倒計時報警電路設(shè)計報告

1、沈陽航空航天大學課 程 設(shè) 計（說明書）倒計時報警電路的設(shè)計班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 沈陽航空航天大學課 程 設(shè) 計 任 務 書課 程 名 稱 數(shù)字邏輯課程設(shè)計 課程設(shè)計題目 倒計時報警電路的設(shè)計 課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計說明與技術(shù)指標要求設(shè)計一個倒計時電路，倒計時時間可從099s任意設(shè)定，并在倒計時時間到零時發(fā)出報警信號。技術(shù)指標如下：設(shè)置外部操作開關(guān)實現(xiàn)啟動、直接復位、暫停、繼續(xù)等功能；用數(shù)碼管顯示初始時間及剩余時間； 在直接復位時，要求數(shù)碼管滅燈； 倒計時時間到達零時，數(shù)碼管不能滅燈，并同時發(fā)出5s的聲光報警指示信號；設(shè)計秒脈沖產(chǎn)生電路。二、設(shè)計要求1在選擇器

2、件時，應考慮成本。2根據(jù)技術(shù)指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1根據(jù)技術(shù)指標制定實驗方案；驗證所設(shè)計的電路，用軟件仿真。2進行實驗數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1閻石主編數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，2006年2趙淑范，王憲偉主編電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計M北京：清華大學出版社，2006年3楊志忠主編. 電子技術(shù)課程設(shè)計. M北京：機械工業(yè)出版社，2008年五、按照要求撰寫課程設(shè)計報告成績評定表：序號評定項目評分成績1設(shè)計方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分）2設(shè)計結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認真

3、，遵守紀律（15分）4設(shè)計報告的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字： 2016 年 7 月 3 日目錄一、 概述11.1了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成11.2掌握時鐘電路的作用及基本構(gòu)成1二、方案論證22.1電路組成22.2設(shè)計思路22.3設(shè)計方案2三、電路設(shè)計43.1多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖信號電路43.3譯碼和數(shù)碼顯示電路63.4報警電路73.5控制電路8四、性能的測試104.1多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號電路104.3電路整體性能測試12設(shè)置倒計時間功能12直接復位滅燈功能12倒計時功能13暫停、繼續(xù)功能13報警

4、功能14五、結(jié)論15參考文獻15附錄I 總電路圖16附錄II 元器件清單17一、 概述1.1了解數(shù)字電路系統(tǒng)的定義及組成數(shù)字電路系統(tǒng)一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如數(shù)字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數(shù)字電路可以處理的數(shù)字信號。模擬信號則需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進行處理。在設(shè)計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質(zhì)，接口的條件，以設(shè)計合適的輸入接口電路。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和社會的日新月異，數(shù)字電子信息技術(shù)這門科學在各行各業(yè)越來越得到廣泛的應用，特別是集成芯片的

5、應運，促使現(xiàn)代電子產(chǎn)品向小體積多功能發(fā)展。這不僅節(jié)省了原材料，降低了產(chǎn)品成本，還減少了很多勞動力，所以很有必要學習好這門課程。1.2掌握時鐘電路的作用及基本構(gòu)成時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如555 多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設(shè)計時鐘電路，應根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結(jié)合產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時鐘脈沖。通過數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計，使學生較系統(tǒng)地、全面地掌握數(shù)字電路系統(tǒng)的基本設(shè)計方法，設(shè)計步驟，熟悉和掌電路參數(shù)的計

6、算，電路元器件的選擇與應用，學習數(shù)字電路原理圖設(shè)計、調(diào)試、測試、故障查找和排除的方法和技巧，并在此基礎(chǔ)上，逐步調(diào)試改進、完善電路的性能。學會積極地按照設(shè)計任務的要求，查閱并理解相關(guān)技術(shù)文獻，能進行方案的論證比較，方案的具體實施。使學生較深入地了解與課程設(shè)計有關(guān)的知識，培養(yǎng)學生分析和解決實際的問題。二、方案論證2.1電路組成0-99秒任意倒計時器的總體參考方案框圖如圖2-1所示。它包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、報警電路和輔助時序控制電路（簡稱控制電路）等五個模塊組成。其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。計數(shù)器完成0-99秒任意倒計時器，而控制電路完成倒計時器的開始、復位、暫停、繼續(xù)計

