数电课程设计说明书-出租车计价器.doc

数电课程设计说明书 出租车计价器的设计说明姓名：班级：测控技术与仪器071201班学号： 2009年12月5日目 录第一章 绪 言第二章 概 述第三章 设计要求及技术指标第四章 电路设计及相关技术说明第五章 总 结第六章 参考文献第一章 绪 言通过学习数字电子技术这门课程，并在multisim 10.0（虚拟电子实验室）平台上对出租车计价器的电路搭建的设计使我们能熟练掌握和应用数字电子技术的相关章节里的概念，元器件，电路，逻辑门等等。同时能熟练应用multisim 10.0这个软件，掌握有关方法和技巧，初步了解电路设计及编写说明书的一般过程，为以后的学习工作打下基础。由于现代工业中集成电路的蓬勃发展，其应用前景十分广阔，展望其发展现状，几乎应用于各个领域。因而对大学生的设计提出了适用的要求，本实验说明书主要是通过对multisim 10.0此软件的应用，设计一个可以市场上最普遍，与人们生活惜惜相关的运行电路，那么出租车计价器贴近人们的生活，比较容易实现。出租车计价器是一种用数字电路技术实现计行车里程及计费的装置，具有更高的准确性和直观性，不受主观等外围因素的影响，能在电路上实现具有更便捷更公平的使用和折算方式，因此得到了出租车师傅和乘客们的欢迎。另外出租车计价器的电路设计从学习的角度考虑，这里主要介绍以中小规模集成电路设计出租车计价器的方法。从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路，实践理论的可能性更强。就目前而言，出租车计价器的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。所以此电路器件得到了广泛的使用。 由于本虚拟实验电路台上，有一些器件不存在，而且实验电路达到一定程度的芯片容量后，运行就会极慢，不适合整体搭建，所以就做了一些分电路，适合的时候，就可以进入整体电路，或者做成成品时才能看到电路的整体效果，目前只能看到各个分电路的运行状况。另外经过了数字电路设计这门课程的学习，特别经过了关于组合逻辑电路与时序逻辑电路等部分系统的学习，使我们具备了设计小规模集成电路的能力，借由本次设计的机会，将所学的知识运用到实际中去。虽然涉及并不是全部，只是一部分，但是却加深了理解，达到了融会贯通的目的。第二章 概 述实现的第一步首先是实现计数电路：行车里程计数，这样车轮的脉冲用下图的信号源产生，数码管前三位是代表百位，十位，个位，第四位代表小数。车轮转动的次数乘以车轮的周长就是行车里程，这样便可以实现里程计数。而里程计数和计价有关系，行车里程电路将汽车行驶的里程数转换成与之成正比的脉冲个数，然后由计数器译码器变成收费金额。实际中可用脉冲模拟，每前进10m，输出一个脉冲信号，前进1km，输出100个脉冲。计费为0.2元。电路经调试后，最终显示需要的电路。以下是各个电路的逻辑关系图：车轮脉冲数码管显示费用数码管显示行车里程计数器计数器译码器 图2-1行车里程与计费电路的逻辑图图2-1是图2-2电路中的逻辑关系图： 图2-2行车里程与计费电路脉冲发生器第一个数码管计数第一个计数器第二个计数器第二个数码管计数（到达五时）第一个计数器的使能端为低电平第一个计数器停止工作数码管显示为5.0元 图2-3起始价为五元且到五元后停止的逻辑电路 图2-4起始价为五元且到五元后停止的初始计费电路脉冲发生器第一个数码管计数第一个计数器第二个计数器第二个数码管计数（到达三时）第一个计数器的使能端为低电平第一个计数器停止工作数码管显示为三公里图2-5计里程三公里的逻辑电路数码管显示为三公里与主显示数码管比较大于触发图2-2行车里程与计费电路开始正常计费小于只显示五元坐车费用图2-6计数三公里的比较电路逻辑图图2-7计数三公里的比较电路图全局图2-8计数三公里的电路图局部图2-9计数三公里的电路图的逻辑分析图2-10计数三公里的比较电路图比较部分图2-11出租车计价器总体电路时间脉冲十进制计数器触发计费电路按时间设定计费增长到十图2-12停车时 时间计费电路逻辑图 图2-13停车时 时间计费电路全局图2-14停车时 时间计费电路计时部分图2-15一天中进入夜行驶状态变化计费方式的电路总图第三章 设计要求及技术指标电路设计要求1. 