (2)设计原理:自动计费器包括里程计费电路、等候时间计费电路、起步价三部分，用三位 数码管显示，最大金额 99.9 元。 里程计费电路工作原理：干簧继电器产生的脉冲信号经由 74LS00 组成的施 密特发生器整形得到 CP0,CP0 送入 74LS160 计数器，当计数记满 10 个脉冲时， 一方由于与非门产生清零脉冲，加到 Rd 端使计数器清零，另一方面将基本 R-S 触发器的 Q 置为 1，此时 ET=EP=1，使两片 74LS160 组成的 21 进制计数器（即出租车自动计费器课程设计里程单价计数器）开始对标准脉冲计数， （标准脉冲 CP1 由时钟电路提供）计满 21 个脉冲后，Rd 端得到的清零脉冲而使计数器清零，R-S 触发器的 Q1 输出为 零，计数器停止计数，由于 Q1=1，则 P2=CP1 使 P2 端输出 21 个脉冲信号，代 表每公里行车的里程计费，即每个脉冲计费是 0.1 元，称为脉冲当量，P2 输出的 脉冲当量送到总费计数器进行计数累加。 等候时间计费电路工作原理： 等候时间计费电路由等候时间计费器和十分钟 单价计数器组成， 由三片 74LS160 构成 600 进制等候时间计数器， 对秒脉冲 CP2 （来至时钟电路）做计数，当计满一个循环时，也就是等候时间满十分钟，一方 面对 600 进制计数清零，另一方面将基本 R-S 触发器 Q2 置 1，启动由 74LS160 构成的十分钟单价计数器工作，它是一个 6 进制计数器，计数期间同时将脉冲从 P1 输出，在计数器计满十分钟等候单价时 R-S 触发器复位为0，止计数。等候时间起始信号由手动开关给定。 (3)设计模块: 1. 计费模块: 根据出租车计费原理, 将出租车计费部分由 3 个计数器来完成分别为计数 器 A 完成车费十位。计数器 B 完成车费个位.计数器 C 完成车费角。 2. 车费的显示模块 由动态扫描电路来完成. 用专用模块来实现, 完成数据的输入即动态数据的显示.(4)总体框图: 图2.1 方案一总体框图 单元电路设计本节主要介绍系统译码显示电路、计数器、等候时间显示电路的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元之间的联接关系；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各单元功能介绍及电路设计本系统主要分为3个单元，它们分别是：译码显示电路、计数器和等候时间电路。各单元功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1译码显示设计1、译码显示电路的作用：译码显示电路的作用将数字钟的计时状态直观清晰地反映出来,被人的视觉所接受。本设计的显示器件现用LED管。2、本模块用到的器件有74LS160、四段LED数码管、与非门等。3、译码管电路结构框图 图3.1 译码显示框图4、译码管具体电路电路: 图3.2 译码显示电路3.1.2 计数器电路设计1、计数器的作用： 就是将 555 产生的信号来记录汽车的路程。可以将高位片的 (BCD 码的权 2)和(BCD 码的权 4)的输出状态送到一与门，与门出来的 信号再送给高位片的清零端作为复位信号。2、计数器由555定时器、7490计数器、74160计数器、与非门等元器件构成。其原理是用555来记录汽车路程，高位片的 (BCD 码的权 2)和(BCD 码的权 4)的输出状态送到一与门，与门出来的 信号再送给高位片的清零端作为复位信号。3、具体电路 图3.3 计数器模块电路.3.1.3 等车时间显示电路设计1、 该的功能是记录出租车停车的时间。2、 该由555，74LS290,Jk 触发器构成，完成每分钟的等候时间的收费。再通过 74LS160 经译码显示。3、 模块框图： 图3.4 等车时间显示框图4、 模块具体电路如下： 图3.5 等车时间显示电路图3.2电路参数的计算及元器件的选择下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。3.2.1 译码显示电路元器件选择本模块所选电源为直流电源12V、74LS160计数器、四段LED显示管、与非门。3.2.2 计数模块电路元器件选择由555定时器、74LS160计数器、与非门等元器件构成。直流电源电压选择3V，电阻选择10K和1000K。3.2.3 等车时间显示电路器件选择本模块电路由555定时器、与非门、74LS160、电阻0.5K、电源电压5V、开关一个。3.3特殊器件的介绍本系统中主要使用了如下一些功能器件：555定时器、RS触发器、74LS160。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。3.3.1 555定时器介绍1：555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 2：引脚功能1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。 3脚：输出端Vo 2脚：低触发端 6脚：TH高触发端 4脚：是直接清零端。当此端接低电平，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：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：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。3：555定时器的参数表：输入输出阀门输入端6触发输入端2复位端4输出端3放电管T 7端00导通2/3VCC2/3VCC1/3VCC10道通1/3VCC1不变不变 表3.1 555定时器参数表 3.3.2 RS触发器介绍1：把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器。它有两个输入端R、S和两个输出端Q、Q非。2: RS触发器: 图3.6 RS触发器逻辑图3：RS触发器的功能表： 表3.2 RS触发器功能表SRQQ非000000110100011010011011110011003.3.374LS160计数器介绍 1：74LS160 为可预置的十进制计数器， 共有 54/74160 和 54/74LS160 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如表 3-1 下表是 74LS160 的主要电器特性 异步清零端/MR1 为低电平时，不管时钟端 CP 信号状态如何，都可以完成清零 功能。 