数字定时开关

数字定时开关 课程设计名称: 电子课程设计 课程设计目: 数字式定时开关 学 院 名 称: 信息工程学院 专业: 学号: 评分: 教师: 20 13 年 10 月 15 日 题目 数字式定时开关 内容及要求 设计并制作一数字式定时开关，此开关采用BCD拨盘预置开关时间，其最大定时时间为9秒，计数时采用倒计时的方式并通过一位LED数码管显示。此开关预置时间以后通过另一按钮控制并进行倒计时，当时间显示为0时，开关发出开关信号，输出呈现高电平，开关处于开态，再按按钮时，倒计时又开始。计时时间到0时驱动扬声器报警。 进度安排 1.根据任务要求，查阅相关资料，完成设计前的前期工作:2天 2.根据资料，进行设计并对比论证，完成参数计算:2.5天 3.领取元器件，连接，完成电路调试:3 4.提交:12周 注:1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份;任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存 摘 要 ?设计思路:本次课设是设计一个定时开关，通过拨码开关预置一个时间，通过计数器倒计时方式进行计数，当到达某一个时间时，发出一个信号，进而来控制电器的工作。我们此次的实验是当倒计时到0是，一直停留在在0，并且不断发出蜂鸣警报。 ?设计原理:由555组成秒脉冲发生器，由74LS192构成一个倒计时的计时器，由一个共阴LED显示当前的时间，由一个拨码开关预设时间，由蜂鸣器组成报警电路，当计数为零时，蜂鸣器发出报警声音。 ?设计过程:设计电路由这几个功能模块组成，在这个设计思想的指导下，运用所学的数字电路的知识，并查阅相关的资料，逐渐解决了了实践中出现的各种问题，达到了设计要求，实现了功能。 ?设计感想:课程设计实践促进了对数字电路知识的理解，锻炼了动手能力和独立思考能力，促进了专业知识的学习。 关键词: 秒脉冲发生器、定时器、BCD码、译码显示、报警电路 目 录 前言??????????????????????????????????????????????????????????????1 第一章 设计内容及要求????????????????????????????????????????????2 1.1 课程设计要求???????????????????????????????????????????????2 第二章 系统设计方案选择??????????????????????????????????????????3 2.1 方案一?????????????????????????????????????????????????????3 2.2 方案二?????????????????????????????????????????????????????3 第三章 系统组成及工作原理????????????????????????????????????????5 3.1 系统组成???????????????????????????????????????????????????5 3.2 工作原理???????????????????????????????????????????????????5 第四章 单元电路设计与参数计算????????????????????????????????????6 4.1 控制电路???????????????????????????????????????????????????6 4.2 秒脉冲发生电路?????????????????????????????????????????????6 4.3 计数器?????????????????????????????????????????????????????7 4.4 译码显示电路???????????????????????????????????????????????8 4.5 报警电路???????????????????????????????????????????????????10 第五章 实验、调试及测试结果与分析????????????????????????????????11 第六章 结论??????????????????????????????????????????????????????12 参考文献??????????????????????????????????????????????????????????13 附录一 电路原理图????????????????????????????????????????????????14 附录二 元件清单??????????????????????????????????????????????????15 附录三 芯片管脚图????????????????????????????????????????????????16 前 言 随着电子技术的发展,特别是新型集成电路、分立元件的不断投入市场，使得人们对电子技术应用的关注程度已大大超过了电子技术本身。