jss型數(shù)字式時間繼電器設計

1、 技術條件：一、延時范圍:1s-99s : 1s-999s;1s-9999s二、重復誤差: ±1個脈沖三、執(zhí)行繼電器：常開，常閉，瞬時觸點四、延時方式：通電延時斷開，閉合五、電源：220V，50Hz六、觸點容量：220V，5A七、整定方式：數(shù)字撥碼開關八、工作頻率：1200次/h九、額定功耗：<5W十、電壽命：20萬次十一、機械壽命：100萬次十二、絕緣電阻：>100M十三、外形：圓桶形，或方形，紅色顯示 設計內容一、選擇方案，設計電路圖二、電路計算，畫出波形三、制定元件明細表四、畫圖：撥碼開關，執(zhí)行繼電器，顯示器件五、印制板設計六、結構設計七、外殼、包裝設計八、試驗方法

2、 進度安排及完成時間JSS型數(shù)字式時間繼電器設計摘要: 數(shù)字式時間繼電器是一種集傳統(tǒng)電磁繼電器與數(shù)字集成控制于一體的新型繼電器產品，而本數(shù)字繼電器采用大規(guī)模CMOS集成電路構架，它具有延時精度高，延時范圍廣，整定方便直觀，功耗小，壽命長，觸點容量大，體積小巧便于安裝等優(yōu)點，可廣泛用于交流220V/50HZ或直流24V等的控制電路中作為延時控制元件，可按預設時間接通或分斷電路。關鍵字: 多諧振蕩器，繼電器，計數(shù)器，譯碼器，七段LED數(shù)碼管，產品試驗，8421編碼開關Abstract: Digital type time relay is a kind of fair traditional re

3、lay with digital integrated circuit in a kind of new relay of one body. It is little that this kind of relay have volume normally the accurate etc. characteristic of delay time. Our this design use TTL mainly series chip is the main part of circuit, And the design that carries out product using Auto

4、 CAD and 99th class Protel computer supplementary software. After completing this design we can in digital electronic technology, relay knowledge and Protel 99, Auto CAD wait for aspect have very deep knowledge and understanding.Key words: Much resonance dissolute ware，Relay，Conter，Decoder，7 LED num

5、bers show，Product text experiment，Turn yard switch8421前 言談到繼電器，大家應該是不會太陌生的，因為繼電器在日常生活中是經常使用的，比如說各種智能控制電器，諸如空調器，彩電，電腦顯示器，以及各種機床等上面都會用到。在這里，繼電器是起到開關的作用的，用于用弱電控制強電，包括電流、電壓方面的弱強控制。其實繼電器在電器中的應用中就是作為一種開關，它的功能是在當輸入激勵量變化（包括電流和電壓）達到規(guī)定的要求數(shù)值時，在其輸出回路中（常開或常閉觸點），被控制對象與電路接通或斷開，達到控制目的。繼電器廣泛地應用在生產自動化、電力系統(tǒng)保護以及各類自動控制、

6、遙控和通訊等自動化裝置中；尤其是在軍事工程的各個領域，微小型繼電器的應用越來越廣泛。以前我們所使用的繼電器大都是電磁式繼電器。隨著科學技術的發(fā)展，數(shù)字式繼電器的發(fā)展及生產已卻越來越普遍，因為這種繼電器集延時精度高，延時范圍廣，整定方便直觀，功耗小，壽命長，觸點容量大，體積小巧而便于安裝等眾多優(yōu)點于一身，因此數(shù)字繼電器的推廣是必然的。數(shù)字式時間繼電器作為一個獨立的電器元件，可作為定時器使用，有時也可以只作為一個環(huán)節(jié)附屬于其它電器中。它除了執(zhí)行繼電器由傳統(tǒng)電磁繼電器擔任外，其它元件全部采用數(shù)字CMOS集成電路架構，并沒有多余的機械運轉部分，因而具有精度高，壽命長，體積小，重量輕等優(yōu)點是必然的。而且

7、數(shù)字繼電器還適于頻繁動作，延時系數(shù)的更定也極為方便。在國外，數(shù)字式時間繼電器是從70年代初才開始發(fā)展起來的。目前，最先進的數(shù)字式時間繼電器其內部安裝有微處理器即CPU，它們除了具有一般數(shù)字繼電器的延時精度高、延時長等優(yōu)點外，還可以選擇多種不同延時方法，如延時閉和、延時斷開、間隔計時、通電循環(huán)延時、通電延時動作、再延時斷開等。而在我國，數(shù)字式時間繼電器的發(fā)展是從80年代初才開始的，那時一般采用大規(guī)模集成電路，工作可靠，并且利用撥碼開關整定延時時間，直觀性和重復性均很好。目前的數(shù)字式時間繼電器已趨向于低價格、小體積、多功能等方面發(fā)展。我們此次畢業(yè)設計的課題主要就是設計JSS型數(shù)字式時間繼電器，它的

