电子课程设计_公用电话计时器

简易计时器的设计

摘要本设计是用中小规模集成电路设计一个公用计时系统。通过本设计使其完成以下几项基本功能：每3分钟计时一次；显示通话次数，最多为99次；每次定时误差小于1秒；具有手动复位功能；具有声响提醒功能，计数器译码显示，声响提醒3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。声响提醒电路由555集成电路完成。

关键词复位、声响、计数器、分频器

目录

1设计任务与基本要求 (2)

1.1设计任务 (2)

1.2基本要求 (2)

2系统总体方案 (3)

2.1系统工作原理 (3)

2.2系统设计框图 (3)

3单位电路模块设计 (4)

3.1标准信号源 (4)

3.2分频器 (5)

3.3分钟定时器 (6)

3.4通话次数计数器显示电路 (8)

3.5复位电路 (10)

3.6声响提醒电路 (11)

4 调试及结果 (14)

4.1 标准信号源调试 (14)

4.2 3分钟信号测量 (14)

4.3 计数显示电路调试 (14)

4.4 声响提醒电路调试 (14)

4.5 结果

5 课程设计体会 (15)

6 参考文献 (16)

附：总电路图 (17)

1.设计任务与基本要求

1.1设计任务

用中小规模集成电路设计一个公用计时系统。

1.2基本要求

1)每3分钟计时一次。

2)显示通话次数，最多为99次。

3)每次定时误差小于1秒。

4)具有手动复位功能。

5)具有声响提醒功能。

本设计主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成，其工作原理为：当按下复位按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始， 3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。该设计分频器，3分钟定时器主要由12位异步二进制计数器/分频器CD4040来实现，通话次数计数器显示电路由二位十进制计数器完成，采用中规模集成计数器CD4029，74LS47组成。声响提醒电路由555集成电路完成。

2.系统总体方案

2.1工作原理

当按下抚慰按键时，复位电路保证3分钟电路及二位十进制计数器同时清零，此时通话次数为零。当松开复位按键时，计时开始，此时由标准信号发生器产生的f

=32768Hz信号经过十

二级分频得到的f

0=8Hz脉冲输入3分钟定时器，选用f

=8Hz的原因时考虑到设计要求定时精

度所选定的。3分钟定时器的功能时每三分钟输出一个脉冲，该脉冲被送到计数译码器显示电路，便显示出通话次数；同时该脉冲被送到声响提醒电路，可控制声响时间及声调，实现声响提醒功能。

2.2 系统设计框图

如图1为该计时器的工作框图，主要有标准信号源，分频器，3分钟定时器，计数器译码显示，声响提醒等电路组成。

图1. 计时器的工作框图

3.单位电路模块设计

3.1标准信号源

CD4011是四-2输入与非门集成电路,CD4040是12位二进制串行计数器/分频器是由T型触发器组成的二进制计数器，多位二进制计数器主要用于分频和定时，使用极其简单和方便。产生脉冲信号的电路很多，例如由集成门电路构成的多谐振荡器，由555定时器组成的方波发生器等。由于该标准信号源要求频率稳定性及输出信号精度比较高，故采用由CD4011与非门（CMOS）电路及晶体原件组成的多谐振频率的信号如图2所示，晶振的标称频率为32768Hz。

由于石英晶体的选频特性非常好，只有其串联谐振频率的信号才最容易通过，而其他频率会被晶体大大衰减，所以电路在满足震荡的条件下，其输出频率仅取决于晶体的标称频率，与其他原件参数无关。电路中的电阻R是保证G1门工作在线性状态而加入的，电容C抑制告辞谐波，以保证输出频率稳定。G3门是为了改善输出波形质量，增加带负载能力而加入的缓冲级。

图2 标准信号源电路及分频器

3.2 分频

由于f=32768Hz频率比较高，为了得到低频信号且又能满足定时要求的脉冲，可采用CD4040二进制计数器/分频器进行分频。

CD4040是由12个T型触发器组成的串行二进制计数器/分频器。复位端高电平有效，2个输入端，一个是时钟CP，一个是复位清零端，有12个分频输出端Q1-Q12,最大分频系数为

212=4096， n位二进制计数器的最高位输出信号的频率f

n 与计数器脉冲频率f

cp

的关系为

f

n =f

cp

/2n 现选择12位异步二进制计数器CD4040，则CD4040计数器最高位输出频率为

f

12=f

=fcp/212=8Hz 电路如图2，CR为清零端。

表1 CD4040功能表

3.33分钟定时器

CD4001的输入阻抗很高，所以对微弱的电流很敏感。当感应电的功率很小时，虽然有电压，但电流太低，所以说这种情况下高阻输入由于对电流的需求很小，只要电压就可以触发，所以使用它的时候，对人体的触摸会有反应。无论是人还是钳子，它都是导电的，尽管剪线的钳子外是绝缘的，于由它是金属的，它能接收空间中的任何无线电波，当它与触片接触时，金属间的空间电位差也会使这一瞬间产生放电而有电流进入CD4001，人体也不例外，而且人体比较大，接收空间中的电磁波能力更强。市电电源在灯的附近是必定存在的，电力线也产生很强的电磁辐射，事实上，人体触发它的时候，主要是人体接收到的交流感应信号(50Hz)作用在上边而触发的。可控硅与灯的电路是串联的，如果是单向的，会通过一个整流桥连接，这样对于灯来说，仍可通过双向电流，双向可控硅就直接与灯串联了，一般来说由于电路要用直流电，所以都采用单向可控硅加整流桥的方式，整流出来的电流兼作电源用。正因为这个原因，这种灯只能延时点亮，因为一旦触发，整流桥过来的电压被短路，只能通过一个二极管隔离开，使用电容中剩余的电量进行触发维持。另外，由于待机时必须有微弱的电流通过才能工作，所以只能用于白炽灯，若是节能灯，很可能就无法触发了。

该电路是本系统的关键。n 位二进制计数器的输出状态与计数脉冲的个数关系为：

(N)D =2n-1Q n-1+2n-2Q n-2+……+20Q 0

因为输入脉冲的周期T 0=1/f 0定时为3分钟=180秒所需要的输入脉冲的个数N 为：N=180/T 0=180f 0=1440个

又因为(N)D =(1440)D =()B 即要求计数器的模等于1440，利用反馈清零法，可设计出该电路 。如图3所示，当CD4040累计到1440个脉冲时，G1输出为1， G2输出为0， G3被置为1。一旦4040的CR 端为高电平，其输出立即被清零，由于CR 组成的触发器具有记忆功能，故G3输出不变，当f 0上升沿到来时，G3输出为0，CD4040的清零信号解除。可见G3输出的信号f T 是周期为3分钟，输出高电平为 1/16秒 的窄脉冲。二极管D1的作用见 图5.复位电路。