由于集成电路技术的诸多 性能稳定，价格低廉等。在计时,自动报时及自动控制等领优点。如省电,计时准确, 域发挥着重要的作用,在人们的日常生也愈加离不开数字化的各种生活用品，电子技术深入到社会生活的各个角落。 工业生产中许多地方都需要对电器设备进行自动控制，这样数字式定时开关便显得特别重要。具有很高的实用价值，像现在的一些家电如全自动洗衣机、空调等都需要实现开关定时控制这样的功能。还有一些设备如果在设计时加上数字定时技术便会更加提高设备的性能，使之更加自动化、智能化。 数字电子技术是一门实践性和应用性都很强的课程，因此在学习课程理论知识的同时，应重视和加强实践训练，要注重对技术应用能力的培养，使理论和实践紧密结合，融为一体，通过本次课程设计还学到了分析、查寻、和排除故障的方法。 1 第一章 设计内容及要求 1.1设计要求 设计并制作一数字定时开关，此开关采用BCD拨盘预置开关时间。其最大定时时间为9秒，计数时采用倒计时的方式并通过一位LED数码管显示。此开关预置时间以后通过另一个按钮控制并进行倒计时，当时间显示为0时。开关发出开关信号，输出端呈现高电平，开关处于开态，再按按钮时，倒计时又开始，计时时间到驱动扬声器报警。 秒脉冲发生器 定时器 译码显示 报警电路 控制电路 图 1.1 数字式定时开关 2 第二章 系统设计方案选择 2.1方案一 由一个555芯片及其电容、电阻构成一个多谐振荡器，通过选定两个电阻(47KΩ、50 KΩ)和两个(10μF，0.01μF)电容产生一个连续的秒脉冲信号，作为计数器的时钟脉冲。根据最大定时为9秒，定时预置可由四个单刀双掷开关控制输入电压。74LS192实现减计数功能，输入端连四个开关，其输出连CD4511输入实现译码功能，再由LED数码显示。 LD74LS192由置数端、清除端CR、减法计数端CP控制其功能。当时间显示为D “0”时，即74LS192输出为“0000”时，输出的四个低电平经门电路得到“1”高电平，加至报警电路鸣声报警。 2.2方案二 图2.2秒脉冲发生电路 3 由CD4060构成一个秒脉冲发生器,作为计数器的时钟脉冲源。使用价格低廉的 32768HZ 晶体，配套 CD4060 电路，如图2.2所示电压范围为 3 , 18V，静态电流随电压提高而上升，在 +5V 供电时，静态电流约 0.25 , 5uA，主要考虑的是在 3.0V 电池供电时的停振问题。没有任何分频和其他多余器件，本身具有天然的秒闪烁脉冲信号。主要参数:供电:DC5V. 其它部分的的电路与方案一的相同。 4 第三章 系统组成及工作原理 3.1 系统的组成 这一系统具体分为五大主要部分:控制电路、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路、报警电路。这五部分都在整个电路中起到不可缺少的作用，但又起到各自不同的功能，把他们互相之间配合起来组成整个系统，实现数字定时开关的功能。 秒脉冲发生器 定时器 译码显示 (产生秒脉冲) (计时功能) (译码显示时间) 控制电路 (控制开关及时间报警电路 (定时报警功能) 输入功能) 图3.1 系统功能组成图 3.2 工作原理 本开关由秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路、报警电路以及一些门电路和开关按钮组成的控制电路所构成的。其工作原理是由555定时器构成的多谐振荡电路作为秒脉冲发生电路产生一脉冲信号，将此脉冲信号输入计时电路，计时电路由74LS192构成，利用74LS192的减计数端进行倒计数，计数范围是0—9，由于输入的脉冲信号的频率接近一秒，计数器是每秒减一计数，再通过CD4511译码器进行译码由LED共阴数码管显示。报警电路可由一个高电平信号驱动蜂鸣器报警。当译码器的输出端全为低电平时，数码管上显示的是“0”。