多功能定時(shí)器課程設(shè)計(jì)

1、摘要在日常生活照，555定時(shí)器的應(yīng)用非常廣泛，我們常常用到定時(shí)控制。在早期運(yùn)用的是模擬電路設(shè)計(jì)的，它的準(zhǔn)確性和精度都不是很理想。然而現(xiàn)在基本上都是運(yùn)用數(shù)字技術(shù)。定時(shí)器可以控制一些常用電器，也可以構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)。它的功能強(qiáng)大，體積小且靈活，配以適當(dāng)?shù)男酒梢詫?shí)現(xiàn)許多功能。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，家用電器逐漸增多，不同的設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)不同的功能，需要自己的控制器，設(shè)計(jì)十分不便。根據(jù)這種情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能定時(shí)器，可以對(duì)許多電器進(jìn)行定時(shí)。這種具有智能化的產(chǎn)品有效的減輕了人們的勞動(dòng)，帶人們走進(jìn)智能化的時(shí)代，為家庭數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)提供了可能。關(guān)鍵詞：555定時(shí)器；多功能；電器目錄1方案論證

2、11.1方案的比較環(huán)節(jié)11.2實(shí)驗(yàn)方案12原理及技術(shù)指標(biāo)22.1實(shí)驗(yàn)原理22.2實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)23單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算33.1單元電路設(shè)計(jì)33.1.1控制電路33.1.2可控脈沖發(fā)生電路33.1.3延時(shí)控制電路53.1.4電源電路63.2實(shí)驗(yàn)的連接與處理73.2.1各部件實(shí)現(xiàn)功能73.2.2實(shí)驗(yàn)處理84電路圖94.1電路圖95設(shè)計(jì)小結(jié)95.1個(gè)人感悟105.2遇到問(wèn)題及解決途徑10參考文獻(xiàn)11附錄121 1方案論證1.1方案的比較環(huán)節(jié)方案一：通過(guò)51單片機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)一個(gè)電路系統(tǒng)方案二：采用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。方案三：采用晶振產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)

3、化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。比較分析：三種方案相比較，方案一需要進(jìn)行編程，而我們無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)編寫好完整的程序，可實(shí)現(xiàn)性不強(qiáng)。方案二：555定時(shí)器芯片是一種廣泛應(yīng)用的中規(guī)模集成電路，只要外圍配以幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等應(yīng)用電路，以此為基礎(chǔ)可設(shè)計(jì)各種實(shí)用的電路形式。而方案三的晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào) ，但采用晶振需要較多的元器件，并且電路圖比較麻煩，而且也不能達(dá)到鍛煉思考能力、電路分析的目的。因此，通過(guò)比較實(shí)用性，合理性，選擇方案二。1.2實(shí)驗(yàn)方案電源電路采用橋式整流電路從220VAC到5VDC的整流，可控

4、脈沖發(fā)生器采用555多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，延時(shí)電路由6級(jí)74LS160芯片組成前兩級(jí)為秒脈沖觸發(fā)，不參與判斷，后四級(jí)為分鐘脈沖觸發(fā)，用74LS160控制置位端的A，B，C，D門一個(gè)脈沖開關(guān)控制此計(jì)數(shù)器的觸發(fā)連接74LS21，可通過(guò)選通來(lái)確定所需要的輸出位，當(dāng)滿足條件就會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)通過(guò)繼電器的閉合控制用電器開關(guān)。 2原理及技術(shù)指標(biāo)2.1實(shí)驗(yàn)原理用555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖，即輸出周期為1秒的方波脈沖，將該方波脈沖信號(hào)送到秒計(jì)數(shù)器74LS160的CLK脈沖端,由于設(shè)計(jì)需要調(diào)整時(shí)間達(dá)到5min-18h和55min-20h，所以是分為秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器。秒計(jì)數(shù)器為60進(jìn)制