74LS160 的预置是同步的。 当置入控制器/PE 为低电平时， CP 上升沿作用下， 在 输出端 Q0-Q3 与数据输入端 P0-P3 一致。对于 54/74160，当 CP 由低至高跳变或 跳变前，如果计数器控制端 CEP、CET 为高电平，则/PE 应避免由低至高电平的 跳变，而 54/74LS160 无此种限制。 74LS160 的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的。 当 CEP、 CET 均为高电平时，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。对于 54/74LS160 的 CEP、CET 跳变与 CP 无关。 74LS160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平 脉冲，其宽度为 Q0 的高电平部分。 在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。 对于 54/74LS160，在 CP 出现前，即使 CEP、CET、/MR 发生变化，电路的功能 也不受影响。 2：管脚图： 图3.7 74LS160管脚图 3:74LS160内部电路图： 图3.8 74LS160内部管脚图 .3.4 总体模块连接电路： 图3.9 总体模块连接图 4. 系统调试本设计用Multisim仿真软件对译码显示电路模块、计数器模块和等候时间电路模块进行了仿真。.5 系统功能与参数指标本节主要介绍本设计所设计的出租车计费器所能实现的具体功能。5.1系统能实现的功能1、此设计的出租车计费器计费包括起步价、行车里程计费、等待时间计费3部分。数码管能显示的金额最大99.9元，精确到0.1元。2、程3公里内，且等待累计时间3分钟内，起步费为8元，超过3公里，以每公里1.6元计费，等待时间单价为每分钟1元。3、两位数码管显示等待时间，最大值为59min。5.2 系统参数指标1、系统电源有效参数为:5V0.02V，12V0.02V。2、LED数码管上显示为0-9的十进制数字。3、系统的频率维持在1KHZ左右。5.3 调试方法与内容 数字电路系统的设计完成后，一个重要的步骤是安装调试。这一步是对设计内容的检验，也是设计修改的实践过程，是理论知识和实践知识综合应用的重要环节。安装调试的目标是 使设计电路满足设计的功能和性能指标，并且具有系统要求的可靠性、稳定性、抗干扰能力。这里简要叙述安装调试数字电路的几个步骤：（1）检测电路元件 最主要的电路元件是集成电路，常用的检测方法是用仪器测量、用电路实验或 用替代方法接入已知的电路中。 集成电路的检测仪器主要用集成电路测试仪，还可用数字电压表作简易测量。 实验电路则模拟现场应用环境测试集成芯片的功能。替代法 测试必须具备已有的完好工作电路，将待测元件替代原有器件后观察工作情况。除集成电 路芯片外， 还应检测各种准备接入的其他各种元件， 如三极管、电阻、电容、开关、指示灯、数码管等。应确信元件的功能正确、可靠才能装入电路安装。 （2）电路安装数字电路系统在设计调试中，往往是先用面包板进行试装，只有试装 成功，经 调试确定各种待调整的参数合适后，才考虑设计成印制电路。试装中，首先要选 用质量较好的面包板，使各接插点和接插线之间松紧适度。安装中的问题往往集中在接插线 的可靠性上，特别需要引起注意。安装的顺序一般是按照信号流向的顺序，先单元后系统、边安装边测试的原则进行。先安装调试单元电路或子系统，在确定各单元电路或子系统成功的基础上，逐步扩大电路的 规模。各单元电路的信号连接线最好有标记，如用特别颜色的线，以便能方便断开进行测试。 （3）系统调试将安装测试成功的各单元连接起来，加上输入信号进行调试，发现 问题则 先对故障进行定位，找出问题所在的单元电路。一般采用故障现象估测法（根据故障情况估 计问题所在位置）、对分法（将故障大致所在部分的电路对分成两部分，逐一查找）、对比法（将类型相同的电路部分进行对比或对换位置）等。 系统测试一般分静态测试和动态测试。静态测试时，在各输入端加入不同电平值，加 高电平（一般接 1 千欧以上电阻到电源）、低电平（一般接地）后，用数字万用表测量电路 各主要点的电位，分析是否满足设计要求。动态测试时，在各输入端接入规定的脉冲信号，用示波器观察各点的波形，分析它们之间的逻辑关系和延时。除了调试电路的正常工作状态外，另外特别要注意调试初始状态、系统清零、预置等 功能，检查相应的开关、按键、拨盘是否可靠，手感是否正常。6 结论本次所设计的出租车计费器实现最大金额为99.9元的计费,计费金额精确到了角。同时也能实现出租车司机按下开关后在等车过程中计费，等车重大时间为59分钟，让后再根据所等的时间计费。本次所设计的出租车计费器，操作简单，电路结构清晰明了，充分结合了所学的数电知识，但是由于所选芯片个数的局限性，该计费器计费金额最高位只能是十位，而且电路各模块之间的连接也需要认真分析，仔细连接，极易出现连线错误，如果乘客的路程比较远的话，那么会出现报错，进而失去了它应有的功能。较当下的出租车计费器，本次所设计的计费器还只停留在行业的最基础阶段，计费金额也只停留在100元以内，因此需要今后的不断改进与创新。在今后的改进方面，可以通过选择合理的元器件，尽量实现计费金额更大，同时所选芯片越少，电路越简单越好。根据我们所查阅的资料，单片机的功能十分强大，而且较运用555、74LS160等组成的逻辑电路简单明了的多。因此，在今后对计数器改进方面，可以采用单片机，会给我们带来许多意外的惊喜。7 总结与体会这两周的实习让我对我们数电有了更多的认识。 当然包括在这两周中我们这组做的出租车计费器,不仅对它的内部结构有了认识,更对其内部芯片等的作用有了更多的了解.我们没有学习单片机,我们知道单片机做这个会更容易,虽然费了很大的劲才办成了这一件小事,但是我们还是很享受我们成功后的喜悦。 在这次实习过程中,我们遇到了很多问题,而在所有问题中最主要问题是整个电路的连接问题。我们最初的办法是将整个模块分块做出来,当每个模块都运行正确的时候再将他们整合在一起.