數(shù)字式定時開關(guān)

1、摘要 “日出而作，日沒而息”是人類在低水平生產(chǎn)力的農(nóng)耕時代的生活規(guī)律，這是通過太陽來大概的測量時間。在古時候也有使用日晷、燃香、沙漏等來衡量時間。而在現(xiàn)代有各種時間衡量工具，如手機(jī)、手表、秒表。為提高生活質(zhì)量以及效率，家庭中的許多電路需要定時裝置來實現(xiàn)自動控制。本次課題目的：設(shè)計數(shù)字式定時開關(guān)，通過BCD撥碼開關(guān)來實現(xiàn)定時時間的長短，并倒計時顯示時間，通過減計數(shù)器實現(xiàn)時間的計時，時間到了之后，發(fā)出報警音，并切斷電路，以實現(xiàn)定時功能。本設(shè)計采用CD4060芯片，即14級2分頻器和振蕩器，外搭載晶振振蕩回路產(chǎn)生秒脈沖，作為時鐘脈沖，以供計數(shù)器作為時鐘信號。由于采用的32768Hz的晶體振蕩器，需要

2、15級分頻，在CD4060之后加一D觸發(fā)器再次實現(xiàn)二分頻得到秒脈沖信號。之后經(jīng)由74LS190十進(jìn)制BCD碼減計數(shù)器實現(xiàn)倒計時計數(shù)。而后通過CD4511芯片將4位的BCD碼譯碼成七段共陰數(shù)碼管需要的碼段。通過計數(shù)器的借位端來實現(xiàn)報警、控制等功能。結(jié)論以及實現(xiàn)的功能：本次設(shè)計完整的實現(xiàn)了9秒倒計時計數(shù)，并且能夠保持0狀態(tài)蜂鳴器報警，且通過繼電器切斷LED回路。與此同時拓展了一塊74LS190芯片來實現(xiàn)級聯(lián)，實現(xiàn)了99秒倒計時計數(shù)?？赏ㄟ^8位BCD撥碼器預(yù)置所需要的倒計時時間。關(guān)鍵字：定時、秒脈沖、減計數(shù)器、BCD碼、繼電器目錄 前 沿1第一章 設(shè)計要求 2 1.1 基本要求 2 1.2 提高要求

3、 2第二章 系統(tǒng)的組成及工作原理 32.1系統(tǒng)組成 32.2 系統(tǒng)工作原理 3第三章 電路方案設(shè)計 43.1 秒脈沖的實現(xiàn) 4 3.1.1方案一（NE555多諧振蕩器） 4 3.1.2方案二（CD4060振蕩分頻器）4 3.1.3 秒脈沖方案的選取 63.2減計數(shù)的級聯(lián)7 3.2.1 方案一7 3.2.2 方案二7 3.2.3 減計數(shù)方案的選取8第四章 單元電路的設(shè)計與仿真94.1秒脈沖電路的設(shè)計與仿真 9 4.1.1 NE555秒脈沖電路的設(shè)計與仿真 9 4.1.2 CD4060秒脈沖電路的設(shè)計與仿真104.2 BCD十進(jìn)制減計數(shù)器設(shè)計與仿真 144.3 譯碼顯示電路設(shè)計與仿真16 4.3.

4、1 CD4511譯碼驅(qū)動電路的設(shè)計與仿真16 4.3.2八段共陰數(shù)碼管 174.4 控制電路及報警與開關(guān)電路的設(shè)計與仿真19 4.4.1控制電路（保持0功能）的設(shè)計與仿真 19 4.4.2 控制電路（置數(shù)功能）的設(shè)計與仿真 20 4.4.3 報警與開關(guān)電路的設(shè)計與仿真 20第五章 實驗、調(diào)試及測試結(jié)果分析215.1 實驗215.2 調(diào)試225.3 測試結(jié)果及分析22 第六章 結(jié)論23 參考文獻(xiàn)24 附錄25 附錄一 Multisim仿真原理圖25 附錄二 PCB原理圖25 附錄三 芯片資料26 附錄四 設(shè)計作品展示28 附錄五 元件清單29前言隨著社會的發(fā)展，家用電器不斷地步入家家戶戶，在定時