而四个低电平信号经过一些门电路可以得到一个高电平来驱动蜂鸣器。这个高电平还能够反馈到计数器的清零端，使得计数器停止计数，数码管的显示停留在“0”。用到一个按钮开关控制计数器的清零端，使得再按按钮时，倒计时又开始。完成整个基本要求。 5 第四章 单元电路设计、参数计算、器件选择 4.1 控制电路 利用74LS192的减计数端(Q1、Q2、Q3、Q4)进行信号控制，具体见附录一中的控制电路部分。 4.2秒脉冲发生电路 图4.1 秒脉冲发生器 多谐振荡器的振荡周期T1计算公式为: T1=(R1+2R2)*ln2*C2 各参数的值: R1=50k R2=47k C2=10μF 将各参数的值代入上面的计算公式得: T1=0.9981?1s 因此就得到了1秒的脉冲。 6 4.3、计数器 图4.2 74LS192引脚图 74LS192为可预置BCD可逆计数器。其引脚图如图4.3所示。当CLR为高电平 PL时,计数器置0。为低电平时，进行预置数操作，P0—P3上的数据置入计数器中。 PL当CP=“1”时，在CP上跳变，计数器减一计数。可由置数端和A—D数据输UD 入端完成数字定时功能，在0~9内任意置数。TC为进位输出:1001状态后负脉冲D 输出， TCu为借位输出:0000状态后负脉冲输出。 表4—1 74LS192的功能表 输入 输出 MR CPU CPD P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 PL ，，，，，，，1 0 0 0 0 ，，, 0 d c b a d c b a ，，，，0 1 加计数 1 , ，，，，0 1 1 减计数 , 7 4.4、译码显示电路 译码显示电路选用CD4511进行译码，选用共阴LED数码管进行显示。如图4.3所示 2、数码显示译码器 (1)七段发光二极管(LED)数码管 LED数码管是目前最常用的数字显示器，图 (a)、(b)为共阴管和共阳管的电路，(c)为两种不同出线形式的引出脚功能图。 一个LED数码管可用来显示一位0,9十进制数和一个小数点。小型数码管(0.5寸和0.36寸)每段发光二极管的正向压降，随显示光(通常为红、绿、黄、橙色)的颜色不同略有差别，通常约为2,2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5,10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。 (a) 共阴连接(“1”电平驱动) (b) 共阳连接(“0”电平驱动) (c)两种不同出线形式的引出脚图 图 4.3 LED数码管 (2)BCD码七段译码驱动器 此类译码器型号有74LS47(共阳)，74LS48(共阴)，CC4511(共阴)等，本实验系采用CC4511 BCD码锁存,七段译码,驱动器。驱动共阴极LED数码管。其中: A、B、C、D — BCD码输入端， a、b、c、d、e、f、g — 译码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。 8 LTLT — 测试输入端，,“0”时，译码输出全为“1” BIBI — 消隐输入端，,“0”时，译码输出全为“0” LE — 锁定端，LE,“1”时译码器处于锁定(保持)状态，译码输出保持在LE,0时的数值，LE,0为正常译码。 —2 CD4511功能表 表4 输 入 输 出 LE D C B A a b c d e f g 显示字形 BILT × × 0 × × × × 1 1 1 1 1 1 1 × 0 1 × × × × 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 1 1 1 × × × × 锁 存 锁存 表4—2为CD511功能表。CD511内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔段之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。 9 4.5 报警电路 本设计的报警电路由一个蜂鸣器接在非门的输出端和接地端构成报警电路，当计数器的输出为0000，即输出为0时，蜂鸣器发出报警声。只有当输出都为0时，经过非门极接的才为高电位，蜂鸣器的负端接地为低电位，这时候蜂鸣器才开始报警，而且数码管的示数一直停留在0。到了“0”，蜂鸣器报警。没到“0”，不报警。 