8、主要功能是完成通電延時動作等。這種數(shù)字繼電器的可采用TTL集成電路或CMOS集成電路組成，考慮到TTL集成電路耗電量比較大，而且工作電壓范圍不夠寬，因此本次設計我們采用了CMOS集成電路的方案。另外，由于這種數(shù)字時間繼電器采用了標準頻率發(fā)生器和記數(shù)顯示器為一體的數(shù)字電路結構，可以獲得較長的延時設置（1秒至數(shù)小時），而且調節(jié)方便直觀，這是它的一大特點。第二點，就是次時間繼電器的延時精確度主要取決于秒脈沖發(fā)生器中標準頻率發(fā)生器的穩(wěn)定性，而與個組成部分的元件參數(shù)的變化是不相關的。因此它將具有比較高的延時精度。第三，本時間繼電器很容易構成多通道的時間程序控制器，所以，它在自動化控制系統(tǒng)中得到了越來越廣

9、泛的應用。目 錄摘要I前言II第1章 繼電器設計思路11.1 繼電器主要技術參數(shù)11.1.1 工作電壓11.1.2 整定范圍11.1.3 動作電壓11.1.4 返回電壓11.1.5 延時一致性11.1.6 延時整定誤差11.1.7 返回時間11.1.8 功耗11.1.9 觸點類型21.1.10 觸點性能21.1.11 工作條件21.1.12 介質強度21.1.13 抗干擾性能21.2 繼電器工作原理分析21.2.1 繼電器工作原理框圖21.2.2 集成電路芯片選擇3第2章 繼電器總體方案及單元電路簡述42.1 方案選擇42.2 單元電路分析52.2.1 555多諧振蕩電路52.2.2 計數(shù)電路

10、設計92.2.3 顯示電路設計172.2.4 電源電路設計222.2.5 電磁繼電器的選擇272.3 元件清單29第3章 印制板與外形設計303.1 PROTEL 99 的組成303.2 模塊介紹303.3 電路板設計的基本步驟303.3.1 原理圖的設計303.3.2 產生網絡表313.3.3 印制電路板的設計313.4 外殼包裝設計31第4章 產品實驗334.1 實驗方法與步驟334.1.1 直流耐壓試驗334.1.2 通電試驗334.1.3整定時間準確度試驗344.2 使用與維護34結束語35參考文獻36第1章 繼電器設計思路 對于一款產品的設計，其設計思路及方案選擇是極為重要的。在這里

11、，主要需要考慮的是繼電器產品的工作可靠程度，繼電器的延時誤差，以及繼電器的生產成本等因素。先讓我們來看看該時間繼電器的設計要求，然后按照此要求進行時間繼電器的整體設計。那現(xiàn)在就讓我們開始設計吧。 1.1 繼電器主要技術參數(shù) 繼電器的工作參數(shù)主要有以下幾個方面，下面依次進行討論。1.1.1 工作電壓本時間繼電器設計運行于交流220V/5A的條件下，因此其額定工作電壓為交流 AC220V，可以以此為條件為變壓器、執(zhí)行繼電器等選型。即變壓器選取AC220V轉AC10V成品，執(zhí)行繼電器選取線圈電壓DC12V、觸點容量AC220V/5A的電磁繼電器。1.1.2 整定范圍延時整定范圍由3個檔可調，即（1）

12、1s99s，（2）1s999s，（3）1s9999s。繼電器最小級差為1s 。1.1.3 動作電壓當線路電壓為一定值時繼電器應可靠地動作，而低于這個電壓值時繼電器將不應動作，這個劃分界限稱為動作電壓。繼電器的動作電壓為(60%70%) 倍于額定值，工作電壓小于60%額定值時應可靠不動作。即電壓降低為132V154V時繼電器應可靠動作，而電壓降為低于132V時繼電器應不會動作。1.1.4 返回電壓繼電器的返回電壓應不小于10%額定值。1.1.5 延時一致性在基準條件下: 延時一致性應不大于0.1%整定值。1.1.6 延時整定誤差在基準條件下，延時整定平均誤差不大于0.1%整定值。1.1.7 返回

13、時間繼電器返回時間不大于15ms。1.1.8 功耗在額定電壓下，繼電器功率消耗不大于5W，即繼電器變壓器交流輸入端總電流不超過23mA，起輸出端總電流不超過500mA。1.1.9 觸點類型所選電磁繼電器的觸點類型應為常開、常閉的瞬時動作觸點個為兩對，即選用兩只電磁繼電器。1.1.10 觸點性能在電壓不超過250V，電流不超過5A，功率因數(shù)為cos=0.4±0.1的交流電路中，繼電器斷開容量為250VA。繼電器的電壽命大于20萬次，機械壽命大于100萬次，絕緣電阻大于100M。1.1.11 工作條件a) 使用地點不允許有爆炸危險的介質，周圍介質中不含有腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體及導電介質