5、方面的電路就更加迫切需要，通過定時來告訴用戶電器的工作狀態(tài)，以及控制電器工作，保護(hù)電路，節(jié)省資源?，F(xiàn)在的家用電器，如空調(diào)，全自動洗衣機(jī)，風(fēng)扇等都有開關(guān)定時功能，使得電器更加智能化，性能更加穩(wěn)定。本次課程設(shè)計目的在于通過數(shù)字電路實現(xiàn)短時間的定時功能。通過繼電器可以應(yīng)用到各種電器中的計時電路中，同時可以拓展到長時間的計時工作電路。在現(xiàn)實生活中具有很多大的實用價值。第1章 設(shè)計要求 1.1 基本要求設(shè)計并制作一數(shù)字式定時開關(guān)，此開關(guān)采用BCD撥盤預(yù)置開關(guān)時間，其最大定時時間為9秒，計數(shù)時采用倒計時的方式并通過一位LED數(shù)碼管顯示。此開關(guān)預(yù)置時間以后通過另一按鈕控制并進(jìn)行倒計時，當(dāng)時間顯示為0時，開關(guān)

6、發(fā)出開關(guān)信號，輸出端呈現(xiàn)高電平，開關(guān)處于開態(tài)，再按按鈕時，倒計時又開始。計時時間到驅(qū)動揚(yáng)聲器報警。1.2 提高要求l)輸出部分加遠(yuǎn)距離(100m)繼電器進(jìn)行控制2）延長定時時間3)探討提高定時精度的方法第2章 系統(tǒng)的組成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成外部操作開關(guān)減計數(shù)器秒脈沖發(fā)生器報警電路控制電路數(shù)碼管譯碼顯示 圖1.1 系統(tǒng)組成圖2.2 系統(tǒng)工作原理 本設(shè)計通過秒脈沖作為減計數(shù)器的cp脈沖，每來一個cp，減1計數(shù)，同時通過譯碼器，將數(shù)值數(shù)碼管顯示。當(dāng)計數(shù)值減到0時，電路報警，并斷開需要控制的電路。通過外部的開關(guān)可實現(xiàn)置數(shù)，重新計時。下面詳細(xì)敘述電路工作流程。 秒脈沖的實現(xiàn)有很多方法，本設(shè)計將NE

7、555 和 CD4060加入考慮范疇。NE555通過外部電阻電容實現(xiàn)振蕩；CD4060即可以使用容性振蕩回路，又可以使用晶體振蕩器來提高時間的精度。產(chǎn)生的秒脈沖接入74LS190十進(jìn)制加減計數(shù)器的cp端作為時鐘脈沖。而后經(jīng)由CD4511 七段共陰數(shù)碼管譯碼芯片來將74LS190的輸出BCD碼譯成數(shù)碼管可用的碼段，并顯示。當(dāng)計數(shù)值達(dá)到0時，74LS190 借位端輸出一個低電平，經(jīng)由反相器實現(xiàn)變?yōu)楦唠娖絹韺崿F(xiàn)控制的作用。此時經(jīng)過一個NPN三極管，此三極管在此作為開關(guān)使用，當(dāng)高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報警，同時繼電器工作，切斷工作電路。同時該高電平返回秒脈沖產(chǎn)生芯片，切斷秒脈沖的產(chǎn)生，以此達(dá)到保持

8、在0狀態(tài)的效果。外部控制開關(guān)可以使用單刀雙擲的撥動開關(guān)，也可以使用按鍵開關(guān)，這是需要串接電阻，來實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換，該開關(guān)接入 74LS190 的置數(shù)端，以此來實現(xiàn)重新計時的功能，此時借位端變?yōu)楦唠娖?，重新開始減計數(shù)直到減為0為止。通過74LS190 的4個并行數(shù)據(jù)輸入端可以實現(xiàn)計時時間的可變，只要在數(shù)據(jù)段前接上一組撥碼開關(guān)即可。想要延長計時時間，只要將 74LS190級聯(lián)即可，其中一種級聯(lián)方法為第一級74LS190 的借位端接到下一級的cp端，第二種方法，第一級和第二級共用同一時鐘脈沖，但是第一級的借位端接到下一級的保持端。第3章 電路方案設(shè)計3.1 秒脈沖的實現(xiàn)3.1.1方案一（NE555

