30秒定時器設(shè)計解讀

1、鄭州科技學院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè) 自動化 班級 一班學號 XXXXX姓名 XXXX _、設(shè)計題目 _30秒定時器_、設(shè)計任務(wù)與要求1. 倒計時定時器，計數(shù)時間間隔1秒。2. 用數(shù)碼管顯示計數(shù)值。3. 可以復位和暫停。4. 計時結(jié)束后報警。三、參考文獻1江曉安，董秀峰.數(shù)字電子技術(shù).西安：西安電子科技大學出版社，20082王毓銀.脈沖與數(shù)字電路（第3版）.北京：高等教育出版社，19993謝自美.電子線路設(shè)計、實驗、測試，第二版.武漢：華中科技大學出版社，20004陳明義.電子技術(shù)課程設(shè)計實用教程.長沙：中南大學出版社，2010四、設(shè)計時間_年 _月 _日至 _年 _月日指導教師簽名：

2、_專業(yè)負責人簽名： _鄭州科技學院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計題 目30秒定時器學生姓名 _專業(yè)班級 _學 號 _院（系）電氣工程學院指導教師 _完成時間 _1設(shè)計目的 .12設(shè)計思路 .13設(shè)計過程 .13.1方案論證 .13.2電路設(shè)計 .24系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果 .105心得體會 .116參考文獻 .12附錄1原理圖.13附錄2實物圖 .14附錄 3元器件清單 .151設(shè)計目的(1)熟悉集成電路的引腳安排。(2)掌握芯片的邏輯功能及使用方法。(3 ) 了解電路板結(jié)構(gòu)及其接線方法。(4)了解30秒定時器的組成及工作原理。(5)熟悉30秒定時器的設(shè)計與制作。2設(shè)計思路本次設(shè)計電路需要設(shè)計一個具有 30秒倒

3、計時功能的電路，計數(shù)時間間隔一 秒，并且在倒計時過程中可以對電路進行暫停、繼續(xù)和重置的功能，在倒計時結(jié)束時，即數(shù)碼管顯示00后，發(fā)出相應(yīng)的報警信號。我們可以用555定時電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為 10Hz的脈沖，即 輸出周期為0.1秒的方波脈沖，將該方波脈沖信號送到計數(shù)器74LS192的CP減計數(shù)脈沖端，再通過譯碼器74LS48把輸入的8421BCD碼經(jīng)過內(nèi)部電路 翻譯”成 七段(a，b，c，d，e，f，g)輸出，顯示十進制數(shù)，然后在適當?shù)奈恢迷O(shè)置開 關(guān)或控制電路即可實現(xiàn)計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能，本次電路用一個發(fā)光二極管作報警信號。3設(shè)

4、計過程3.1方案論證30秒倒計時的總體方框圖如圖 3-1所示秒脈沖4 z-k發(fā)生器計數(shù)器譯碼 顯示控制電路報警電路圖3-1總體電路框圖30秒定時器主要有秒脈沖發(fā)生器、控制電路、計數(shù)器、譯碼顯示和報警電 路四部分組成。計數(shù)器完成30秒減計時功能，而控制電路是直接控制計數(shù)器的 清零、啟動計時、暫停/繼續(xù)計數(shù)、譯碼顯示等功能。當操作直接清零開關(guān)時能 夠使計數(shù)器清零并且數(shù)碼顯示 00;當啟動計數(shù)時，計數(shù)器完成置數(shù)功能，數(shù)碼 顯示30并開始遞減；當暫停開關(guān)閉合時，控制電路封鎖時鐘脈沖信號，計數(shù)器 處于封鎖狀態(tài)，停止計數(shù)，當暫停開關(guān)斷開時，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)；當計數(shù)結(jié)束時， 數(shù)碼管顯示00,報警電路接通，即發(fā)

5、光二極管發(fā)光。秒脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生電 路的時鐘脈沖和定時標準的信號，用 555定時電路作為秒脈沖發(fā)生器，555定時 器結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，用途廣泛，可以組成多種波形發(fā)生器、多諧振蕩器、定 時延時電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、報警電路、檢測電路、頻率變換 電路等。3.2電路設(shè)計(1)計數(shù)器模塊電路計數(shù)器是一個用以實現(xiàn)計數(shù)功能的時序邏輯部件，它不僅可以用來對脈沖進行計數(shù)，還常用做數(shù)字系統(tǒng)的定時、分頻和執(zhí)行數(shù)字運算以及其他特定的邏輯功 能。本實驗中計數(shù)器選用中規(guī)模集成電路 74LS192進行設(shè)計，74LS192是異步、 可預置的十進制加法/減法計數(shù)器，它采用8421BCD碼二-十進制編碼，其功能