正常情况下，每前进10m，输出一个脉冲信号，前进1km，输出100个脉冲。计费为0.2元（行车里程计费电路将汽车行驶的里程数转换成与之成正比的脉冲个数，然后由计数器译码器变成收费金额。实际中可用脉冲模拟）。 2. 按启动键开始计费，起步价5元（3km内，含3km），没有乘客时，启动绿灯亮，表明为空车，有乘客时，启动红灯亮。3. 与3公里比较，大于等于3公里时启动下一个计数计费电路。 4. 当速度小于或等于120m/min改为0.1元/10s，小于10s不计费，若停车的时候，则以0.1元/10s计费，小于10s不计费。5. 停车的时候，则以0.1元/10s计费，小于10s不计费6. 晚上9：00以后第二天早上5：00之前，则起步价改为10元/5km。晚上等候时间单价改为0.2元/30s。7. 按开关键停止计费。8. 按空车键后计价器清零，启动灯灭，空车灯亮。电路调试要求：1） 利用multisim搭电路，逐步实现。2） 在multisim上进行调试。3） 调试编好的电路，对电路功能进行逐步核对。4） 修改已调好的电路，使之详细易懂简易。5） 核查电路并编写说明书，并对电路加以详细说明。技术指标1） 74ls160n由于是十进制计数器，那它的计数方式是由00000001001000110100010101100111100010010000进行计数。 图3-1 74ls160n芯片的真值表2） 四个74ls160n芯片可以实现四位有效数字的进位，本电路多次用到四位有效数值，包括计里程，计价，计脉冲，数字时钟的秒分时的三者进位，3km内5元的计数。图3-2 计里程的逻辑分析3） 两个74ls85n比较芯片，比较三公里和三公里时是否有计数。4） 本设计电路不是一下到位的置位（比如五元的电路，三公里的电路）电路，而是逐步涨上去的，没有输入功能。且只适用于一般情况。5） 实现了按启动键开始计费，起步价5元（3km内，含3km），没有乘客时，启动绿灯亮，有乘客时，启动红灯亮。按空车键后计价器清零，启动灯灭，空车灯亮。各类灯的有效控制。6） 停车的时候，则以0.1元/10s计费，小于10s不计费7） 晚上9：00以后第二天早上5：00之前，则起步价改为10元/5km。晚上等候时间单价改为0.2元/30s。按开关键停止计费。8） 比较器的与或门，控制了下一个计数器的启动时的使能端，达到了计数器对电路的有效控制。 图3-3 与或门控制使能端图3-3 74ls85n的真值表第四章 电路设计及相关技术说明第一步 实现计数功能：需要用到的芯片，基本器件： 图4-1 74ls160n十进制计数器需要用到四片74ls160n芯片，构成一个四位计数电路（前三位分别是是百位，十位，个位，最后一位是小数。），电路的计数功能让其实现。即这四个芯片构成的电路实现计价范围从000.0-999.9元这一功能，以及计数增量累加，动态显示的功能。74ls160n为异步复位、同步预置数的同步十进制加法计数器。第一个芯片的输出脉冲作为下一个计数器芯片的输入脉冲。以此类推。其中所有芯片的enp,ent,load以及clr端均接高电平，gnd端均接地。 表4-1 74ls160n的功能表rdldcpep et工作状态0xxx x清零10x x预置数11x0 1保持11xx 0保持111 1计数 图4-2 dcd_hex_green 数码管 图4-3 74ls85n比较计数器 图4-4 5伏电源 图4-5 脉冲发生器 图4-6 接地 图4-7 与非门 图4-8 与门最终的总电路连接为：第一个芯片为小数位，在脉冲激发的作用下，由小数位向个位进位：0000000100100011010001010110011110001001实现小数位的计数，采用的是置数的方式，当电路计数到1001的时候采用rco端口输出的低电平信号输出作为下级芯片（个位芯片）的信号，实现了小数位向个位的进位，而小数位，个位，十位和百位的显示有四个数码管来显示，控制则由下一位的rco端口输出的低电平信号控制。最后的小数位由脉冲信号发生器（模拟状态下将其视为车轮的转数）来控制。