9、多諧振蕩器）圖3.1 NE555多諧振蕩器圖3.1為使用NE555多諧振蕩功能電路產(chǎn)生秒脈沖的電路，由3腳接出即可得到接近1S的脈沖信號。通過R1，R2，C2，可以求的振蕩周期，即脈沖信號周期，由此可通過周期選取電阻電容。其中C1為濾波電容，濾除雜波，一般選取0.01uF。3.1.2方案二（CD4046振蕩分頻器）圖3.2為使用CD4060芯片構(gòu)成的振蕩電路，CD4060為SOC振蕩器，同時也為14級分頻器。因此采用32768Hz的晶振振蕩，14級分頻得到的脈沖信號頻率為 因此要得到1S 的時鐘周期信號，仍需要一次2分頻，這時可采用74LS74雙D觸發(fā)器，見圖3.3，其中RS端為功能清除、預(yù)置

10、端。 圖3.2 CD4060振蕩分頻電路 圖3.3 74LS74雙D觸發(fā)器二分頻電路 3.1.3 秒脈沖方案選取由于石英晶體振蕩器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定性高等優(yōu)點，選取方案二，CD4060振蕩分頻電路。NE555產(chǎn)生的秒脈沖信號誤差相對較大，尤其是電阻無法得到合適的阻值，電容沒有合理搭配。必然導(dǎo)致周期一定的偏差，且該誤差將大于石英晶體振蕩器的誤差。遂選取方案二。3.2 減計數(shù)的級聯(lián)3.2.1 方案一 圖3.4 74LS190級聯(lián)電路1 圖3.4為74LS190的級聯(lián)電路，兩芯片共用同一cp脈沖信號，第一級輸出不為0事，U1的RC為高電平，此時U2保持，第二級數(shù)值不變；當(dāng)?shù)谝患墱p

11、數(shù)到0時，U1的13腳RC端產(chǎn)生一個低電平信號，U2減數(shù)工作，再來一個cp，即一秒U1回到9，U2回到保持狀態(tài)。3.2.2 方案二 圖3.5為74LS190的另一種級聯(lián)電路，第一級的cp端由秒脈沖信號提供，第一級的借位端給第二級的cp端，即U3的RC與U4的cp相連。當(dāng)U3減到0時產(chǎn)生一個借位輸出，相當(dāng)于一個cp，此時U4減計數(shù)。 圖3.5 74Ls190級聯(lián)電路23.2.3減計數(shù)級聯(lián)方案選取 由于兩種方案并沒有太大差別，本設(shè)計選取方案二。第4章 單元電路設(shè)計與仿真4.1 秒脈沖電路設(shè)計與仿真4.1.1 NE555秒脈沖電路設(shè)計與仿真 圖4.1 NE555多諧振蕩器圖3.1 為使用NE555芯

12、片構(gòu)成秒脈沖信號產(chǎn)生的電路。此時R1=30K，R2=56K ，C=10uF 。其中5腳接的0.01uF電容為濾波作用。Rl為負(fù)載，在實際電路中不做考慮。有NE555多諧振蕩周期計算公式 公式1 選取C為10uF電容 ，則R1+2R2 142.86 K。 因此取 R1 = 30K R2 = 56K此時求的 T = 0.994 S 誤差 = 0.994/1 =99.4%圖4.1 為該電路的示波器仿真波形，測量的到的周期T=988.701mS，這與計算結(jié)果仍然還有一定差距。為提高定時精度，決定使用CD4060來實現(xiàn)秒脈沖。 圖4.2 NE555秒脈沖仿真輸出波形圖4.1.2 CD4060秒脈沖電路設(shè)