6、 表如表3-1所示。表3 174LS192的功能表CPUCPDLDCR操作XX00置數(shù)110加計數(shù)110減計數(shù)1110保持XXX1清零由此看出，當LD=1,CR=0,CPD=1時,如果有時鐘脈沖加到CPU端，則計數(shù)器在預置數(shù)的基礎(chǔ)上進行加法計數(shù)，當計數(shù)到9時,CO端輸出進位下降沿跳變脈沖；當LD=1，CR=0，CPD=1時，如果有時鐘脈沖加到 CPD端，則計數(shù)器在預置數(shù)1312QAQBQCQD BOCOQAQBQCQD BCOVCC5VJ3U7LOAD DOWN74LS192D CLR UP10911145145110911115 |Key = Space圖3-2計數(shù)器電路74LS192的管腳

7、圖和功能如圖3-3所示VecVec 叩 MRMR TCD TCU PLPL 內(nèi) PjPj 麗冏阿両而冋冋rrrrL1JLLJJIILAJLJMLBJFlFl Q1Q1 QD CPD CPU Q2Q2 QS GM3GM3P0P0Q0PlPlQlP2P2Q2P3P3Q3CPUTQICPDTCDPLPLMRMR的基礎(chǔ)上進行減法計數(shù)，當計數(shù)到 0時，BO端輸出借位下降沿跳變脈沖。由此 設(shè)計出三十進制減法計數(shù)器，具體電路圖如圖3-2所示。圖中QAQD分別接七段譯碼器的四個輸入端。LOAD為預置輸入控制端，低電平有效 ,CLR為異 步清零端，高電平有效。由于本次電路需要計數(shù)器進行減法運算，所以74IS19

8、2中的UP端即CPU加計數(shù)時鐘輸入端需要一直處于高電平，所以UP端直接和電 源相連。圖中的CLR即為74IS192芯片的MR清零端，所以要一直接低電平， 電路中直接接地。圖中預置數(shù)為(0011 0000) 8421BCD= (30) 10。當?shù)臀挥嫈?shù)器 的借位輸出端BO輸出借位脈沖時，高位計數(shù)器才開始進行減法計數(shù)。當計數(shù)到 高、低位計數(shù)器都為零時，高位計數(shù)器的借位輸出端BO輸出借位脈沖，使置數(shù)端LD=0，則計數(shù)器完成計數(shù)，相應(yīng)的報警電路導通。圖中第二個計數(shù)器的DOWN 即CPD減計數(shù)時鐘輸入端需要連接相應(yīng)的脈沖信號，以控制計數(shù)器的正常工作。1312 Q QA B C DA B CD4151LO

9、ADCLRUPU5DOWN74LS192D15151010951114143 32 26712圖3-3 74ls192管腳排列及邏輯符號經(jīng)查閱資料得：CPU等同于在Multisim軟件中的UP端，即表示加計數(shù)時 鐘輸入端；CPD等同于在Multisim軟件中的DOWN端，即表示減計數(shù)時鐘輸入 端。PL表示預置輸入控制端，異步預置，等同于 LOAD端。TCU為進位輸出， 等同于CO； TCD為借位輸出，等同于BO。（2）秒脈沖發(fā)生器秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號是電路的時鐘脈沖和定時標準，秒脈沖信號輸入到 計數(shù)器的減計數(shù)時鐘輸入端，完成計數(shù)的功能。秒脈沖可以由555定時器電路組 成的多諧振蕩器提供。55

10、5定時器是一種模擬和數(shù)字相混合的集成電路，其結(jié)構(gòu) 簡單，使用靈活，用途廣泛，可以組成多種波形發(fā)生器、多諧振蕩器、定時延時 電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、報警電路、檢測電路、頻率變換電路等。 通常只需在555定時器外接幾個阻容元件就可以很方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器和 多諧振蕩器。用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路如圖3-4a所示，多諧振蕩電路是一種無 穩(wěn)態(tài)電路，它在接通電源后不需要外加觸發(fā)信號，電路狀態(tài)能夠自動地不斷變換， 產(chǎn)生矩形波的輸出，如圖3-5所示的示波器輸出。電路中有兩個暫穩(wěn)態(tài) 利用電源 VCCCC通過Ri i和R2 2向電容器C充電，使uo o逐漸升高，升到2Vcc/3時,uo o跳變