设计中注意到数码管（哪端为最低有效位，哪端为高位）与计数器的接法，从而实现正确的显示。 图4-9 计数电路计费电路也是这样。只是脉冲有计数电路传送，计费电路自身没有脉冲。靠外界输入。计费系统的显示控制，基本原理同计数系统，第一个芯片为小数位，在计数脉冲激发的作用下，（此时要注意的是多少个计数脉冲走过，才激发一下计费系统，达到计费系统的小数位计费）计数脉冲激发时由小数位向个位进位：0000000100100011010001010110011110001001实现小数位的计数，采用的是置数的方式，当电路计数到1001的时候采用rco端口输出的低电平信号输出作为下级芯片（个位芯片）的信号，实现了小数位向个位的进位，而小数位，个位，十位和百位的显示有四个数码管来显示，控制则由下一位的rco端口输出的低电平信号控制。最后的小数位由脉冲信号发生器（模拟状态下将其视为车轮的转数）来控制。设计中注意到数码管（哪端为最低有效位，哪端为高位）与计数器的接法，从而实现正确的显示。 图4-10 计费电路第二步 实现正常行驶情况下，每前进10m，输出一个脉冲信号，前进1km，输出100个脉冲。计费为0.2元。（即正常计费电路）如上图图4-9与图4-10的合电路。如图： 图4-11 一般情况下的计数计费电路 第三步 设计三公里内计费为五元的电路： 图4-12 计费为五元的电路说明：由于无法实现一开始就显示五元，只能让其很快的达到这个值，所以就设计了这个电路。对于显示控制，基本原理同计数系统，由脉冲向个位，个位向数码管显示时：000000010010001101000101产生了六个脉冲的时候向下级输出一个时钟脉冲，利用的是与非门，目标是实现正确的计数显示。在下图4-13中有两个与非门，u1a和u2a， u1a实现计数器u24（如图4-13）计数到五后向前一位进位，u2a则是实现计数器u19计数到五后，向计数器u24（74ls160n芯片）的置位端输出一个低电平信号，从而使u24停止计数。达到数值不变的目的。 图4-13 计费为五元的电路最终保持值不变三公里比较电路，此电路和五元电路一样，要快速达到20（图4-14 由于我设定的是三位，比较器第二位第三位，数码管相应显示，发生比较后，进行下一个使能端的触发。），计里程电路（图4-15）要同时启动，当计里程电路达到30之前时，二者一直在用比较器（图4-16）比较，设定比较器为大于等于时使下一个电路的使能端为高电平，这样使下一个电路开始计数，本电路同时用了三个四位计数器（图4-19）有一些繁琐，但是电路还是容易分清头绪的。 图4-14 三公里电路这里本应该去掉数码管，但是为了方便认识电路，所以没有去掉。上图被圈部分分别为第三位和第二位。即参与比较的位数。 图4-15 计里程电路第四步 比较器比较后，看是否给下一个使能端输出高电平：图4-16 比较电路此比较电路是用两块74ls85n集成块来实现的，实现8位比较器的功能。 图4-17 比较器比较后往下一个电路输出一个高电平的逻辑图转换图 图4-18 比较器输出电路比较器输出高电平，使下一个电路（计数器）开始计数。总里程数三公里相加为总费用三公里外剩下的里程数 图4-19 电路图矩形部分就是计数部分，也就是上面所说的比较繁琐的部分。椭圆两部分相加是总的费用。由于本次设计是在虚拟实验台上模拟的，由于条件的限制，有些电路加载到总电路中，总电路就带动不起来，不工作。所以有些电路只能以子模块的形式出现。下面介绍的就是本次设计中，出租车计价器的子模块。第五步 分钟和数值比较电路：首先说明一点就是本出租车计价器的车轮转数是依靠脉冲生成器产生的，停车等待时里程电路是不计数的，但是由于将脉冲生成器的频率设定为0hz时，整个电路要报错，不运行。所以电路只能理论上设计其分电路，并各自设计出来。下图为分钟电路： 图4-20 分钟和秒电路秒计数器的十位和个位，输出脉冲除用作自身清零外，同时还作为分计数器的输出脉冲。秒钟由个位向十位进位：0000000100100011010001010110011110001001实现个位的计数，采用的是置数的方式，当电路计数到1001的时候采用一个二输入与非门接上级输入的高位和低位输出作为下级的信号，实现了秒区的个位和十位的显示与控制。