1、課 程 設 計 說 明 書題 目： 電話脈沖按鍵顯示器專 業： 電氣工程與自動化年 級： 2010級學 生： 學 號： 指導教師： 完成日期： 2012 年 06 月 24 日電話脈沖按鍵顯示器摘要：電話脈沖按鍵顯示器主要由4000系列芯片（40174鎖存器,4508譯碼器）和74HC147編碼器組成。該電話脈沖按鍵顯示器除具有準確顯示和反映按鍵數字功能外，還具有清零、定時熄滅和逐位顯示功能。當用戶輸入號碼時，顯示器顯示從低位向高位前移，逐位顯示按鍵數字；重新按鍵時，可用清零按鈕清除顯示；在掛機2分鐘或者按下熄滅按鈕后，顯示器熄滅。系統通過Proteus仿真軟件驗證了其理論設計的正確性。關鍵詞

2、：脈沖，顯示器，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

3、. 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.

4、Keywords: Pulse, Monitor, 4000 series chip, Proteus23目錄1 前言11.1 設計背景11.2 設計概述12 總體方案設計32.1 方案比較32.2 方案論證42.3 方案選擇43 單元模塊設計53.1 按鍵脈沖電路53.2 定時消隱功能電路73.3電路參數的計算及元器件的選擇93.4特殊器件介紹94 軟件簡介135 系統調試145.1 仿真電路總圖145.2 系統仿真參數設置145.3 功能調試145.4 調試結果分析196 系統功能指標參數206.1 系統實現的功能206.2 系統指標參數測試206.3 系統功能及指標參數分析207 結論2

5、18 設計總結228.1 設計的收獲體會228.2 對設計的進一步完善提出意見或建議229 致謝2310 參考文獻24附錄：系統的仿真總圖251 前言1.1 設計背景隨著科技的發展,電話越來越普及。與此同時設計電話按鍵脈沖顯示器操作簡單，不但成本低，體積小，而且操作簡單，因此成為小規模知識競賽之首選。對與我們學生來說電話脈沖按鍵顯示器也是比較適合初學者設計的一個課題。1.2 設計概述基于電話脈沖按鍵顯示器自身的一些優勢如原理簡單，設計的器件大多為較為常見的器件等。本文的目的是使用比較常用的器件設計可實現逐位顯示按鍵數字的顯示器。本次課題主要目的是培養我們自主動手設計能力和解決問題的能力，加強我

6、們對數字信號、模擬信號的認識和運用，讓我們對電子設計有一定的認識。1.2.1設計目標用數字和模擬集成電路芯片以及配套的分立電子元件來設計電話脈沖按鍵顯示器電路，該電路可以實現：基本功能：1、能準確顯示和反映按鍵數字（共計12位按鍵）。2、顯示器顯示從低位向高位前移，逐位顯示按鍵數字，最低位為當前輸入位；3、重新按鍵時，能首先清除顯示。發揮部分：1、 在掛機2分鐘或者按下熄滅按鈕后，顯示器熄滅。2、 熄滅的同時清零1.2.2技術路線要實現該設計，就應把整個電路分為幾大模塊。分別是按鍵脈沖模塊，鎖存模塊，譯碼顯示模塊，定時熄滅模塊。先通過對各個模塊進行設計、調試之后再將其組合起來進行整機調試。1.

7、2.3實施計劃首先就是要理清實現設計的框圖，在總體框圖的指導下，作出具體的電路圖，由要設計實現的功能，計算出各個電路元件的值，并逐一對各個元件進行選擇。最后用仿真軟件對設計進行仿真操作，調試軟件，并對照出的設計有誤的地方進行必要的修正，確保設計的正確。1.2.4必備條件要實現該電路的設計，首要的就是要制定出設計的實現框圖，并在老師的指導和參照資料的條件下作出具體電路圖，選定實現實現該設計的各種元器件。另外，還應由必要的軟件幫助設計完成。2 總體方案設計對同一種目的的實現，可以用不同的方案，下面就著重介紹以下兩種方案對同一目的的實現方法。并比較兩種方案的優劣。2.1 方案比較2.1.1 方案一系