14、，不允許充滿水蒸汽和有較嚴重的霉菌存在；b) 使用地點不允許有較強的振動和沖擊；c) 使用地點應具有防御雨、雪、風、沙的設施；d) 使用地點不允許超過1.5mT的外磁感應強度。1.1.12 介質強度繼電器各導電路對外露的非帶電金屬部分及外殼之間，應能承受2kV(有效值)，輸入電路對觸點之間應能承受1kV(有效值)，50Hz的交流試驗電壓，歷時1min的式驗 ，應無絕緣擊穿或閃絡現(xiàn)象。1.1.13 抗干擾性能繼電器應能承受頻率為1MHz衰減振蕩波，第一個半波電壓幅值共摸為2.5kV，差摸為1kV的試驗電壓，繼電器不應誤動或拒動。 1.2 繼電器工作原理分析 1.2.1 繼電器工作原理框圖本繼電器

15、的工作原理框圖如圖1.1所示。其工作原理是這樣的：給本機通電瞬間，機內電路自動為系統(tǒng)清零以復位，然后振蕩電路開始工作，產生1Hz的秒脈沖，計數(shù)器開始計數(shù)，計滿到設定值時輸出信號跳變，經反相和三極管的電流放大后給電磁繼電器線圈供電，通過繼電器的觸點接通或斷開需要控制的電路；同時計數(shù)器的輸出將鎖定秒脈沖發(fā)生器使之停止工作，計數(shù)器也停止計數(shù)，所以住之后電路狀態(tài)將一直保持，直到重新上電或按動本機設置的復位按鈕。然后時間繼電器又將重新新一輪的工作。電源隔離降壓整流濾波秒脈沖產生 器 顯示執(zhí)行繼電器開機復位部分計 數(shù)譯碼顯示時間整定驅動輸出反相功率放大圖1.1 時間繼電器原理框圖1.2.2 集成電路芯片選

16、擇 對于本時間繼電器的設計，其芯片的選用主要有兩種方案可供選擇，一是選用TTL集成電路，可用74LS160作計數(shù)器，搭配74LS47譯碼驅動器以及共陽LED數(shù)碼管可構成時間繼電器系統(tǒng)；二是使用CMOS集成電路，選用CD4510和CD4511分別做計數(shù)和譯碼，使用共陰極的LED數(shù)碼管。但是，考慮到TTL集成電路功耗大，工作電壓與繼電器的不匹配將使電路復雜化，等等因素的存在，因此我們考慮選用CMOS集成電路CD4510和CD4511的組合。第2章 繼電器總體方案及單元電路簡述 時間繼電器的總體方案確定了，芯片的選型也確定下來了，下面該看看究竟選用什么樣的電路來完成時間繼電器的功能了。 2.1 方案

17、選擇 這里，我們想到了兩種可行的方案可作為時間繼電器的主電路。方案1：“加計數(shù)”電路。這種方案的特點是系統(tǒng)開始工作后，計數(shù)器由“0”開始做步距為1的加法運算，數(shù)碼管輸出也是頻率為1秒的累加。在這種方案中，計數(shù)器CD4510的置數(shù)端空置不用，將8421開關接在計數(shù)器的輸出端“Q3Q2Q1Q0”上，8421開關的另一端接4輸入與非門的輸入端，而4個與非門的輸出端又接到了一個4輸入或非門的輸入端上。或非門的輸出端接三極管做電流放大以驅動繼電器。由于所選集成電路的輸入端有一個懸空即為“1”的特點，所以只有當8421開關接通的計數(shù)器輸出引腳都為“1”時與非門才會輸出“0”，而也只有此時或非門才會因全“0

18、”而輸出“1”，此時三極管導通，繼電器線圈得電工作。這種方案的原理圖如圖2.1所示。圖2.1 加計數(shù)原理方案2：“減計數(shù)”電路。這種方案的特點是，在系統(tǒng)開始工作后，計數(shù)器由預置數(shù)開始逐一做減法計數(shù)，數(shù)碼管輸出時逐漸減一的。這個方案需要用到計數(shù)器的置數(shù)功能，當然計數(shù)功能也是必不可少的，這是靠系統(tǒng)加電瞬間使計數(shù)器置數(shù)，讀入預置的數(shù)值后在做減一計算，知道計到零后繼電器動作。瞬間置數(shù)再計數(shù)的原理如圖2.2所示。 圖中的PE端為計數(shù)器的計數(shù)/置數(shù)使能端。當該腳為低電平“0”時計數(shù)器工作于置數(shù)狀態(tài)，讀入置數(shù)端的預置數(shù)；當該腳為高電平“1”時計數(shù)器工作于計數(shù)狀態(tài)。由此可得電路狀態(tài)轉換原理如下：因為電容 圖2

19、.2 C兩端電壓不能突變，因此系統(tǒng)剛上電時，電容C經電阻R充電，其兩端電壓為0，也就是說此刻PE端為“0”電平，計數(shù)器讀入預置端數(shù)值；對電容C的充電很快完成，電容端電壓很快上升到VCC，于是PE端又變?yōu)楦唠娖健?”，于是計數(shù)器開始以剛讀入的數(shù)為基數(shù)做減一計數(shù)，直到計到0為止。由于減計數(shù)的方式顯示比較直觀，能確切地顯示剩余的延時時間，因此我們考慮整體方案就此選用此“減計數(shù)”的方案。此方案的原理如圖2.3所示。 圖2.3 減計數(shù)原理 2.2 單元電路分析 2.2.1 555多諧振蕩電路2.2.1.1 555定時器的結構及工作原理。     555定時器是一種