7、時、譯碼顯示電路的顯示與滅燈、定時時間到報警等功能。 脈沖發(fā)生器計數(shù)器譯碼顯示控制電路報警電路圖2-1 0-99秒任意倒計時器系統(tǒng)設(shè)計框圖秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號是電路的時鐘脈沖和定時標準，故電路可采用555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。2.2設(shè)計思路倒計時電路主要由振蕩器和計數(shù)器組成。該電路設(shè)計思路如下：1設(shè)計一個秒脈沖發(fā)生器，這里采用555定時器來產(chǎn)生這個計時脈沖。2設(shè)計0-99秒任意倒計時器電路，由秒脈沖發(fā)生器控制其計數(shù)，每隔1秒鐘，計數(shù)器減1。3設(shè)計譯碼顯示電路，顯示器能顯示計數(shù)器的即時計數(shù)數(shù)值和顯示初始設(shè)定值。4設(shè)計報警電路，當計數(shù)器遞減計時到零時（即定時時間到，顯示器上顯示0

8、0），發(fā)出5S報警信號。5設(shè)計外部操作開關(guān)控制倒計時器的開始、復位、暫停、繼續(xù)計時。2.3設(shè)計方案分析設(shè)計任務，倒計時器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成0-99秒任意倒計時功能，而控制電路具有直接控制計數(shù)器的開始、復位、暫停、繼續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈功能。為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，在設(shè)計控制電路時，應正確處理各個信號之間的時序關(guān)系。在操作復位開關(guān)時，要求計數(shù)器復位，數(shù)碼顯示器滅燈。當開始開關(guān)閉合時，控制電路應封鎖時鐘信號CP，同時計數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示設(shè)置的數(shù)的字樣；當暫停、繼續(xù)開關(guān)撥在暫停位置上時，計數(shù)器停止計數(shù)，處于保持狀態(tài)；當暫停、繼續(xù)開關(guān)撥在連續(xù)時，計數(shù)器繼

9、續(xù)遞減計數(shù)。三、電路設(shè)計3.1多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖信號電路 選用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器, 其引腳功能如下：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。其引腳圖如圖3-1所示：圖3-1 LM555引腳圖LM555秒脈沖發(fā)生器的振蕩周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C，振蕩頻率f=1/T=1/0.7（R1+2R2）C1.43/(R1+R2)C。本實驗需要的周期是1s，計算出較為穩(wěn)定的電阻電容值為：R1=48k,R2=48k, C1=0.1F ,C2=10F。LM555秒脈沖發(fā)生器由555集成定時器構(gòu)成，555定時器功能表如表1所示，脈沖

10、信號產(chǎn)生電路原理圖如圖3-2所示。表1 555定時器功能表輸入輸出THRTRIRSTUOT晶體管T狀態(tài)XX00道通>2/3VCC>1/3VCC10道通<2/3VCC<1/3VCC11截止<2/3VCC>1/3VCC1不變不變圖3-2 脈沖信號產(chǎn)生電路圖3.2計數(shù)器 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是十進制同步加法/減法計數(shù)器，它采用8421BCD碼二-十進制編碼，其功能表如表2所示。表2 74LS192功能表輸入輸出CLRLOADUPDOWNDCBAQ3Q2Q1Q01××××

11、15;××000000××dcbadcba011××××加計數(shù)011××××減計數(shù)方案中采用十進制雙時鐘加減可逆計數(shù)器74LS192芯片實現(xiàn)減計數(shù)功能，其邏輯符號如圖3-3，圖中：LOAD為置數(shù)端，CLR為清除端，UP為加計數(shù)端，DOWN為減計數(shù)端，CO為非同步進位輸出端，BO為非同步借位輸出端，A、B、C、D為計數(shù)器輸入端，QA、QB、QC、QD為數(shù)據(jù)輸出端。圖3-3 74LS192邏輯符號圖用兩片74LS192芯片串聯(lián)可作為0-99秒任意倒計時，第一片芯片的脈沖輸入端由第

12、二片芯片借位輸出控制，第二片芯片脈沖輸入端直接由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號。因為該實驗實現(xiàn)的是0-99s內(nèi)任意倒計時，所以應將兩塊74LS192N芯片的UP都接入高電位，實現(xiàn)減數(shù)的功能，課設(shè)沒有要求清零功能，所以CLR清零端應接入低電位。用四位開關(guān)控制兩塊芯片的輸入，并把四位開關(guān)的輸入端分別都接入高電平，輸出端分別接入74LS192N芯片的A、B、C、D上。對倒計設(shè)置的數(shù)可以通過四位開關(guān)來實現(xiàn)，當四位開關(guān)輸入倒計的數(shù)后（倒計數(shù)是按二進制方式輸入），將開關(guān)S3打到復位檔，LOAD接入低電位，計時器復位，顯示器上顯示設(shè)置的倒計數(shù)，然后再打到開始檔，LOAD接入高電位，計數(shù)器開始計數(shù)