设计中注意到接的是一个与非门而不是与门，目标在产生一个时钟脉冲。实现正确的显示。由秒区向分区的显示控制，基本原理同上，在秒区十位向时区个位显示的时：000000010010001101000101产生了六个脉冲的时候向下级输出一个时钟脉冲，利用的还是与非门，目标仍是实现正确的计时显示。小时计数器是模24的计数器，其计数规律为00-01-23-00，选用两片74ls160n组成24进制计数器。在下图4-21中左面两个数显管中，显示小时。小时计时电路利用2个led数码管，两片74ls160n,一个74ls01n，一个时钟脉冲源组成，一个地，数码管显示00-23。 图4-21 停车时间计费电路停车时间计费电路实现了以0.1元/10s计费，小于10s不计费。第六步 实现夜行更改行车里程价格，等候价格均与昼行不同等功能。即夜行用夜行的电路计费。 图4-22 晚上9：00以后第二天早上5：00之前的计费电路所编电路说明：本出租车计价器共有3块子模板，分别为出租车计价器，停车时间计费电路，早5：00以前晚9：00以后计时计费电路。基本实现了一般的计费功能，如：正常的行驶计费功能，停车等候计费功能，不同时段的计费功能等等。最后再说明一下启动时的灯亮功能。1） 按启动键开始计费，没有乘客时，启动绿灯亮，表明为空车，有乘客时，启动红灯亮。 图4-23 计里程电路启动绿灯亮表明为空车计里程电路启动绿灯亮表明为空车，电路不计数。 图4-24 有乘客时启动红灯亮计里程系统开始计数2） 与3公里比较，大于等于3公里时启动下一个计数计费电路。启动时，三公里电路（图4-14）和计里程电路的蓝灯同时亮。起到提醒顾客和司机师傅的目的。 图4-25 等于3公里时计里程电路的蓝灯亮起 图4-26 三公里电路的蓝灯亮起3） 按开关键停止计费。每前进0.5km，计费0.1元停止计费键 图4-27 计费系统正在计费按下停止计费键，停止计费 图4-28 计费系统停止计费4） 按空车键后计价器清零，启动灯灭，空车灯亮。空车键 4-29 空车键按下后计价器清零启动灯灭空车灯亮电路具有的功能：该电路的功能基本符合了电路设计之初的要求和电路调试要求：1.正常情况下，每前进10m，输出一个脉冲信号，前进1km，输出100个脉冲。计费为0.2元（行车里程计费电路将汽车行驶的里程数转换成与之成正比的脉冲个数，然后由计数器译码器变成收费金额。实际中可用脉冲模拟）。 2.按启动键开始计费，起步价5元（3km内，含3km），没有乘客时，启动绿灯亮，表明为空车，有乘客时，启动红灯亮。3.与3公里比较，大于等于3公里时启动下一个计数计费电路。 4.当速度小于或等于120m/min改为0.1元/10s，小于10s不计费，若停车的时候，则以0.1元/10s计费，小于10s不计费。5.停车的时候，则以0.1元/10s计费，小于10s不计费6.晚上9：00以后第二天早上5：00之前，则起步价改为10元/5km。晚上等候时间单价改为0.2元/30s。7.按开关键停止计费。8.按空车键后计价器清零，启动灯灭，空车灯亮。故该设计到这里就算基本完成了。第五章 总 结到此，数字电子计数这门课中的出租车计价器的电路设计就完成了。由于时间很紧张，设计中有一些不完美，甚至是缺陷的地方，请谅解，从11月下旬开始设计，12月11日就要完成，天天有人熬夜，同时还要备考，备四级。由于甲流的影响，教学任务没有按原计划执行下去，复习就更是慌不择路，下周从星期一（12月14日）开始算在一周之内考四门，所以还是请见量在如此紧张的时间下做的内容的不完善，思路上的短处和不完整性，另外由于图书馆里没有相关资料，和设计初期不知道如何下手，在重读了课本和翻阅了图书管理的资料后总算是有些眉目。才开始下手做这些电路。在此次的出租车计价器的设计过程中，更进一步地熟悉了74ls160n异步复位、同步预置数的同步十进制加法计数器芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法另外以及各个端口怎样连线，同时还有芯片的排布情况。为总体布局打下基础，或者尽少的芯片实现更多的功能和芯片连线清晰，就能快速找出错误，不用一条条的去