20、集數(shù)字與模擬技術于一體的應用極為廣泛的中規(guī)模集成電路，只要外加少量的電阻、電容等元件，就可以很方便地構成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器等，因此在信號的產生和變換、自動檢測及控制、定時和報警、家用電器等方面得到了較為廣泛的應用。     555定時器根據內部器件類型可分為雙極型和單極型，其中雙極型555定時器的電源電壓使用范圍為515V，輸出電流可達200mA；單極型電源電壓使用范圍為218V，但輸出電流僅有1mA。555定時器內部邏輯電路結構圖見圖2.4，其邏輯符號圖如圖2.5所示。各引腳符號如圖中所示。電路內部C1和C2為比較器，G1和G2與非

21、門組成基本RS觸發(fā)器，經反相放大器G3輸出為Q，集電極開路的三極管T（又稱放電管）由 控制其導通或截止?，F(xiàn)結合電路內部工作原理介紹有關引腳的功能。555定時器電路有三個5K電阻構成分壓器，當控制電壓輸入端VC懸空時，比較器C1的同相輸入端的參考電壓為。對于C1、C2比較器，其輸入與輸出關系為：當時，輸出為高電平（1態(tài)）；當時，輸出為低電平（0態(tài)）。對G1、G2構成的基本RS觸發(fā)器，若直接復位端，則當，時， ；當，時， ；當，時，和 維持原狀態(tài)。 (a)555邏輯電路圖 (b) 555引腳圖圖2.4 555定時器根據上述原理，555定時器可歸納出如表2.1中所列的四種邏輯功能。 表2.1 555

22、定時器功能表輸入比較器輸出輸出直接復位復位控制TH置位控制放電管0XXXX0導通111010導通100101截止10111不變不變（1）直接復位功能：當直接復位輸入端=0，不管其它輸入狀態(tài)如何，輸出，放電管導通。當直接復位端不用時，應時=1，這時可行使下列功能。（2）復位功能：當復位控制輸入，置位控制輸入時，使，則，放電管導通。（3）置位功能：當，時，使，則，放電管截止。（4）維持功能：當，時，使，則和狀態(tài)維持不變，狀態(tài)也不變。 如果把輸入端電壓在時作為1態(tài)，在時作為0態(tài)；而把輸入端電壓在時作為1態(tài)，在時作為0態(tài)，這樣，就可以根據555定時器的輸入與輸出關系列出如表2.1中粗框中所示規(guī)律。2.

23、2.1.2 555組成秒脈沖多諧振蕩電路多諧振蕩器是產生矩形波的自激振蕩器。由于矩形波包含基波和高次諧波等較多的諧波成分，因此稱為多諧振蕩器。另外，這類電路不存在穩(wěn)態(tài)，故又稱無穩(wěn)態(tài)電路。 1電路組成及工作原理 組成多諧振蕩器的電路很多，用555組成的多諧振蕩器的原理圖和波形圖分別如圖2.5和圖2.6所示，其工作原理簡述如下。在接通電源后，通過、對電容充電，在未達到和之前，集成電路第6、2引腳狀態(tài)為0、0和0、1，故輸出為1，放電管T截止。當電容C被充電達到時，第6、2引腳狀態(tài)為1、1，則輸出翻轉為0，放電管T導通。此時電容C開始通過R2和T放電，使按指數(shù)曲線下降。當處于和之間時，第6、2引腳狀

24、態(tài)為0、1，輸出維持為0，電容C繼續(xù)放電，直到，使第6、2引腳狀態(tài)為0、0，輸出又翻轉為1態(tài)，放電管T截止，電容C又開始充電，這樣周而復始振蕩下去，輸出為圖2.7所示矩形波。圖2.5 振蕩器原理圖圖2.6 振蕩器波形圖 2振蕩頻率的計算 由圖2.7所示的波形和段的電容充、放電時間可計算其振蕩頻率。 由公式可知，輸出高電平的脈寬為電容C充電暫穩(wěn)態(tài)的時間，即，而輸出低電平的脈寬為電容C放電暫穩(wěn)態(tài)的時間，即故振蕩頻率為由于充電時間常數(shù)大于放電時間常數(shù)，因此矩形波的占空比為 由于是需要產生1Hz的秒脈沖信號，所以現(xiàn)取，則經推算，可選R1=4.3K，R2=70K。 3時鐘停止 由于時間繼電器動作后，時鐘

25、電路仍在工作，若不強制停止時鐘，時間繼電器的動作狀態(tài)將不能保持（只能持續(xù)一個始終周期，即一秒），而這不是我們所要求的。為了使繼電器能夠保持，必須給電路加一個強制停止時鐘的部分，而這只有在時鐘產生部分控制最為方便。在這里，我們利用了555定時器的直接復位功能，其原理圖如圖2.7所示。它的工作原理是，當IC9輸出高電平驅動信號時，其信號輸出分為兩路，一路是繼電器線圈的驅動，經三極管電流放大后 圖2.7 計數(shù)器停止驅動繼電器動作；另一路作為時鐘電路的復位信號，經，三極管VT1反相后控制555定時器的直接復位端，其中R6是上拉電阻。本電路的工作原理是：當IC9未輸出高電平控制信號時，三極管VT1由于基