11、到低電 平,放電端D導通，這時，電容器C通過電阻R2 2和D端放電，使uo o下降，降到VCC/3 時,uo o跳變到高電平，D端截止，電源Vcc又通過Ri i和R2 2向電容器C充電。如此循 環(huán)，振蕩不停,電容器C在Vcc/3和2Vcc/3之間充電和放電，輸出連續(xù)的矩形脈沖, 其波形如圖3-4b所示。(b)n Sffl時間通道J J通道上360,021ms360,021ms5,0005,000 V VT2 360.021360.021 msms5.0005.000 V VTiriTiri0.0000.000 s s0.0000.000 V VExt.Ext. TriggerTrigger時間

12、軸比例 ms/Divms/Div xfcSxfcS o o而1加載碉麗(3-1)圖3-4555構(gòu)成的振蕩電路及其波形通道A A通道日觸發(fā) -比例5 5伽比剛S S Y _ 邊沿 QTQT Q Q呂.師部|VfeSVfeS 0 0YfegYfeg 0 0電平 0 0V V兩VV岡 國回函口 趨圖3-5 555定時器發(fā)出的矩形波輸出信號UO O的脈寬twiwi、tw2w2、周期T的計算公式如下：twiwi = 0.7(Ri i+ R2 2)CUo反向保存(3-2)(3-3)A1RSTVCCOUTDISTHRTRICONGND555_VIRTUALtW2W2 = 0.7R2 2CT = t WIWI

13、 +1W2W2 0.7(Ri i + 2R2 2)C根據(jù)要求，該系統(tǒng)中要使555構(gòu)成的多諧振蕩電路產(chǎn)生10Hz的脈沖，因 此我們可以令 Ri i= 47k門，R2 2= 47k1 ， C= 0.1uF，得到周期 T=0.7(47+2X47)X0.01=0.987 S,按照圖3-6連接的電路就可以產(chǎn)生 10Hz的方波 脈沖，即時間為一秒。VDD -5V圖3-6秒脈沖發(fā)生器電路在實際電路中我們用NE555定時器芯片，其管腳排列圖如圖 3-7所示1-GND2- Trgger3- Output4- Reset5- Control voltage6- Threshold1 - Discharge8 -

14、Vcc圖3-7 NE555定時器芯片管腳圖經(jīng)查閱資料可得圖中各引腳代表為：1地GND 2觸發(fā) 3輸出4復位5控制電壓 6門限(閾值)7放電 8電源電壓Vcc 。R4 47k Q(3)控制電路VCCJ110k QR2控制電路即要滿足對電路的啟動、暫停、繼續(xù)、重置的功能，其中電路的啟 動和重置要結(jié)合74IS192的預置端，當預置端LOAD接低電平時，電路時鐘輸入 封鎖，完成預置，顯示30，所以此時秒脈沖對計數(shù)器無效，只有 LOAD為高電 平時，74IS192才接受脈沖，開始減數(shù)。利用這一特性，用一個單刀雙擲開關(guān)即 可完成電路的預置和啟動的功能。另一部分，在電路運行過程中，要對電路進行 暫停和繼續(xù)的

15、操作，也就是說不影響秒脈沖的產(chǎn)生，而只是暫時讓計數(shù)器接受不 到傳過來的秒脈沖。由此可以想到用一個與門電路連接秒脈沖的輸出和控制電 路，當執(zhí)行暫停操作時，控制電路輸出低電平，則與門輸出為低電平，此時計數(shù) 器接收不到脈沖信號而停止工作；當執(zhí)行繼續(xù)操作時，控制電路輸出高電平，與 門輸出則為高電平，計數(shù)器接受脈沖信號，繼續(xù)進行計數(shù)工作。由于由與非門構(gòu) 成的基本RS觸發(fā)器有直接置零端和直接置一端，因此可以用基本的RS觸發(fā)器來完成本部分的控制電路。電路連接圖如圖 3-8所示，74IS00為與非門，74IS08 為與門，Q點即為基本RS觸發(fā)器的輸出端。此時也需要一個單刀雙擲開關(guān)，控 制兩個輸入端。廠匚U8A

