《数字电子技术基础》课程设计-定时显示报警电路.doc

目录摘要i1 概要12 模块设计32.1 时钟模块设计42.2 计时模块62.3 报警模块82.4显示模块92.5 总控模块103 电路仿真113.1 波形仿真113.2 计数模块仿真124 调试135 心得体会14参考文献15武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书摘要可预置定时显示报警系统是生活中比较常见的定时报警系统，可以实现提前预置时间，并在到达指定时间时实现声音和光报警功能的电路。本设计主要采用555定时器构成的多谐振荡器产生的方波信号驱动计时系统，而计时系统则采用74ls192为核心计数芯片，辅之以四输入与非门（74ls20）和两输入与非门(74ls00)完成电路的计时和停止以及为报警系统提供驱动。显示模块的译码器采用hcf4511，通过八段数码管显示。关键字：可预置、定时显示、控制报警系统、预置电路18武汉理工大学数字电子技术基础课程设计说明书1 概要可预置的定时显示报警电路是我们设计的一种可以进行预置定时的报警电路，其中最开始可以进行预置报警时间，然后该电路进行计时，直到时间结束，进行光或声报警（本电路中选取的是光报警）。可预置的定时显示报警电路需要有计时电路，在此其中所主要的计时芯片则是74ls192，因此以下则对其做一个简单介绍：ttl集成计数器74ls192 十六进制同步加法计数器在前面已经作了介绍，74ls192就是一个集成十六进制同步加法计数器,考虑到使用的灵活与方便，74ls192比前面介绍的在功能上有所增强,同时也附加了一些控制电路。74ls192的逻辑电路框图如图1.1,其引脚示意图如图1.2所示，功能表见表1.1。图1.1 74ls192逻辑电路框图图1.2 74ls192引脚示意图表1.1 74ls192的功能表mrplcpucpd功能hxxx清零llxxlhhhlhhlhh根据功能表，74ls192的功能说明如下: (1)异步清0功能。当清除端（mr）为高电平时，不管时钟端（cpd、cpu）状态如何，即可完成清除功能。(2) 192的预置是异步的。当置入控制端为低电平时，不管时钟cp的状态如何，输出端（q0q3）即可预置成与数据输入端（p0p3）相一致的状态。 (3) 192的计数是同步的，靠cpd、cpu同时加在4个触发器上而实现。在cpd、cpu上升沿作用下q0q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用cpd或cpu，此时另一个时钟应为高电平。(4)加计数功能。正常计数时使mr=0，cpd=1，此时在cpu的上升边的作用下，计数器对 cpu 的个数进行加法计数。当计数到输出 q3q2q1q0为 1111 时，tcu=1，tcu=1的时间是从q3q2q1q0为1111时起到q3q2q1q0状态变化时止。(5)加计数功能。正常计数时使mr=0，cpu=1，此时在cpd的上升边的作用下，计数器对 cpd的个数进行减法计数。当计数到输出 q3q2q1q0为 0000 时，tc =1，tc=1的时间是从q3q2q1q0为0000时起到q3q2q1q0状态变化时止。2 模块设计本设计电路要求具有显示报警功能，因而所需要的模块含有时钟脉冲模块、计时模块、显示模块、报警模块、总控模块五大模块共同构成。其中，时钟模块用于产生计数时钟，计数模块用来记录经历的时间，显示模块用来直观显示经历的时间，报警模块用来当预置时间到来时的报警提示，总控模块用来控制计时的中断与开始。具体关系如下图所示：时钟脉冲计时电路报警电路总控电路显示电路2.1 时钟模块设计该模块是为全电路提供一个公共的时钟脉冲信号，保持一致的工作步伐，因而我们使用555定时器所构成的多谐振电路来进行发出时钟脉冲。555定时器内部比较器灵敏度较高，而且采取差分电路形式，用555定时器组成的多谐振振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。