26、極電位為0V，則三極管因發(fā)射結電壓達不到三極管導通電壓而截止，與三極管VT1集電極相連的555時基電路的復位引腳通過上拉電阻R6的作用連接到+12V的電源電壓，此時此管腳呈高電平，555時基電路正常工作于無穩(wěn)態(tài)振蕩器狀態(tài)，為計數(shù)器計數(shù)提供秒脈沖計數(shù)信號；當IC9輸出高電平的驅動控制信號時，三極管VT1導通，其be結結壓降變?yōu)?.3V左右，與之相連的555時基電路第4腳電壓也隨之降低變?yōu)?.3V左右的低電平狀態(tài)，時鐘電路強制復位，不再有方波信號輸出，其輸出變?yōu)?。這樣，后面的計數(shù)器停止計數(shù)，LED數(shù)碼管顯示“0000”，電路狀態(tài)得以保持下去，直到按復位按鈕重新計時（將在后面加以介紹）。2.2.2

27、 計數(shù)電路設計 計數(shù)電路當然是由計數(shù)器構成的。計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中應用場合最多的時序電路，它不僅能使用于對時鐘脈沖進行計數(shù)，還可以用于定時、分頻以及進行數(shù)字運算等。 計數(shù)器的種類繁多，從不同角度出發(fā)，有不同的分類方法： 按計數(shù)器中觸發(fā)器翻轉的時序異同分，有同步計數(shù)器和異步計數(shù)器兩類。 按計數(shù)器中數(shù)字變化規(guī)律分，有加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。遞增計數(shù)的稱為加法計數(shù)器，遞減計數(shù)的稱為減法計數(shù)器，既可進行加法、又可進行減法計數(shù)的稱為可逆計數(shù)器。 按計數(shù)體制來分，又二進制計數(shù)器、二-十進制（或稱十進制）計數(shù)器、任意進制（也稱N進制，即除二進制、十進制之外的其它進制）計數(shù)器。 在本電路中，我們選用

28、的是同步十進制計數(shù)器CD4510。下面就CD4510做簡要介紹。2.2.2.1 CD4510簡介 CD4510的引腳封裝圖如下圖，它的各腳功能介紹如下。 CD4510的輸入端有異步清零端RST，高電平有效，僅當RST=1時，計數(shù)器輸出清零，與其它控制狀態(tài)無關。 為計數(shù)器使能端，低電平有效，僅當=0時計數(shù)器工作。 PE為異步置數(shù)控制端，低電平有效，當RST=0，PE=0時，P3P2P1P0被置于Q3Q2Q1Q0端，不受CLK控制。 圖2.8 CD4510引腳 當RST和PE均無有效輸入時，即RST=0和PE=1，而加/減法計數(shù)控制端U/為高電平，計數(shù)脈沖從計數(shù)輸入端CLK輸入時，進行加法計數(shù)；U

29、/為低電平是進行減法計數(shù)。 是進位輸出端，進位時輸出低電平。加法時進位輸出條件為=，減法時借位輸出條件為=。這說明，進行加計數(shù)當Q3Q0均為1時，即在計數(shù)狀態(tài)為1001時，給出一進位信號；進行減計數(shù)，當Q3Q2Q1Q0均為0時，即在計數(shù)狀態(tài)下為0000時，給出一借位信號。這是符合十進制計數(shù)規(guī)律的。 若需構成兩位以上的十進制計數(shù)器，只需將低位的接到高位的就可以了。因為常態(tài)時是高電平，和它接在一起的也是高電平，因此級聯(lián)的高位計數(shù)器將不工作；而當?shù)臀贿M位時，其輸出跳變?yōu)榈碗娖剑呶挥嫈?shù)器因是低電平而滿足工作條件，在下一個脈沖到來時開始計數(shù)，脈沖過去后又停止工作，直到低位計數(shù)器再次進位。例如，在本設計

30、中需要一個10000進制的計數(shù)器，就可以利用上CD4510的級聯(lián)功能了。 CD4510的邏輯時序圖如圖2.9所示。 CD4510的典型工作參數(shù)如表2.2所示。圖2.9 CD4510邏輯時序圖表2.2 CD4510典型工作參數(shù)CHARACTERISTICCONDITIONS(V)LIMITS AT INDICATED TEMPERATURESUNITS-55-40+85+125+25Min.Typ.Max.Quiescent Device Current Max-0，5555150150-0.045-0，10101010300300-0.0410-0，15152020600600-0.0420-

31、0，202010010030003000-0.08100Output Low (Sink)Current Min0.40，550.640.610.420.360.511-mA0.50，10101.61.51.10.91.32.6-1.50，15154.242.82.43.46.8-Output High (Source)Current Min4.60，55-0.64-0.61-0.42-0.36-0.51-1-2.50，55-0.2-1.8-1.3-1.15-1.6-3.2-9.50，1010-1.6-1.5-1.1-0.9-1.3-2.6-13.50，1515-4.2-4-2.8-2.4-3