5、，需要兩級(jí)74LS160，個(gè)位計(jì)數(shù)器為十進(jìn)制，十位計(jì)數(shù)器為六進(jìn)制，組合而成為六十進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器分計(jì)數(shù)器為均十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器由于18h為1080min，20h為1200min，所以分計(jì)數(shù)器需要四級(jí)74LS192芯片，再通過(guò)調(diào)整輸ABCD的位置才調(diào)整2.2實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)它既可以對(duì)應(yīng)用電器進(jìn)行一次定時(shí)控制，又可以對(duì)電氣進(jìn)行循環(huán)控制。電路要求由電源電路、可控脈沖發(fā)生器、延時(shí)控制電路和控制執(zhí)行電路組成。1）定時(shí)和控制選用555定時(shí)器和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；2）設(shè)計(jì)方案要有比較環(huán)節(jié)； 3) 并且一次定時(shí)時(shí)間可設(shè)定5min18h，循環(huán)定時(shí)時(shí)間55min20h；設(shè)定控制功率為500W，自身耗電要小于1W。4）用繪圖軟件

6、繪制原理圖。3單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1單元電路設(shè)計(jì)3.1.1控制電路 控制電路由開關(guān)、清零和循環(huán)按鍵組成，開關(guān)是通過(guò)脈沖控制器判斷給秒脈沖的CLK端圖3-1控制電路A圖3-2控制電路B3.1.2可控脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電路是由555定時(shí)器組成的，555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，電路如圖3-1-2所示。一般用雙極性工藝制作的稱為555，用CMOS工藝制作的稱為7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器556/7556。555定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為200mA，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電

7、平兼容。它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3腳：輸出端Vo。2腳：低觸發(fā)端。6腳：TH高觸發(fā)端。4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。 在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，555時(shí)基電路的功能表如表3-1-1所示。 圖3-3 可控

8、脈沖發(fā)生電路時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器是由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器構(gòu)成，通過(guò)設(shè)置合適的R1、R2和C值可以將輸出頻率調(diào)整為1Hz。 在精度要求相對(duì)不高的情況下，多諧振蕩器的振蕩頻率可由下式估算： f0=1/(0.69*(R1+2R2)*C) 那么，當(dāng)R1=16K R2=16k，C=10F由于R1是可調(diào)電阻，所以通過(guò)改變R1的電阻值達(dá)到改變頻率可以實(shí)現(xiàn)可控的環(huán)節(jié)。3.1.3延時(shí)控制電路延時(shí)控制電路又可以稱為計(jì)數(shù)器電路，計(jì)數(shù)是一種最簡(jiǎn)單基本的運(yùn)算，計(jì)數(shù)器就是實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)算的邏輯電路，計(jì)數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中主要是對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、計(jì)數(shù)和控制的功能，同時(shí)兼有分頻功能，計(jì)數(shù)器是由基本的計(jì)

9、數(shù)單元和一些控制門所組成，計(jì)數(shù)單元?jiǎng)t由一系列具有存儲(chǔ)信息功能的各類觸發(fā)器構(gòu)成，這些觸發(fā)器有RS觸發(fā)器、T觸發(fā)器、D觸發(fā)器及JK觸發(fā)器等。計(jì)數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如在電子計(jì)算機(jī)的控制器中對(duì)指令地址進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便順序取出下一條指令，在運(yùn)算器中作乘法、除法運(yùn)算時(shí)記下加法、減法次數(shù)，又如在數(shù)字儀器中對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)等等。計(jì)數(shù)器可以用來(lái)顯示產(chǎn)品的工作狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)主要是用來(lái)表示產(chǎn)品已經(jīng)完成了多少份的折頁(yè)配頁(yè)工作。它主要的指標(biāo)在于計(jì)數(shù)器的位數(shù)，常見的有3位和4位的。很顯然，3位數(shù)的計(jì)數(shù)器最大可以顯示到999，4位數(shù)的最大可以顯示到9999。本次我們使用的74LS160本身就是一個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，而這次設(shè)計(jì)