13、計與仿真 圖4.3 CD4060秒脈沖電路 圖4.3為CD4060芯片實現(xiàn)秒脈沖的電路，該電路一般只要接上就能夠產(chǎn)生秒脈沖信號，由于Multisim仿真振蕩需要耗費大量的計算機(jī)內(nèi)存，特別是晶體振蕩模擬電路和CD4060數(shù)字電路一起仿真，大量的運(yùn)算。計算機(jī)無法測得示波器數(shù)據(jù)。所以此處不再進(jìn)行示波器的仿真結(jié)果。下面詳細(xì)介紹CD4060芯片的功能，CD4060由一振蕩器和14級二進(jìn)制串行計數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，CR為高電平時，計數(shù)器清零且振蕩器使用無效。所有的計數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計數(shù)。在時鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對時鐘上升和

14、下降時間無限制。如圖4.4 ，上圖為RC振蕩電路的典型圖，下圖為石英晶體振蕩電路的典型圖。 圖4.4 CD4060振蕩內(nèi)部示意圖剩余CD4060管腳，如7、5、4、6、14、13、15、1、2、3依次為各分頻引腳。內(nèi)部構(gòu)造如圖4.5。圖4.5 CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由于CD4060最多只有14級分頻，最多可得到2Hz的脈沖。為得到1Hz脈沖信號。需要再一次二分頻，本設(shè)計采用74LS74雙上升沿D觸發(fā)器來實現(xiàn)二分頻，74LS74具有清除，預(yù)置端。 74LS74真值表如表4.1： 表4.1 74LS74功能表 有表可得 公式2 由公式2 公式3 畫出波形圖如圖4.6 圖4.6 74LS74二分頻

15、電路仿真波形 圖4.7 74LS74二分頻電路 圖4.8 秒脈沖電路4.2 BCD十進(jìn)制減計數(shù)器設(shè)計與仿真 74LS190是單時鐘同步可逆計數(shù)器，它可以進(jìn)行加計數(shù)，又可以進(jìn)行減計數(shù)。使用74LS190實現(xiàn)兩級十進(jìn)制減計數(shù)器，如圖4.9。 圖4.9 級聯(lián)十進(jìn)制減計數(shù)電路 圖4.10 74LS190功能表 圖4.11 74LS190時序圖4.3 譯碼顯示電路設(shè)計與仿真4.3.1 CD4511譯碼驅(qū)動電路設(shè)計與仿真 本設(shè)計的譯碼顯示采用CD4511來實現(xiàn)。仿真圖如圖4.12，此處電路暫時使用直接電源和地送數(shù)，輸出由于是高電平有效，使用共陰數(shù)碼管，在接入數(shù)碼管前串接200電阻限流，以防燒數(shù)碼管。 圖4

16、.12 CD4511譯碼顯示電路 CD4511 具有鎖存、譯碼、消隱功能。 BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。 LT：3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。 A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。 CD4511芯片真值表如

17、圖4.13 。 圖4.13 CD4511真值表4.3.2 八段共陰數(shù)碼管八段共陰數(shù)碼管是一系列發(fā)光二極管的并聯(lián)，其中共陰極，當(dāng)驅(qū)動電路為高電平，LED燈亮。 圖4.14 八段共陰數(shù)碼管 圖4.15 八段共陰數(shù)碼管內(nèi)部構(gòu)造圖4.4 控制電路及報警與開關(guān)電路設(shè)計與仿真4.4.1 控制電路（保持功能）的設(shè)計與仿真本設(shè)計需要實現(xiàn)倒計時計數(shù)到0時保持該狀態(tài)，且觸發(fā)報警及開關(guān)電路。本設(shè)計采用CD4001四2輸入或非門。當(dāng)?shù)褂嫊r到0狀態(tài)，此時兩級74LS190借位端都輸出低電平，只有2端都為低電平，或非之后才得到高電平，此時送回到CD4060的禁止端，禁止產(chǎn)生脈沖。保持在0狀態(tài)。示意圖見圖4.16。 圖4.