8、統框圖如圖2.1所示。圖 2.1 方案一的系統框圖脈沖按鍵輸入編碼電路譯 碼電 路數 字顯 示移位寄存器時鐘脈沖產生定 時電 路清零控制工作原理簡述：接通電源后，用戶輸入一個數字，給移位寄存器和譯碼器一個脈沖，使其選通，數碼管顯示所輸數字；當新按鍵脈沖來后，通過移位寄存器串聯延時實現逐位顯示按鍵數字；需要重新按鍵時可以用清零按鈕實現清零；通過555集成定時器和計數器定時120秒實現滅燈功能，并同步清零。2.1.2方案二系統框圖如圖2.2所示。工作原理簡述：接通電源后，用戶每輸入一個數字，給鎖存器和譯碼器一個脈沖，使數碼管顯示所輸數字；當新按鍵脈沖來后，通過鎖存器串聯延時實現逐位顯示按鍵數字；需

9、要重新按鍵時可以用清零按鈕實現清零；通過555集成定時器和計數器定時120秒實現滅燈功能，在120秒內用戶再拿起話筒時，定時電路無效并清零。圖2.2 方案二的系統框圖脈沖按鍵輸入編碼電路譯 碼電 路數 字顯 示鎖 存器時鐘脈沖產生定 時電 路鎖 存器清零控制2.2 方案論證 方案可行性分析：對于方案一不可行，因為數碼管顯示熄滅后不能再次顯示數字，而且不能實現同步清零，即會保留上次所輸入號碼。并且移位寄存器管腳比鎖存器更復雜，且需要兩片級聯才能實現12位數字顯示。對于方案二可行，是在方案一的基礎之上進行修改和完善的。采用的是當用戶掛機時計數，拿起話筒計數器清零。且用鎖存器實現數字逐位顯示，思路清

10、晰且不會遇到移位寄存器級聯延遲的問題。2.3 方案選擇比較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們所常用到的一些元件比如：555，74HC147、4508、40174、74LS161以及開關、電容、電阻、門電路等一些我們所學過，用過的基本器件；從操作行和可行性上說方案二思路清晰，成品的使用方便，芯片功能端能綜合利用等優勢；從自身的勢力上來說，方案二略顯復雜一些，但由于本次設計是第一次將數字電子電和模擬電子運用于實際的電路設計中，我們尚未完全的掌握這2門知識，并且不能將理論知識熟練應用到實際電路中，因而對電路還不能達到最優化的設計，所以綜合各個方面的因數，我選

11、擇了方案二做為本次課題的主要研究對象，本文也將注重介紹方案二的設計方法。3 單元模塊設計本節主要介紹系統各單元模塊的具體功能、電路結構、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯接關系；同時本節也會對相關電路中的參數計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。3.1按鍵脈沖電路該部分電路要完成兩個功能：通過按鍵脈沖的輸入準確顯示數字；給鎖存器和譯碼器一個脈沖，選通并實現移位顯示數字。3.1.1 數字按鈕如圖3.1所示該電路由開關09所組成的數字鍵和清零、消隱按鍵共十二位按鍵組成，按鈕開關應為常開型，當按下開關時，開關閉合，輸入信號；當松開開關時，開關自動彈出。圖 3.1 按鍵輸入按鈕3.1.2編碼電路

12、如圖3.2所示數字輸入電路由非門，按鈕和編碼器組成。在輸入數字信號前，編碼器輸入端無效，輸出為高電平，接非門后連接下一級。當有效數字脈沖輸入后，編碼器相應端輸入低電平，開始編碼；若需輸入數字0，則不經過編碼器直接輸入一個脈沖。圖 3.2按鍵輸入按鈕3.1.3 鎖存譯碼顯示電路鎖存譯碼顯示電路主要由鎖存器40174、譯碼器4508及數碼管組成，其電路圖如圖3.3所示。通過編碼器74HC147編成的二進制代碼送至第一個鎖存器鎖存，鎖存后的BCD碼再送至4508譯碼器譯碼到數碼管顯示相應的數字。當1到9按鍵都沒有按下時，由于編碼器輸出端都是高電平，經過40174后使4508的輸出全為低電平，因此數碼