32、.4-6.8-Output Voltage Low-Lever Max-0，550.05-00.05V-0，10100.05-50.05-0，15150.05-100.05Output Voltage High-Lever Min-0，554.954.9515-0，10109.959.95-0，151514.9514.95-Input Low Voltage Max0.5，4.5-51.5-1.5V1，9-103-31.5，13.5-154-4Input High Voltage Min0.5，4.5-53.53.5-1，9-1077-1.5，13.5-151111-Input Current

33、 Max-0，1818表2.3 CD4510真值表CLKU/PERActionX1X00No Count0100Count Up0000Count DownXXX10PresentXXXX1Reset圖2.10 CD4510內部電路原理2.2.2.2 由CD4510組成的時間繼電器計數(shù)器 用CD4510構建的計數(shù)器，具有功耗低，工作穩(wěn)定可靠，調整方便，生成PCB容易等優(yōu)點?，F(xiàn)讓我們來研究一下由CD4510組成的時間繼電器計數(shù)器。 前面已經說過，CD4510級聯(lián)時，其前后級間的進位控制是由芯片的控制端和的配合來完成的。事實上，我們此次設計的時間繼電器就是一個定時器，只是它能夠顯示剩余的定時時間，

34、而且能夠用于控制大功率電器。在前面我們已經說過，本時間繼電器采用的是減計數(shù)方式定時的，LED數(shù)碼管上顯示的時間始終是剩余的時間，因此就此來說此顯示方式是十分直觀的。對于計數(shù)器定時時間的設置，是采用先置數(shù)再計數(shù)的工作方式，下面我們就“計數(shù)器工作原理”及“計數(shù)器進位原理”兩個方面加以說明。（1）計數(shù)器工作原理計數(shù)器工作狀態(tài)轉換。計數(shù)器的工作原理如左圖所示。電阻R1和電容C1共同構成系統(tǒng)開機時的自動狀態(tài)轉換電路，其原理是這樣的：由于電容充電是需要一個過程的，也就是說，在剛開機的一瞬間，電容C1兩端的電壓是不能夠突然變化的，不能突然由“0”上升到“VCC”，反而是停留在0V，因此與電容上端連接的計數(shù)器

35、的PE引腳也是0V，所以此時計數(shù)器工作于置數(shù)狀態(tài)，其輸出為預置數(shù)即Q3Q2Q1Q0=P3P2P1P0。同時，電容C1通過電阻R1及+12V電源充電，其充電時間常數(shù)由下列公式決定 圖2.11 計數(shù)器 可將充電時間常數(shù)設為0.01秒，所以由以上公式可知，可將R1設為100K，將C1設為0.1uF。所以，隨著電容C1充電的進行，電容C1上端電壓將不斷上升，結果是充電結束后其端電壓將為VCC=+12V，與其相連的計數(shù)器PE端的電壓也將變?yōu)?12V，這樣，此時計數(shù)器就會工作于計數(shù)狀態(tài)，計數(shù)器將隨計數(shù)脈沖的輸入作加或減計數(shù)操作。加/減計數(shù)轉換控制。前面已經說過，本時間繼電器將采用減計數(shù)的工作方式。這樣，開

36、機瞬間計數(shù)器讀入預置的二進制數(shù)后從輸出端輸出，再經譯碼驅動器和數(shù)碼LED顯示器后顯示出來，這種顯示方式有一個好處，就是比較直觀，LED顯示器上顯示的就是剩余的動作時間。由于采用了減計數(shù)的工作方案，所以計數(shù)器應該設置為減計數(shù)的工作方式，而計數(shù)器中的U/端就是加/減計數(shù)功能控制端。在U/功能端接入高電平時，計數(shù)器工作于加計數(shù)狀態(tài)（UP）；在U/端接入低電平時，計數(shù)器工作于減計數(shù)狀態(tài)（DOWN）。 時間繼電器的驅動輸出是靠4片計數(shù)器的借位輸出端與一片雙4輸入或非門連接后經三極管驅動電磁繼電器輸出的。因為計數(shù)器是做減法運算的，其二進制輸出端最終會由“1001”減為“0000”，此時計數(shù)器的借位輸出端將

37、輸出一低電平的借位信號，其維持時間為一個時鐘周期。當4片計數(shù)器都輸出“0000”時，即定時時間到時，4片計數(shù)器的借位輸出端都會輸出低電平的借位信號，由于此時各端都連入了一片4輸入或非門的輸入端，所以造成或非門的輸入端信號都是低電平“0”，遵循或非門“有1出0，全0出1”的邏輯功能規(guī)則，此時或非門將輸出高電平的驅動信號，此信號經三極管的共發(fā)射極放大電路之后驅動電磁繼電器工作，而時間繼電器于此時常閉觸點斷開、常開觸點閉合。其原理圖如圖2.12所示。圖2.12 驅動輸出（2）計數(shù)器進位 由于一片十進制計數(shù)器只能顯示一位十進制數(shù)，而我們所設計的時間繼電器要求計數(shù)范圍是00009999，因此需要4片十進