16、174LS08D5Vo o -c cKey = Space圖3-8暫停/繼續(xù)控制電路(4)譯碼顯示電路計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果要通過譯碼顯示電路才能顯示出來，譯碼顯示電路通常由譯碼器、驅(qū)動器和顯示器等部分構(gòu)成。本次電路中我們用發(fā)光二極管(LED )組成字型數(shù)碼管來來顯示數(shù)字。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管，因此 也稱LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。因為計算機輸出的是 BCD碼，要想在數(shù) 碼管上顯示十進制數(shù)，就必須先把 BCD碼轉(zhuǎn)換成7段字型數(shù)碼管所要求的代 碼。我們把能夠?qū)⒂嬎銠C輸出的BCD碼換成7段字型代碼，并使數(shù)碼管顯示出 十進制數(shù)的電路稱為 七段字型譯碼器”。因此我們采用了常用的74LS

17、48作為電 路中的譯碼器。圖3-9是74LS48的外部管腳圖VQC f f Ab b c c d d 9 9而両冋冋冋而而7171m UJ乜I站丨珂UJ unuB B C C LTLT B B汀RBORBO RBIRBI A A GNDGND圖3-9 74ls48管腳圖由于七段顯示譯碼器74ls48輸出高電平有效，所以用共陰極數(shù)碼管。該七 段顯示譯碼器設(shè)有多個輔助控制端，以增強器件的功能。其中BI/RBO為滅燈輸入端，當BI=0時，無論輸入什么電平，所有字段均不顯示；LT是試燈輸入端，當LT=0時，BI/RBO是輸出端，且BI/RBO=1，所有各段輸出ag均為1,顯 示字形8 8 。 RBI為

18、動態(tài)滅燈輸入，當LT=1，RBI=0且輸入代碼DCBA = 0000時，各段輸出ag均為低電平，與BCD碼相應(yīng)的字形8 8熄滅，故稱 滅零” ;RBO 為動態(tài)滅零輸出，BI/RBO作為輸出使用時，受控于LT和RBI。當LT = 1且RBI=0,輸入代碼 DCBA=0000 時，RBO=0; 若 LT=0 或者 LT = 1 且 RBI = 1，則 RBO=1。該端主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器之間的連接。譯碼顯示部分的電路如圖3-10所示，數(shù)碼管為共陰極，在數(shù)碼管的公共接 地端串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，以達到保護數(shù)碼管的作用。按圖示電路連接好數(shù)碼管 和譯碼器的各個對應(yīng)引腳，完成譯碼顯示的部分電路

19、設(shè)計。U1OOOBOOGU3BBBBBBGRR74LS48DTRRA B CD A BC D 7|1 2 635 5J J47126IVCC5V圖3-10譯碼顯示電路(5)報警電路當計數(shù)器遞減計數(shù)到零時，控制電路應(yīng)發(fā)出報警信號，使計數(shù)器保持零 狀態(tài)不變，同時報警電路工作，如圖3-11所示。當計數(shù)到零時，兩計數(shù)器借位端 輸出多為低，故本設(shè)計將高位片借位BO反饋到二極管負極性端，此時+5V電源經(jīng) 電阻使發(fā)光二極管發(fā)出光電報警信號，完成報警功能,而在遞減計數(shù)時，高為片借 位端輸出為高電平，二極管不報警。圖3-11報警電路U474LS48DD202BZ2.2VCC5VR1600 QLED14系統(tǒng)調(diào)試與

20、結(jié)果按照設(shè)計好的電路圖，先在 Multisim軟件中進行電路仿真，調(diào)節(jié)好各部分 的參數(shù)，仿真成功后，進行元器件的選擇，然后焊接電路。焊接時以單元電路為 基準，一部分一部分的焊接，特別注意各個芯片引腳之間的焊接。單元電路焊接好后，應(yīng)該先認真的進行通電前的檢查。檢查電路中元器件是否 接錯，電源對地是否短路，芯片驅(qū)動電源是否連接，連線是否正確。確認無誤后 方可通電。實驗經(jīng)仿真軟件Multisim仿真無誤后，經(jīng)過一天的電路焊接，初步檢查無誤， 然后通電，第一次發(fā)現(xiàn)電路短路，于是用萬用表測量單元電路，找到短路的部分 后進行修改，修改后電路接通，但是數(shù)碼管顯示的數(shù)正好與預置的數(shù)譯碼后對應(yīng) 相反，即本來顯示