13、管全部顯示為零。為了解決不能顯示數字零的問題，在74HC147的前面接有一個按鈕直接控制譯碼器選通。當有按鍵脈沖輸入后，編碼器的數據送到40174的輸入端，同時經過有一個或門將高電平送到40174的脈沖輸入端，此時數據就能通過輸入端進入鎖存器40174送出；當高電平降到低電平時，40174輸出段保持輸出，同時再將此輸出信號送到下一片40174的輸入端，進而實現了數據的移位和鎖存輸出。脈沖產生的同時也使4508的STB段產生了一個高電平，使4508進行選通功能，從而使40174的輸出端的數據送到4508的輸入端，再進行譯碼顯示。圖3.3 鎖存譯碼、顯示電路3.2 定時消隱功能電路該部分主要完成兩

14、個功能：1、在掛機2分鐘或者按下熄滅按鈕后，顯示器熄滅。2、熄滅的同時清零定時電路部分主要由555定時器、十六進制同步加計數器74LS161減法計數電路、40174鎖存器及相關電路組成。具體電路如圖3.4所示。555定時器提供每秒一次的脈沖輸入，兩塊74LS161實現加法計數，通過開關SW1模擬話筒的掛機與拿起,當開關選通時，脈沖輸入并開始計數，計數119次加上延時即約120秒后經與非門輸出低電平，由鎖存器鎖存輸出至4508消隱端，實現數碼管熄滅。當開關斷開時，脈沖無法輸入，同時計數器清零端為低電平有效，便于在下一次掛機時開始計數。熄滅按鈕與定時電路部分輸出通過或門相連，都能使數碼管熄滅的功能

15、。圖3.4 消隱功能電路圖 3-63.3 電路參數的計算及元器件的選擇3.3.1按鍵脈沖電路選用了10個按鈕作為0到9數字信號的輸入按鍵和一個清零按鈕，編碼器74HC147，十二個鎖存器40174和4508譯碼器，一個11相輸入或門，十二個數碼管作為數字顯示。3.3.2 消隱功能電路定時電路用了兩個計數器74LS161,兩個BCD碼譯碼器4508,一個555和兩個電阻R10、R11、兩個電容C1、C2組成的多諧振蕩器，為計數器提供時鐘信號。多謝震蕩的頻率,而取3.4 特殊器件介紹3.4.1 編碼器74HC147如圖3.5所示，該圖為74HC147的引腳圖。編碼器74HC147是9線輸入4線輸出

16、的二進制編碼器，其輸出為反碼。當幾個輸入信號同時出現時，只對其中優先權最高的一個進行編碼。其中I9優先權最高，I1的優先權最低。當I9=0時，無論其它輸入端有無輸入信號（表中以X表示），輸出端只給出I9的編碼，即DCBA=0110。當I9=1、I8=0時，無論其余輸入端有無信號，只對I8編碼，輸出DCBA=0111。其余的輸入狀態依次類推。編碼后輸出通常要接反相器使其輸出正碼，如I9的編碼，即DCBA=1001，再接下一級。圖3.5 74HC147的引腳圖3.4.2 鎖存器40174如圖3.6所示，該圖為鎖存器40174的引腳圖。鎖存器是最簡單的數據存儲部件，基本鎖存器由兩個交叉耦合的門電路組

17、成。其中D0D5為數據輸入端，Q0Q5為數據輸出端，CLK為輸入數據鎖存端，MR為清零端。當鎖存器CLK輸入端為低電平時，可將輸入數據DOD5暫時存放在鎖存器內部，一旦當CLK端有脈沖輸入，暫存數據才反映到輸出數據端Q0Q5H上。如果將MR端接低電平，則40174輸出直接為低電平。圖3.6 40174引腳圖3.4.3 BCD譯碼器4508如下圖3.7所示，該圖為BCD碼譯碼器。其中D0D5為BCD碼輸入端，Q0Q5為譯碼輸出端，當STB為高電平時數據正常通過，低電平時鎖存數據；OE為高電平時數碼管熄滅，OE端為低電平時正常譯碼；MR為清零端，為高電平時有效，直接清零。3.4.4 計數器74LS