10 第五章 实验、调试及测试结果与分析 课设过程: ?选好课题。仔细分析一下原理，并采用设计方案一，并且进行方案仿真，得到正确结果后，列出元件清单，领取元器件。 ? 元器件领回后，根据原理图进行分析，排版，焊接。 实验过程中遇到一些问题: 元器件被烧毁，调试时出现偏差等等。 ? ?在焊接完秒脉冲发生器后，利用示波器检测发出信号。发现波形不为脉冲波形，后检测出一电阻参数不符。于是换了另外一个参数符合的电阻。调试直至出现方形脉冲波形。 ?即将完工时候，使用万用表连接地端与正端，并且将万用表打到蜂鸣挡，万用表蜂鸣器响了。有一个焊点重合了。改正焊接完后，进行预置数调试，但预置数调试并不如想象中的顺利。经常出现一些如:无法正确预置数、预置数无效、预置数不稳定等情况。最后经过排查，发现数码管管脚有的接错了，焊点有的虚焊，改正后，得到了正确的置数结果，最后和同组人解决了这个问题。 ?焊接完成以后，接入5V电源，拨动电平控制开关，然后置数为1001(即使数码管显示为9)，打开倒计时开关，当数码管显示为0时，蜂鸣器没有报警，经过排查，原来是蜂鸣器驱动电流不足，于是加了一个三极管放大电路，再次接通电源时，当数码管显示为0时，蜂鸣器发出嘀嘀的报警声。最后排除问题，和同组人解决了这个问题。 ?通过此次课程设计我学到了很多，知识不是学了就能灵活的，要不断的试，不断的失败，才能真正理解它，才会灵活运用它。实践很重要，实践试检验整理的。在安装元件时有些问题没有考虑周到，做了以后才明白，在整个过程中也锻炼了勤于思考、独立思考、以及查阅各种文献的能力，对日后的学习有很大的帮助，自己的水平有了很大的提高。 11 第六章 结 论 通过实验验证，设计方案能够达到设计要求，由555定时器构成的多谐振荡电路作为秒脉冲发生电路产生一脉冲信号，将此脉冲信号输入计时电路，计时电路由74LS192构成，利用74LS192的减计数端进行倒计数，计数范围是0—9，由于输入的脉冲信号的频率接近一秒，计数器是每秒减一计数，再通过CD4511译码器进行译码由LED共阴数码管显示。报警电路可由一个高电平信号驱动蜂鸣器报警。当译码器的输出端全为低电平时，数码管上显示的是“0”。而四个低电平信号经过一些门电路可以得到一个高电平来驱动蜂鸣器。这个高电平还能够反馈到计数器的清零端，使得计数器停止计数，数码管的显示停留在“0”。用到一个按钮开关控制计数器的清零端，使得再按按钮时，倒计时又开始。完成整个基本要求。 课程设计是一个分有价值，有意义的实践活动，把一个课题设计好不是一步到位的，是经过反复修改，不断调试的过程，其间有困难也有乐趣，使人对工程实践有一个初步的认识。 本设计基本达到了设计要求，秒脉冲发生器、计时器、译码显示、控制电路、报警电路，这几个电路的功能模块都实现的很好，将一个复杂的电路分成若干个基本模块进行分步设计，最后将这些模块连接起来是基本的设计思想。 此次实验主要应用到74LS192芯片的预置数和自减计数功能，通过秒脉冲发生器用以自减数，通过拨码开关进行预置数，通过一个二极管指示脉冲发生器的工作，通过一个LED数码管指示倒计时间等。其中报警电路模块原来的设计方案是通过一个555、电容、电阻和扬声器组成的，运用一个蜂鸣器便可实现，既简单又方便，使整个电路的体积缩小很多，而且性能稳定可靠。看来在设计过程中元器件的选择对整个电路性能的影响至关重要。 12 参考文献: [1].阎石. 数字电子技术基础(第五版). 高等教育出版社. 2010.04 [2].赵珂、彭嵩等. 脉冲与数字电路实验指导书. 南昌航空大学电子信息工程学院实验实践中心. 2008.01 [3].陈有卿. 555时基集成电路原理与应用. 机械工业出版社. 2006.05 [4].陈永甫. 多功能集成电路555经典应用实例(第二集). 电子工业出版社. 2009.06 13 附录一:电路原理图 总电路图 14 附录二:元件清单: 附表 元件清单 序号 类型 型号或大小 数量 1 1K 6 电阻 2 510Ω 7 3 50K 1 4 47K 1 5 5 开关 普通开关 6 555 1 7 74LS192 1 芯片 8 CD4511 1 9 74LS04 1 10 1 蜂鸣器 普通 11 1 七段共阴数码管 12 NPN 1 三极管 13 10uf 1 电容 14 0.01uf 1 电容 15 1 电路板 16 导线 若干 15 附件三: 芯片管脚图: CD4511管脚图 555芯片管脚图 74LS192管脚图 74LS04芯片管脚图 16