18、16 控制電路示意圖4.4.2 控制電路（置數(shù)功能）的設(shè)計與仿真 本設(shè)計的設(shè)計要求需要能夠倒計時到0后，可以通過一個開關(guān)觸發(fā)使得能夠重新計數(shù)。開關(guān)J1A斷開是，LOAD置數(shù)端為高電平，此時置數(shù)無效，計數(shù)器計數(shù)工作，開關(guān)閉合11腳置數(shù)端變?yōu)榈碗娖?，此時2芯片置數(shù)。電路圖見圖4.17。 圖4.17 置數(shù)電路4.4.3 報警與開關(guān)電路的設(shè)計與仿真 當(dāng)計數(shù)到0狀態(tài)時，CD4001得到一個高電平，此時利用該高電平，可以通過三極管來實現(xiàn)報警電路。當(dāng)高電平是三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時串接電源、蜂鳴器、繼電器、ec極的回路導(dǎo)通。蜂鳴器報警，同時繼電器工作，斷開工作電路。如圖4.18。 圖4.18 報警與開關(guān)電路

19、 繼電器內(nèi)部線圈的電阻一般為1K 左右，電磁式繼電器示意如圖4.19。 圖4.19 電磁式繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)1、2腳流過電流，一般1050mA時，DC 5V驅(qū)動繼電器工作，銜鐵接觸5腳 3、5腳導(dǎo)通，3、4腳斷開。 第五章 實驗、調(diào)試及測試結(jié)果分析5.1 實驗（1）領(lǐng)到元器件后，用萬用表測量電阻阻值，區(qū)分好電阻。同時將元器件歸好類。根據(jù)設(shè)計的模塊，分模塊，規(guī)劃好元器件，根據(jù)畫好的PCB圖來布局元器件，分模塊先后焊接電路。（2）焊接秒脈沖部分，以CD4060芯片為核心，焊接周圍其他電路，如晶體振蕩回路和D觸發(fā)電路。（3）置數(shù)功能電路部分焊接（4）74LS190的級聯(lián)電路，以及撥碼開關(guān)輸入部分電

20、路的焊接（5） CD4511譯碼驅(qū)動電路的焊接（6） 共陰數(shù)碼管的連接電路的焊接（7） 控制電路，即CD4001電路控制CD4060芯片的工作狀態(tài)電路的焊接（8） 報警以及開關(guān)電路的焊接（9） 注：毎焊接一個模塊不著急馬上焊接下一個模塊，而是一個模塊后進(jìn)行相關(guān)測試，實測是否電路有問題，這樣模塊化對較大的電路來說能夠很方便的找出問題并排除故障，實現(xiàn)電路功能。5.2 調(diào)試（1）秒脈沖電路的調(diào)試：秒脈沖電路焊接好后，接出正極和地，上電使用示波器測CD4060或74LS74輸出的脈沖信號波形，示波器的橫軸周期檔調(diào)到0.5S檔，縱軸電壓檔5V，觀測輸出信號周期。（2）74LS190的級聯(lián)電路的調(diào)試：74

21、LS190級聯(lián)電路的調(diào)試，直接接上驅(qū)動電路即CD4511驅(qū)動數(shù)碼管顯示，上電后將從99計數(shù)到0，不斷的循環(huán)計數(shù)，這是因為還沒有加入控制電路，只要仍有cp脈沖，計數(shù)器不斷減計數(shù)，此時大約是1S減1計數(shù)。（3）在使用數(shù)碼管時，不清楚數(shù)碼管管腳與數(shù)碼管LED的對應(yīng)關(guān)系時，可以使用萬用表的蜂鳴檔來測量，本次使用的是數(shù)字萬用表，使黑表筆頭接3或8腳GND，然后紅表筆依次觸及各引腳，觀察數(shù)碼管LED的點亮情況。（4）控制電路的調(diào)試：可直接上電，觀察數(shù)碼管是否能夠在0狀態(tài)保持。（5）報警及開關(guān)電路的調(diào)試：此部分電路起報警作用，上電后，數(shù)碼管不在0狀態(tài)時，三極管集電極的電壓為3.7V，高電平；而保持0狀態(tài)時三