38、制計數(shù)器進行級聯(lián)。利用計數(shù)器芯片可以很方便地構成任意進制的計數(shù)器，而計數(shù)器級聯(lián)的方法主要有反饋歸零法和反饋置數(shù)法兩種，現(xiàn)分別加以介紹。 反饋歸零法 這種級聯(lián)方法是利用計數(shù)器清零端的清零作用，截取技術過程中的某個中間狀態(tài)控制清零端，使計數(shù)器由此狀態(tài)返回到零重新開始計數(shù)，這樣就棄掉了一些狀態(tài)，把模較大的計數(shù)器改成了模較小的計數(shù)器。 例如，要求利用十進制計數(shù)芯片CD4510構成二十三進制計數(shù)器。因為CD4510是十進制計數(shù)器，要用它來構建二十三進制計數(shù)器，就是要求計數(shù)器的模=23，這需要兩片CD4510才能完成。CD4510的清零端RST為高電平有效，計數(shù)時應置RST端為高電平。為構成二十三進制計數(shù)

39、器，當?shù)臀黄虞敵?（即二進制0011），高位片子輸出2（即二進制0010）時，應執(zhí)行歸零功能，此時只要將處于1狀態(tài)的輸出端反饋給芯片清零端RST就可以了，起邏輯接線圖如圖2.13所示。圖2.13 反饋歸零法 由以上例子可知，確定0所取輸出代碼是個關鍵，這個芯片的清零方式有關（同步清零還是異步清零）。異步清零是一N作為置零的輸出代碼，同步清零是以N-1作為置零的輸出代碼。此外還要注意清零端的有效電平，以確定反饋引導門是與門還是與非門。 反饋置數(shù)法 利用具有置數(shù)功能的計數(shù)器（如CD4510），截取某一計數(shù)中間狀態(tài)反饋到置數(shù)端，而將數(shù)據輸入端P3P2P2P1全部接零，這樣就會使計數(shù)器的狀態(tài)在000

40、0到這一中間狀態(tài)之間循環(huán)，這種方法類似于反饋歸零法。另一種方法是利用計數(shù)器到達1111這個狀態(tài)時產生的進位信號，將進位信號（高電平）反饋到置數(shù)端，而數(shù)據輸入端P3P2P1P0置成需要的某一最小數(shù)p3p2p1p0，則計數(shù)器就可重新沖這一最小數(shù)開始計數(shù)，整個計數(shù)器將在p3p2p1p01111等N個狀態(tài)中循環(huán)。 例如，要設計一個自然二進制碼00000111的計數(shù)器，選用CD4510，由于該電路在CP作用下才能置數(shù)，故用N-1即0111作為置數(shù)信號，數(shù)據輸入端P3P2P1P0接為0000，由Q3Q2Q1Q0端引出的1信號經與非門送置數(shù)控制端即可，邏輯圖如圖2.14所示。顯然，該計數(shù)器為9進制計數(shù)，即N

41、=9。 圖2.14 反饋置數(shù)法 時間繼電器進位 本時間繼電器的進位，是采用的級間直接連接的同步計數(shù)、同步進位的工作方式。其原理圖如圖2.15所示。詳見下圖。圖2.14 計數(shù)器進位如上圖所示，本電路使用了計數(shù)器CD4510的使能端即第5腳。在計數(shù)時，IC5IC8的8421碼輸出端逐漸輸出00001001的四位二進制數(shù)（或0000預置數(shù)），當?shù)臀挥嫈?shù)器芯片從0000計數(shù)至1001時，其進位輸出端輸出跳變?yōu)榈碗娖?，為高為計?shù)器的工作提供了條件。因為端在平時是高電平的，因此與其相連接的高位片的端也是高電平，這使高位片強制停止工作，不能計數(shù)。只有在低位片有進位輸出而變?yōu)榈碗娖綍r，高位片才能計數(shù)，隨著下一

42、個計數(shù)脈沖的到來，高位片加1，低位片回零，然后又回到高位片不工作的狀態(tài)。圖中，按鈕是為重新計時而設置的。當按下按鈕時，計數(shù)器的計數(shù)/置數(shù)功能轉換端接入低電平，計數(shù)器讀入由置數(shù)端置入的二進制數(shù)據，在松開按鈕后計數(shù)器再重新計數(shù)、定時。2.2.3 顯示電路設計在數(shù)字系統(tǒng)中，常常需要將測量或數(shù)值運算結果或字符直接顯示出來，以便于人們監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。因此，數(shù)字顯示電路通常是數(shù)字設備中不可缺少的組成部分。數(shù)字顯示電路通常包含譯碼驅動電路和數(shù)碼顯示電路，其框圖如下：8421BCD碼數(shù)碼顯示器譯碼器圖2.15 驅動顯示2.2.3.1顯示驅動器在此次設計中，我們采用了CD4511作為7段LED數(shù)碼顯示器