13、，直到數(shù)碼管出現(xiàn)“00”，完成計數(shù)。即完成設(shè)置時間的倒計計數(shù)。3.3譯碼和數(shù)碼顯示電路如圖3-4所示，74LS48N該器件輸入信號為BCD碼，輸出端為a、b、c、d、e、f、g共七線，另有三條控制線LT、RBI、BI/RBO。LE端為測試端。在BI端接高電平的條件下，當LT=0時，無論輸入端A、B、C、D為何值，ag輸出為高電平，使7段顯示器顯示“8”字型，此功能用于測試器件。RBI端為滅零輸入端。在LT=1，BI=1條件下，當輸入A、B、C、D=0000時，輸出ag全為低電平，可使共陰LED顯示器熄滅。但當輸入A、B、C、D不全為零時，仍能正常譯碼輸出，但顯示器正常顯示。BI端為消隱輸入端。

14、該輸入端具有最高級別的控制權(quán)，當該端為低電平時，不管其他輸入為何值，輸出端ag為低電平，這可使共陰顯示器熄滅。另外，該端還有第二個功能命令信號輸出端，記為RBO。當該位輸入的A、B、C、D=0000且RBI=0時，此時RBO輸出低電平；若改為輸入的A、B、C、D不等于零，則RBO輸出高電平。若將RBO與RBI配合使用，很容易實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示時的滅零控制。圖3-4 74LS48N邏輯符號圖 74LS48可直接驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管而不需外接限流電阻。譯碼和數(shù)碼顯示電路是將數(shù)字鐘和計時狀態(tài)直觀清晰地反映出來，被人們的視覺器官所接受。如圖3-5顯示器件選用LED七段數(shù)碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅(qū)動下

15、，顯示出清晰、直觀的數(shù)字符號。本設(shè)計所選用的是半導體數(shù)碼管，是用發(fā)光二極管（簡稱LED）組成的字形來顯示數(shù)字，七個條形發(fā)光二極管排列成七段組合字形，便構(gòu)成了半導體數(shù)碼管。半導體數(shù)碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數(shù)碼管的七個發(fā)光二極管的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管相反，七個發(fā)光二極管的陰極接在一起，而陽極是獨立的。當共陽極數(shù)碼管的某一陰極接低電平時，相應的二極管發(fā)光，可根據(jù)字形使某幾段二極管發(fā)光，所以共陽極數(shù)碼管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅(qū)動。共陰極數(shù)碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅(qū)動。圖3-5 共陰極LED數(shù)碼管3.4報警電路課設(shè)題目要求，當計數(shù)器到達

16、零時，要發(fā)出的聲光報警指示信號，在實驗中， 使用發(fā)光二極管代替聲光報警。當計數(shù)器到達零時，74LS192N芯片的BO端會同時輸入低電位，如果沒有到達零，高位的芯片會一直輸出高電位，低位的芯片輸出的點位會在高、低點位之間跳變，此時將兩塊74LS192N芯片的BO端輸出的信號接到一個與非門上，當輸入的信號同時為低電位時，與非門輸出端會輸出高電位，再將該信號輸入到由555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端，即TRI端。由于555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器TRI端之前一直輸出的低電平，所以輸出端為高電平，因為要求只有計數(shù)器到達零時，才觸發(fā)報警器，所以此時將輸入的信號接入到一個非門上，因而不觸發(fā)報警。當計數(shù)

17、器到零后，輸出高電位信號觸發(fā)555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電位，因為該信號經(jīng)過一個非門，所以變成了一個高電位的信號，將該信號與555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端信號異或，從而實現(xiàn)5s的延時報警。 圖3-6 報警電路連接圖報警電路的連接如圖3-6所示，輸入的信號為兩塊74LS192N芯片的BO端輸出的信號經(jīng)過一個與非門后輸出的。3.5控制電路題目中要求設(shè)置外部操作開關(guān)實現(xiàn)啟動、直接復位、暫停、繼續(xù)等功能。經(jīng)過認真的分析和查閱資料后，實現(xiàn)這些功能，通過控制輸入的信號來實現(xiàn)。當打開電源開關(guān)后，電路因沒有輸入的信號，所以出于停止狀態(tài)。只有設(shè)置好時間，并將開關(guān)S1撥至復位檔，使74LS192N