22、極管導(dǎo)通，集電極接近0V，低電平，此時蜂鳴器報警，繼電器驅(qū)動工作，斷開原LED工作電路。（6）加入保持端，使得中途可以暫停時間。即74LS190的保持端CE。5.3 測試結(jié)果及分析秒脈沖電路焊接部分沒有問題，只要線路沒有問題，就能夠得到比較標(biāo)準(zhǔn)的周期為1S的方波脈沖信號。在焊接74LS190級聯(lián)部分電路時，撥碼開關(guān)不小心焊接短路，在第2模塊調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，檢查焊接電路并排除了短路。由于74LS190級聯(lián)線路較亂，經(jīng)常使用到飛線，易發(fā)生差錯，應(yīng)更加小心。CD4511譯碼驅(qū)動電路沒有什么大問題，在CD4511連接數(shù)碼管時需要特別留意數(shù)碼管的管腳，連接不當(dāng)，將產(chǎn)生亂碼。第一次設(shè)計的報警和開關(guān)電路，在0狀

23、態(tài)時，能夠報警但是由于沒有對繼電器充分認(rèn)識，沒有做好繼電器驅(qū)動電路的設(shè)計。網(wǎng)上尋找資料之后，找到驅(qū)動電路，將繼電器控制端并聯(lián)到蜂鳴器兩端，此時能夠起到報警又切斷開關(guān)的作用。但是在驗收過程中，老師提出該報警聲不夠響亮，很可能是繼電器與蜂鳴器搶去了電流。所以可將繼電器與蜂鳴器串聯(lián)，此處不再贅述。第6章 結(jié)論（1）本次設(shè)計使用到的秒脈沖在實際生活中有很大的使用價值，在很多定時電路中都能使用到。對時間精度的提高就很有必要，其中大部分時候，是使用NE555來實現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生，但是由于電阻以及電容等阻值誤差的限制，特別是計算公式的近式，產(chǎn)生脈沖周期誤差較大，但是較石英晶體振蕩器來說，NE555的多諧振蕩電路

24、能有靈活使用，方便調(diào)節(jié)脈沖占空比；而利用CD4060來產(chǎn)生的脈沖無疑較RC振蕩精確，穩(wěn)定。在本次實驗中，CD4060 OSC+14級2分頻有較高的時間精度。（2）電路的模塊化，不僅有利于個人分析電路，更有利于焊接電路，通過一步一步地模塊設(shè)計，模塊焊接，模塊測試，能夠較一整塊電路直接焊接成功率提高很大。模塊化的電路設(shè)計，降低了對個人的知識以及實踐技能要求。本次設(shè)計的數(shù)字式電路開關(guān)也為某些電器電路的一小部分模塊，通過模塊之間的銜接實現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，使得電路更加人性化，穩(wěn)定化。（3）通過本次設(shè)計了解到從題目要求到設(shè)計，到仿真，再到PCB制圖，最后焊接電路，實測數(shù)據(jù)，校驗成果的整個產(chǎn)品的制作過程。當(dāng)然在工廠等公司，制作過程會有出入，但核心思路是不會改變的，在未來的學(xué)習(xí)過程中，對仿真和PCB需要更加關(guān)注，靈活的使用這些軟件，能夠節(jié)省更多的時間，提高學(xué)習(xí)效率。（4）本次團(tuán)隊合作很愉快，一個人的思想即使再好，也總會有瑕疵的地方，與他人交換思想，交流共同，最后達(dá)成共識。這個過程需要彼此不斷的理解和寬容。一個人的思維總是容易受到自身思維的限制，2個人則能夠相互指點，在這里面，需要我們相互諒解，不要摻雜個人感情，錯肯定會有，只要改正就好。（5）在遇到問題的時候，要清晰的了解到時哪里出了問題，找出病灶。