18、161如下圖3.8所示，該圖為十六進制計數器。74ls161的MR端具有異步清零作用。當清除端（MR）為低電平時，不管時鐘端（CPD、CPU）狀態如何，即可完成清除功能。161 的預置數是同步的，需要時鐘脈沖CP觸發CLK，輸出端（Q0Q3）才可預置成與數據輸入端（P0P3）相一致的狀態。其中ENT，ENP為高電平時正常工作，為低電平時保持計數。圖3.7 4508引腳圖 圖3.8 74LS161引腳圖3.4.5 555時鐘芯片如圖3.9，555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：1腳：GND(或Vss)外接電源負端VSS或接地，一

19、般情況下接地。8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V，CMOS型時基電路VCC的范圍為318V。一般用5V。|3腳：OUT（或Vo）輸出端。2腳：TR低觸發端。6腳：TH高觸發端。4腳：R是直接清零端。當R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個5k的等值電阻串聯而

20、成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個結構相同的集成運放C1、C2組成。高電平觸發信號加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS觸發器R端的輸入信號；低電平觸發信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS觸發器S端的輸入信號。基本RS觸發器的輸出狀態受比較器C1、C2的輸出端控制。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器C1、C2基準電壓分別為2/3Vcc，1/3Vcc. 圖3.9 555引腳圖4 軟件簡介Prote

21、us軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。具有4大功能模塊 革命性的特點： （1）互動的電路仿真。用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路?？梢苑抡?1系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Protues建立了完備

22、的電子設計開發環境。具有4大功能模塊u 智能原理圖設計（ISIS）豐富的器件庫超過27000種元器件，可方便地創建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰；可輸出高質量圖紙。u ProSPICE混合仿真：基于工業標準SPICE3F5，實現數字/模擬電路的混合仿真；超過27000個仿真器件：可以通過內部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件，Labcenter也在不斷地發布新的仿真器件，還可導入第三方發布的仿真器件。 u 獨特的單片機協同仿真功能

23、支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。u 實用的PCB設計平臺 先進的自動布局/布線功能；支持器件的自動/人工布局；支持無網格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設計更為合理；完整的PCB設計功能；可以輸出多種格式文件。5 系統調試5.1 仿真電路總圖見附錄所示。5.2系統仿真參數設置在系統調試之前，我們需要對系統進行參數設置，如表5.1所示。序號編號參數序號編號參數序號編號參數1R110K17C210uF33U1645083R310K19U24017435U1845084R

24、410K20U34017436U1945085R510K21U44017437U2045086R610K22U54017438U2145087R710K23U64017439U2245088R810K24U74017440U2345089R910K25U84017441U24450810R1043K26U94017442U25450811R1150K27U104017443U2655512R121028U114017444U2774LS16113R1310K29U124017445U2874LS16114R141K30U134017446U2974HC14715R010K31U14450847

25、16C110uF32U15450848表5.1 元件參數表5.3 功能調試通過這幾天的的理論設計, 為了驗證對理論應用的正確性，選用Proteus軟件進行仿真，驗證所設計的電路能否實現準確顯示和反映按鍵數字，能否實現數字從低位向高位逐位顯示及清零，當定時時間到能否消隱，在消隱后能否再次正常工作。5.3.1 鎖存譯碼顯示電路圖5.1 按鍵脈沖電路5.3.1.1 調試目的測試譯碼顯示電路是否具有能準確顯示和反映按鍵數字，并且數字從低位向高位逐位顯示，最低位為當前輸入位;當重新按鍵時，能首先清零的功能。5.3.1.2 調試電路調試電路如圖5.1所示。5.3.1.3 調試結果1、假設用戶按下數字5時，

26、編碼器對5進行編碼，其顯示結果為如圖5.2所示。2、假設用戶接著依次按下數字按鈕0,2,3時，其顯示結果為如圖5.3所示。3、當調試移位成功后，按下清零按鍵時，結果如圖5.4圖 5.3 數字顯示 圖 5.4 清零顯示 圖 5.2 數字按鍵5輸入 5.3.2 定時消隱電路5.3.2.1 調試目的調試定時電路能否實現120秒后或直接按鍵消隱，。5.3.2.2 調試電路定時電路如圖5.5所示。5.3.2.3 調試結果1、假設已輸入數字88，其顯示結果如圖5.6所示。2、打開開關120秒時，其顯示結果如圖5.7所示。3、閉合開關后，其顯示結果如圖5.8所示 圖 5.6 預先輸入數為88圖 5.7 打開