21、00,結(jié)果顯示-，于是猜測數(shù)碼管接反。經(jīng)對74IS48輸出端測 量后，發(fā)現(xiàn)其輸出高電平，對應(yīng)的數(shù)碼管應(yīng)該為共陰極。而我們焊接在電路中的 數(shù)碼管經(jīng)測量為共陽極。這是由于購買元器件的時候一時疏忽，沒有注意到這個 問題。后經(jīng)調(diào)換安裝后，數(shù)碼管只能顯示兩種狀態(tài)，一個是預置的數(shù)30, 一個是結(jié)束的時候顯示00,并且二極管發(fā)光。也就是說，電路沒有中間的狀態(tài)，即 計數(shù)器接收不到秒脈沖發(fā)出的脈沖信號。 于是提出猜測計數(shù)器能夠置數(shù)，且二極 管能夠?qū)ǎC明計數(shù)器和譯碼電路沒有錯。只有可能是控制電路和555定時器 電路有問題。經(jīng)過測量555輸出有方波，且RS觸發(fā)器能正常輸出。這就不對了， 我們測量的電路沒有問題，

22、電路連接也不錯，可為什么就是不能正常工作呢？帶 著這些疑問，我們找到了老師，經(jīng)過和老師的探討和檢查測量以后， 發(fā)現(xiàn)用于置 數(shù)的輸入端A B端，本來應(yīng)該AB端連接在一起和兩個計數(shù)器的 UP端串聯(lián)后一 直接高電平，即直接接到電源正極，而我們的電路卻經(jīng)過了單刀雙擲開關(guān)， 導致 開關(guān)按下顯示00,按上則置數(shù)30.后經(jīng)過修改后，又陸續(xù)更改了幾處錯誤后， 電路終于正常工作了。5心得體會數(shù)字電子技術(shù)是電子類專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，本周進行的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計不僅是對課本上理論知識的鞏固和加深，同時也是對我們專業(yè)技能的一種提升。為期一周的課程設(shè)計，讓我們深深的認識到了自己的不足， 我 們動手能力的欠

23、缺，對知識的掌握不深，以及對實際電子元器件的不了解。當我 們面對選題的時候，覺得都沒有什么難度，禾用所學的知識很容易實現(xiàn)。比如， 我們的選題為30秒定時器的設(shè)計，看到這個題目，我立馬想到了數(shù)字電子技術(shù) 課上老師講到的計數(shù)器，可以用一個計數(shù)器和譯碼顯示電路將電路設(shè)計出來?？墒钱斘艺嬲佑|到這個電路的設(shè)計時， 才了解實際遠比我想象的要復雜得多， 先 說計數(shù)器要選擇具有減法功能的可逆計數(shù)器， 然后是譯碼電路，要根據(jù)所選譯碼 器的型號配對合適的數(shù)碼管，比如 74IS47要連接共陽極的數(shù)碼管，而 74IS48則 要連接共陰極的數(shù)碼管，千萬不能搞錯，還有脈沖信號、控制電路等好多細節(jié)問 題要解決。因此，整個

24、課程設(shè)計過程中顯得時間非常緊張，有大量的工作要做。 我們小組有四個人，大家合理分工，有負責查閱資料的，有負責分析電路的，有 負責購買元器件的，還有負責焊接電路的。最后大家齊心協(xié)力，在規(guī)定時間內(nèi)完 成了電路的仿真，焊接，調(diào)試等過程，期間也遇到了很多問題，比如仿真不穩(wěn)定、 購買不到所需元器件、電路仿真成功但焊接后不工作等等。 總之，這一周我們雖 然很忙，但我們有條不紊的完成好每一步， 充實的度過每一天，不但學到了很多 知識，還加深了自己與老師和同學之間的關(guān)系。6參考文獻1江曉安，董秀峰，等數(shù)字電子技術(shù)（第3版）M.西安：西安電子科技大學出版社，2012.2王友仁，陳則王，等 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：機械工業(yè)出版社，2010.3楊力.電子技