43、的譯碼驅動電路。CD4511是BCD碼至七段碼的集成譯碼器，即4-7線譯碼器，可實現(xiàn)將四位的BCD輸入信號(DCBA)轉換成7位(、)的編碼信號的功能。CD4511的引腳功能如圖2.16所示。圖2.16 CD4511引腳圖譯碼顯示器的內部邏輯功能電路如圖2.17所示。圖2.17 CD4511內部邏輯電路 現(xiàn)根據圖2.16和圖2.17介紹譯碼顯示器的功能。各功能引腳的真值表如表2.4所示。 A、B、C、D為芯片輸入端，從此處輸入二進制的BCD編碼，經譯碼器譯碼后輸出、的7位編碼信號，然后驅動LED數(shù)碼顯示管顯示。 、為7位編碼信號輸出端，它們是高電平的有效輸出，可用于驅動共陰極的LED數(shù)碼顯示管

44、。表2.4 CD4511功能真值表D C B Aa b c d e f gXX0X X X X1 1 1 1 1 1 18X0X X X X0 0 0 0 0 0 0Blank010 0 0 01 1 1 1 1 1 00010 0 0 10 1 1 0 0 0 01010 0 1 01 1 0 1 1 0 12010 0 1 11 1 1 1 0 0 13010 1 0 00 1 1 0 0 1 14010 1 0 11 0 1 1 0 1 15010 1 1 00 0 1 1 1 1 16010 1 1 11 1 1 0 0 0 07011 0 0 01 1 1 1 1 1 18011 0

45、 0 11 1 1 0 0 1 19011 0 1 00 0 0 0 0 0 0Blank011 0 1 10 0 0 0 0 0 0Blank011 1 0 00 0 0 0 0 0 0Blank011 1 0 10 0 0 0 0 0 0Blank011 1 1 00 0 0 0 0 0 0Blank011 1 1 10 0 0 0 0 0 0Blank11X X X X* 為燈測試輸入端，是低電平有效，當此端接入低電平時，驅動器輸出與其它輸入狀態(tài)無關，而輸出為全1，即與之相連的數(shù)碼LED顯示器顯示數(shù)字“8”。 為滅燈輸入控制端，低電平有效，當端接入低電平時，驅動器無驅動輸出，驅動輸出全0

46、即數(shù)碼LED顯示器無任何顯示。 為驅動器使能端，低電平有效，當此端接入低電平時譯碼驅動器才能工作。2.2.3.2 LED數(shù)碼顯示器如今的數(shù)碼顯示器有多種類型，如LED數(shù)碼管，熒光數(shù)碼管，液晶數(shù)碼顯示器，等等。我們主要采用的顯示方式是利用LED數(shù)碼管。因為LED數(shù)碼管具有成本低，驅動電路簡單，現(xiàn)實亮度高，直觀而且清晰，抗干擾性能好等眾多優(yōu)點，所以這里采用LED數(shù)碼管的顯示方式。下面簡要介紹一下LED數(shù)碼管。LED七段數(shù)碼管就是半導體數(shù)碼管，其內部結構就是由8個LED發(fā)光二極管組成的，其中一個用于顯示小數(shù)點，另外7個用于顯示數(shù)字。所以，LED數(shù)碼管的基本單元結構就是PN結，目前的LED數(shù)碼管較多采

47、用的是磷砷化鎵PN結發(fā)光二極管結構。單個PN結可以封裝成發(fā)光二極管，而多個PN結的組合就可以封裝成分段式半導體數(shù)碼管。發(fā)光二極管工作時的管壓降為1.53V，工作電流為幾毫安到十幾毫安，壽命很長。LED數(shù)碼管根據內部組成LED接法的不同可以分類為共陰極和共陽極兩大類，圖2.18是共陰和共陽極數(shù)碼管的內部組成電路，以及LED數(shù)碼管的外觀圖，它們的發(fā)光原理都是一樣的，不同的只是電源極性的差異。了解了LED的這些特性，對我們的設計是有很大幫助的，還 圖2.18 數(shù)碼管有助于對軟件的編程，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，它們各自的編程方法也是不同的。將數(shù)只LED的陰極連在一起即為共陰式

48、驅動，而將數(shù)只LED的陽極連在一起即為共陽式驅動。以共陰式為例，如把陰極接地，在相應段的陽極接上正電源，該段即會發(fā)光。當然，LED的驅動電流通常較小，所以一般均需在回路中接上限流電阻。假如我們將“b”和“c”段接上正電源，其它端接地或懸空，那么“b”和“c”段發(fā)光，此時，數(shù)碼管顯示將顯示數(shù)字“1”。而將“a”、“b”、“d”、“e”和“g”段都接上正電源，其它引腳懸空，此時數(shù)碼管將顯示“2”。其它字符的顯示原理與此類同。LED是由8個發(fā)光二極管組成的，其中7個發(fā)光二極管排成“8”字行，另一段構成小數(shù)點“dp”。通過不同的組合，可用來顯示09、af及小數(shù)點“.”等字符。其字型碼如下表所示。表2.5 LED的顯示編碼表字形共陰極顯示共陽極顯示0123456789ABCDEF熄燈C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90H88H83HC6HA1H86H84HFFH3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FH77H7CH39H5EH79H71H00H由N個LED顯示塊可拼接成N位LED顯示器。根據顯示方式的不同，位選線