27、開關120秒圖 5.8閉合開關 圖 5.5 定時消隱電路5.4 調試結果分析5.4.1 調試電路已實現的功能通過先分步調試后整體調試的方法，本設計已實現了逐位顯示按鍵數字，通過清零按鈕一鍵清零和120秒后自動消隱清零的功能。5.4.2 調試中遇到的問題和此電路的不足在調試的過程中遇到了許多的問題，主要在于如何實現從低位到高位逐位顯示數字及如何用按鍵脈沖選通鎖存器、譯碼器，如經比較譯碼器4511和4508的詳細功能后，選擇4508有利于減少連線和實現消隱同步清零；并且定時部分用74LS161計數器計數120秒實現熄滅后，遇到了只能消隱1秒的問題，經反復調試和對161電路的分析知道，需要加入一個鎖

28、存器和由兩個開關組合而成的同步開關連接到計數器清零端，實現反復計數消隱功能。此電路的不足在于使用元器件較多，結構連線復雜，耗能較大。6 系統功能指標參數6.1 系統實現的功能該系統能夠準確顯示和反映按鍵數字，并將顯示從低位向高位前移，逐位顯示，其中最低位為當前輸入位；當按下清零鍵時，能清除顯示；在掛機2分鐘或者按下熄滅按鈕后，能自動使顯示器熄滅并同時清零。6.2 系統指標參數測試對于本設計系統的參數測試，先分部分解決所需功能，并將我們電路的各部分分開進行仿真。對此部分仿真可用到仿真軟件proteus。在對每個部分仿真達到正確結果后，然后將各個模塊連接起來進行整體測試。經過仿真證明我設計的電話脈

29、沖按鍵顯示器電路工作正常，能實現所需功能。6.3 系統功能及指標參數分析通過前面的參數計算和仿真的如系統各元件的參數表如表6.1所示。表6.1 元件參數表7 結論該設計用仿真軟件proteus的驗證了理論分析結果的正確性。此次課程設計經過為期2周的不懈努力，目前基本達到了預期的要求，通過對整個系統的調試，可得到如下結論：能準確顯示和反映按鍵數字，顯示器顯示能從低位向高位前移，逐位顯示按鍵數字，最低位為當前輸入位；當重新按鍵時，能首先清除顯示；在掛機2分鐘或者按下熄滅按鈕后，能自動使顯示器熄滅并同時清零。學會了通過40174鎖存器和4508譯碼器實現數字移位功能，尤其是理解了40174的上升沿觸

30、發和4508的高電平選通功能，實現了按鍵脈沖輸入數字信號并逐位顯示的功能。同時也更加的理解了555定時器組成的多諧觸發器和74LS161計數器可以組成時間控制電路，以及74HC147編碼器的使用方法。不過，這個設計還是有它的不足之處。首先就是電路設計有些復雜，元器件種類和數目有點多，它們會耗費掉一定的電力。其次布局還需要一定優化，減少占用空間。8 設計總結8.1 設計的收獲體會在動手設計之前，參考了許多相關的資料。在設計中又參考了以前學過的按鍵脈沖輸入的原理，有了基本思路。但著手設計時，又出現了許多未預料到的問題，例如元件的選擇：在選擇實現移位功能的器件時，是用移位寄存器還是用鎖存器，經過慎重思考，最終選擇了鎖存器40174。因為需要顯示輸入的數字，所以選擇了數碼顯示管，相應的選擇了譯碼器4508，用它將輸出的二進制代碼譯成相對應的高、低信號，用其作為數碼顯示管的驅動信號。在定時電路中，根據設計需要選擇了555定時器組成的多諧振蕩器來產生脈沖，并用74LS161計數器來設定數碼管消隱時間。在一些設計原理上也遇到了許多新問題。如發現當數字消隱后，不能再次亮起，經同學以及老師的幫助，發現適當的改變開關的型號和位置，能解