10、的四位十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)是通過(guò)進(jìn)位端與另一個(gè)兩層級(jí)聯(lián)的74LS160芯片組成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器是CLK相連實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)原理與數(shù)學(xué)中的數(shù)數(shù)沒多大區(qū)別，首先由秒計(jì)數(shù)器機(jī)夠60進(jìn)位到個(gè)位0-9，則進(jìn)一位到10位，10位從0到9，則進(jìn)一位到100位，當(dāng)計(jì)數(shù)到999時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)一位到1000.于是就實(shí)現(xiàn)了4位數(shù)的計(jì)數(shù)。表3-4 延時(shí)控制電路功能CLKRDLDEPET邏輯功能X0XXX預(yù)置數(shù)（同步）1011保持X1101保持X11X0保持1111計(jì)數(shù)由上表可知當(dāng)RD=0時(shí)計(jì)數(shù)器為全零狀態(tài)。因清零不需與時(shí)鐘脈沖CP同步作用，因此稱為異步清零。當(dāng)清零端RD=1時(shí)，使能端 EP=ET=1時(shí)，預(yù)置控制端LD=0，電路

11、可實(shí)現(xiàn)同步預(yù)置數(shù)功能。當(dāng)RD=LD=1時(shí)只要EP與ET中的一個(gè)為0，即封鎖了四個(gè)觸發(fā)器的J、K端使其全為0此時(shí)無(wú)CP脈沖，各觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。當(dāng)LD=RD=EP=ET=1時(shí)電路可實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能。因此，采用兩片74LS160芯片級(jí)聯(lián)，首先構(gòu)成100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，再通過(guò)適當(dāng)?shù)呐c非門改造成60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器即可。圖3-5 延時(shí)電路3.1.4電源電路 圖3-6 電源電路本設(shè)計(jì)是需要一個(gè)+5V直流電源供電，但是生活中沒有+5V的電壓供電，然而直流電源的輸入電壓為220V的電網(wǎng)電壓，所以在正常情況下，輸入電壓是遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于本設(shè)計(jì)所需的電壓值，因此需要先使用變壓器降壓，將220V的電網(wǎng)電壓降低到5V后

12、，再進(jìn)行下一階段的處理。變壓器是這一電源電路起始部分，將220V的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧妮^低的+5V電壓，才可以進(jìn)行下一階段的整流部分。一般規(guī)定V1為變壓器的高壓側(cè)，V2為變壓器的低壓側(cè)，這樣就可以將220V的電壓降低到+5V，如圖所示： 圖3-7變壓器如圖3-8，為橋式整流電路，就是將交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓，整流電路由四只整流二極管組成。為了簡(jiǎn)便起見，這里所選的二極管都是理想的二極管，二極管正向?qū)〞r(shí)電阻為零，反向?qū)〞r(shí)電阻無(wú)窮大。在V2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，經(jīng)過(guò)二極管D1，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D4正向?qū)?，D2、D3反向截止，產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸

13、出電壓。在V2的負(fù)半周，其極性正好相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，經(jīng)過(guò)二極管D2，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D4反向截止，D2、D3正向?qū)?。橋式整流電路利用了二極管的單向?qū)щ娦裕盟膫€(gè)二極管，是它們交替導(dǎo)通，從而負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。 圖3-8橋式整流電路3.2實(shí)驗(yàn)的連接與處理3.2.1各部件實(shí)現(xiàn)功能電源電路作用是220VAC變成5VDC。74LS160實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)功能，555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生進(jìn)位脈沖，一個(gè)四輸入與門實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間進(jìn)行判定，如果每個(gè)74LS160達(dá)到設(shè)定數(shù)值就會(huì)對(duì)高一級(jí)的四與門輸入電路產(chǎn)生一個(gè)正信號(hào)，當(dāng)4個(gè)四與門輸入電路都為正信號(hào)也就