本模块采用555定时器构成的多谐振荡器来产生矩形脉冲信号，具体电路如图（2.1）。其中利用二极管的单向导电性，充电回路经、电位器上部、二极管到电容，放电回路经、电位器下半部放电。本电路中采用电位器主要是使产生的矩形脉冲信号占空比可调，是信号跟精确，尽量减少因占空比带来的不必要的误差。后一级的运算放大器主要是将矩形脉冲信号适当放大，达到更好的精确度。设电位器上半部分为，下半部分为。则：电容器c充电所需时间为：电容器c放电所需时间为： 所以，脉冲周期时间为： 振荡周期为： 占空比达到50%时，= 。所以有：=又需脉冲周期为1秒，所以=10uf，t=1s,r=150k,故设计=50k。为了防止输出电压达不到要求，这里在输出级接一个运算放大器，但是在选择参数时要注意不能将低电平信号过度放大导致低电平变成高电平。图（2.1）时钟产生电路2.2 计时模块该模块电路是本设计的核心部分，需要拥有强大和稳定的计时功能。因此本小组选用74ls192计时芯片作为其主要的计时芯片。一则是因为它拥有着完整的计时功能，可以方便快捷地提供各式各样的计时功能。二则这是一款我们在数字系统设计中所常用的芯片，市场上随处可见，而并不是我们在网上所找到的什么所谓的“傻瓜”芯片，这样就更加增强了我们电路的拓展性能。74ls192芯片的介绍已在前面进行了详细的介绍，在此就不再赘述。另外，在此计时模块中，要求的是一个可预置时间的减法计数器需要做到一个三进制和十进制的两块芯片。我利用的是芯片上借位端来实现的。详细叙述如下：74ls192芯片的引脚当悬空时默认为高电平。利用j1到j10对两块芯片进行预置数，以30秒为例。此时u1的d、c、b、a分别应设置为0011，u2的d、c、b、a分别应设置为0000。从总控开关输入时钟到各位芯片u2的upd端口，此时各位芯片u1开始进行预置数减法计时。当个位的74ls192芯片u2达到0的时候，芯片的借位端=1。则将其取出，送入74ls192芯片u1的down端，此时down的上升沿触发u1使其设定的数字自动减一，并且u2重新开始冲9减到0，如此循环，知道u1、u2均为0。此时停止计数，发出报警。当十位的74ls192芯片u1达到0的时候，=0；将其送入总控制，是计时器停止工作。同时，将u1上端的信号取出，经一个非门，送入报警模块，发出报警。这样，我们就完成了可预置报警电路的计时模块设计，通过开关进行预置数。图（2. 2）计数部分电路图2.3 报警模块本设计要求当计数时间到来时给一个声或光报警，鉴于光报警在实验室中比较吵杂，本设计采用光报警，具体电路图如图（2.3）。本模块的输入信号来自于计时模块u1的端，经与非门变成一个高电平从而触发led报警。在led与“地”之间，我们接一个限流电阻，一般二极管正常发光时的电压降为1.5v，电流大于等于15ma，所以限流电阻上的电压降为1.5v，取电流为25ma，得到限流电阻为560欧。图（2.3）报警模块2.4显示模块本次设计中提到了需要进行时间的读秒显示，因而我们就需要用到8段数码显示管。我们通过译码芯片与外界连接，另外一端则是和8段数码显示管相连。这样，通过译码芯片的作用，则将系统中的时间利用数码显示管来显示出来。译码芯片工作原理在此便不再赘述。具体电路图如下：图（2.4）显示模块2.5 总控模块通常在数字电路系统设计中，是需要一个总开关作为一个总开关的。本设计中也不例外。本设计中，采用四输入与非门和非门作用后的信号作为总控信号控制计时电路的工作于否。四输入与非门采用74ls20，输入信号从上到下依次为：开关j11的输出信号、时器u1的借位端输出信号、555定时器产生的方波、高电平。总电路输出的信号作为计时器u2的时钟信号。这样，3个输入端任意一个发生变化都将使计数器停止工作，达到控制的目的。 具体电路图如下：图（2.5）总控电路3 电路仿真3.1 波形仿真本次仿真采用的仿真工具是multisim10.0。该款仿真工具在电子设计中比较常用，是一款功能比较完善的仿真工具，在这里具体功能就不做太多的讲述。