18、兩塊芯片的LOAD端輸入低電位信號，實現(xiàn)復位功能，顯示器顯示設(shè)置的時間。因為題目要求，當直接復位時，顯示器滅燈，所以將復位的信號接入到74LS48N的BI/RBO端，從而實現(xiàn)當開關(guān)S1撥至復位檔時，顯示滅燈。當開關(guān)S1撥回開始檔，使74LS192N兩塊芯片的LOAD端輸入高電位信號，開始倒計時。連接方式見附錄。實現(xiàn)暫停、繼續(xù)功能，需在74LS192N兩塊芯片當中控制低位芯片的DOWN端輸入的脈沖信號，此脈沖信號是有555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的。如果要暫停，只需要端口輸入信號即可，繼續(xù)則是接入輸入信號，所以在74LS192N低位芯片的DOWN輸入端之間加上一個單刀雙擲開關(guān)。因為在到達零狀態(tài)

19、時，要求計數(shù)器不再倒計時，所以應控制當?shù)褂嫊r到達零狀態(tài)時，74LS192N低位芯片的DOWN輸入端的信號。在計數(shù)器到達零狀態(tài)時，74LS192N高位芯片的BO端輸入低電位，所以將該輸出的信號與555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號組合通過一個與門再輸入到74LS192N低位芯片的DOWN輸入端，從而實現(xiàn)了此功能。連接方式見附錄。四、性能的測試4.1多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號電路 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖4-1所示。圖4-1 多諧振蕩器原理圖將示波器連接到多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號上，進行仿真，示波器上所觀察的波形如圖4-2所示。圖4-2 示波器輸出波形圖示波器所顯示波形的周期為994.8

20、72ms，即所設(shè)計的信號發(fā)生器的輸出信號周期為994.872ms，其信號頻率非常接近1Hz，所以此信號發(fā)生器合格。4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生脈沖信號電路 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖4-3所示。圖4-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理圖將示波器連接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的脈沖信號上，進行仿真，示波器上所觀察的波形如圖4-4所示。圖4-4 示波器輸出波形圖示波器所顯示波形的周期為4.991s，即所設(shè)計的信號發(fā)生器的輸出信號周期為4.991s，其信號頻率非常接近5Hz，所以此信號發(fā)生器合格。4.3電路整體性能測試設(shè)置倒計時間功能將U1、U2的A都接入高電位、其余的B、C、D都接入低電位，即完成任意置數(shù)功能，置數(shù)為1

21、1，此時U7、U8兩塊LED顯示器會顯示剛才所設(shè)置的數(shù)字，如圖4-5所示。 圖4-5 任意置數(shù)功能直接復位滅燈功能將開關(guān)S3撥至復位檔，U1、U2接入低電位，U5、U6兩塊顯示器滅燈，如圖4-6所示。圖4-6 直接復位滅燈功能倒計時功能將開關(guān)S3撥至開始，兩塊74LS192N都接入高電位，此時電路開始倒計時，如圖4-7所示。圖4-6 倒計時功能暫停、繼續(xù)功能將開關(guān)S4撥至暫停檔，切斷輸入的信號，計數(shù)器停止倒計時，如圖4-8所示。圖4-7 暫停功能將開關(guān)S4撥至繼續(xù)檔，接入輸入信號，計數(shù)器開始倒計時，如圖4-8所示。圖4-8 繼續(xù)功能報警功能當?shù)褂嫊r達到零時，此時U1、U2兩塊芯片的BO端都輸出

22、低電位，觸發(fā)555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)，從而驅(qū)動報警，報警時間持續(xù)5s，如圖4-9所示。圖4-9 報警功能五、結(jié)論 根據(jù)實驗要求，本設(shè)計方案圓滿完成了設(shè)計要求和各項技術(shù)指標。電路結(jié)構(gòu)較為簡單，條理清晰，準確度較高。計數(shù)器使用的是74LS192N來完成0-99s內(nèi)任意設(shè)定時間，通過對芯片的準確來接，實現(xiàn)了此功能。脈沖發(fā)生器使用的是555定時器組成的多諧振蕩電路，通過對器件參數(shù)的調(diào)整，使其精度和穩(wěn)定程度都有較高保證。延時5s報警使用555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)的，在實現(xiàn)的過程中，輸出端總是給出高電平，通過反復的查閱資料和實驗，終于實現(xiàn)了5s的延時報警，并得到了預期的效果。 通過此次課程設(shè)計，使我們所學到的知識得到了充分的鞏固和練習，讓我們在實驗中運用所學的