14、是說(shuō)達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時(shí)候，也就是計(jì)時(shí)時(shí)間到了，通過(guò)繼電器向外進(jìn)行輸出，控制繼電器的開通與中斷，達(dá)到控制的目的。3.2.2實(shí)驗(yàn)處理具有數(shù)字顯示的倒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)根據(jù)電路的邏輯功能主要分為四個(gè)模塊組成：控制電路模塊、脈沖發(fā)生電路模塊、電源電路、延時(shí)電路組成。功率計(jì)算：表3-9功率計(jì)算表名稱芯片功率(mW)個(gè)數(shù)總功率(mW)74LS160406240LM555500150074LS211055074LS0015230總計(jì)820計(jì)算得出電路功耗約為820mW，滿足題目設(shè)計(jì)要求的1W。4電路圖4.1電路圖 圖4-1 電路圖將220V電網(wǎng)電源經(jīng)過(guò)變壓器轉(zhuǎn)為+5V的電源給555定時(shí)器供電，計(jì)時(shí)前先設(shè)定計(jì)時(shí)時(shí)間，

15、將與74ls160芯片連接的74ls21芯片需要的關(guān)鍵555定時(shí)器產(chǎn)生的秒脈沖和二輸入與非門的另一端按鍵信號(hào)作用于，秒計(jì)數(shù)器的一個(gè)位芯片的clk端。當(dāng)開始摁下去時(shí)，由于接的是高電平，則高電平通過(guò)二輸入與非門變成低電平。74ls160的clk端為低點(diǎn)評(píng)有效，則計(jì)數(shù)一次，當(dāng)計(jì)滿十次就向前進(jìn)位，進(jìn)位為六次時(shí)就為一分鐘，向分計(jì)時(shí)器進(jìn)位一次，計(jì)數(shù)1當(dāng)達(dá)到設(shè)定接線時(shí)間時(shí)會(huì)向外的四輸入與門電路輸出一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)繼電器電路達(dá)到電氣控制的目的。5設(shè)計(jì)小結(jié)5.1個(gè)人感悟我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了數(shù)字電子電路和模擬電子電路，對(duì)電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過(guò)這次對(duì)數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作，讓我們了解

16、了電路的設(shè)計(jì)程序，也對(duì)數(shù)字鐘的原理與設(shè)計(jì)理念有了一定的了解。我們知道了如何設(shè)計(jì)出1HZ的信號(hào)，也對(duì)時(shí)分秒的設(shè)計(jì)有了一定的了解，并且知道在實(shí)際電路一般步驟為由數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖按照信號(hào)的流向分級(jí)安裝，逐級(jí)級(jí)聯(lián)，這里的每一級(jí)是指組成數(shù)字鐘的各功能電路。 同時(shí)，在此次的數(shù)字鐘設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法，也鍛煉了自己獨(dú)立思考問(wèn)題的能力和通過(guò)查看相關(guān)資料來(lái)解決問(wèn)題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)，但通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我們了解了課程設(shè)計(jì)的一般步驟，和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。此外，我們也深刻地體會(huì)到設(shè)計(jì)一個(gè)電路前先進(jìn)行仿真的重要性，更深有體會(huì)，通過(guò)仿真可以對(duì)自己設(shè)計(jì)得電路進(jìn)行逐級(jí)排查和調(diào)試，找出電路中問(wèn)題的所在，及時(shí)糾正自己的錯(cuò)誤。5.2遇到問(wèn)題及解決途徑在本次課程設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)了許多問(wèn)題，最終全部解決掉了。下面提一下最大的兩個(gè)問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)題就是在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在選擇芯片上，下了很多工夫，在網(wǎng)上搜集各種資料后，最后在Multisim軟件中將每個(gè)芯片進(jìn)行調(diào)試，之后才決定用以上所選的各種芯片。第二個(gè)問(wèn)題就是使用Multisim軟件的時(shí)候，仿真沒有結(jié)果。首先我排查了各個(gè)連線處是否有連錯(cuò)的情況，是否有漏連的情況。在排查完連線之后，還是沒有仿真結(jié)果，就開始對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行排