本设计的矩形波由555定时器构成的多谐振荡器产生，多谐振荡器的目的是将常规电源信号转换成可预置的定时显示报警电路所需要的方波脉冲信号。根据计算所设计出的参数=50k, =10uf使得方波的周期变为1秒，且占空比达到50%,=2=20k,使得电压放大倍数达到3倍。连接到仿真示波器观察示波器波形。在接入电路之前首先对555定时器构成的多谐振荡器的输出进行仿真，仿真电路以及仿真波形波形如下图（3.1）和图（3.2）所示。图（3.1）555仿真电路图（3.2）仿真波形图仿真波形图由于设计参数原因，无法出现多个脉冲波形，但是根据该波形图已可证明其达到标准，即高电平在4.7v左右，低电平在1.5v左右。可以达到电路要求。3.2 计数模块仿真本次实验要求最大可置数30秒，本次仿真采用置数为28秒。仿真电路见下图（3.3）图（3.3）计时电路仿真图4 调试本次设计分为五大模块。在调试时，采用分模块的调试方法，重点可分两大模块调试：方波产生模块和计时模块。一：调试方法方波产生电路：本模块包括两个核心芯片，即：555定时器芯片和运算放大器op07，调试时先接上电源，将示波器的探头接到本级电路的输出端，观察电路的输出波形。计时电路：接通电源，将前一级产生的方波输入到个位计数器的cpd端口，将清零信号拉低，将置数控制端拉低置数，然后将置数控制端拉高，观察数码管是不是进行倒计时。到零时观察led灯是不是发出报警。总控端：开关j11为总控开关，在以上调试正确后，在电路运行时将j11拉低，看电路是不是停止运行，由此来判断总控开关是不是正常工作。二：发现的问题开始时发现总是脉冲信号，检查发现应该讲示波器的ch1通道打到交流档。排除以上错误后发现波形的占空比没有达到50，此时调节电位器，是输出的波形满足要求。接通电源并输入信号后发现，数码管并不时间递减，这就意味着芯片没有进行减计数，检查发现原来芯片的电源没有接通，排除以上错误后，整个电路运行正常。5 心得体会本次课程设计完全是由我和我同组同学进行设计、焊接、调试完成的。刚开始的时候也从网上找了个电路图，但是经过仔细分析发现那个图根本就不能用，甚至连核心芯片都用错了。经我们小组的共同商议决定还是自己设计的比较好，虽然中间遇到了很多问题，但是我们都一一解决的。这次的课程设计基本用的全是数字电路的内容，要求对所用芯片的特性、用法有很好的了解。比如要知道74ls192是一款既可以进行加法计数，又可以进行减法计数的芯片；74ls20是一款四输入的与非门；74ls00是一款两输入的与非门；而cd4511是一款集成译码器。不仅这样，对每款芯片的引脚分布以及各个引脚的作用方法也要和了解。在连接电路时一定要认真仔细。在这次课程设计中还用到了multisim这款仿真工具。说实话这是我第一次使用这款工具。以前也经常听学长学姐们说道这款软件，但自己总是觉得焊电路干嘛要用仿真？也就没特别在意这款芯片。但是这次的课程设计一看我们设计出来的电路图就蒙了，那么多跳线，这玩意儿要是一根喊错了就出不来啊！看来不仿真真的不行啊！于是开始着急，刚开始的时候无从下手，借的一本讲multisim的书那么厚，感觉也不可能看完。于是请教学长，一点点的学习，最后终于将仿真图做出来了。本次课程设计和以往的一样，我们不断地遇到问题，不断地解决问题，虽然说有的时候很烦躁，有的时候也想过就这样放弃吧，做不出来算了。但是自己总是觉得就差那么一点点了，放弃了即可惜，又学不到东西。就这样一点点的，最后终于付出得到了回报，我们的电路顺利的出来了。 本次课程设计我学到了很多。首先做什么事情都要有一种严谨的态度，像焊电路，尤其是很复杂的电路，一不小心就可能有一根线焊错了或者哪个节点忘记焊了。出了这样的问题要想在焊好了之后的调试中检查出来是很麻烦的。再者一些必要的软件使用一定要熟悉。如果这次我们队multisim的使用很熟练，那么我相信我们的进度会更快。也可以省了我们不少的麻烦。 最后，感谢在这次课程设计中给予我们帮助的老师以及学长学姐。没有你们的帮助我们会走好多弯路，甚至有可能做不出