数字电路课程设计数字定时开关.doc

课程设计说明书 第 I 页 实用数字式定时开关设计 摘 要 数字式定时开关电路是起定时报警或者定时开关电器的电路，在日常生活中应用 很广。当今社会许多家用电器都有定时功能，定时可以节省能源，还可以提醒用户电 器的工作状态，比如家用电扇有一个定时开关，在达到设定的时间后电动机会自动停 止转动。 本组课程设计的题目是：数字式定时开关。用 555 芯片产生一个秒脉冲信号；555 芯片的输出端接计数器 74ls192【2】的脉冲输入端，在 74ls192 的地址输入端接四个开关， 通过调节开关的通断来改变预置的数值，这里计数器的计数方式为倒计数；计数器的 输出端接到译码器 4511BD【1】的地址输入端，因为计数器的计数范围是 90，所以通 过译码器后输出的数值为 90 中的一个；在译码器的输出端接一个共阴数码管，用来 显示倒计时。在计数器的值为 0 时，报警电路自动报警，并且数码管一直显示为 0，此 时电路处于锁存状态，这样电路起到了计数、报警的作用。 关键字：定时开关、报警、BCD 码、译码显示 课程设计说明书 第 II 页 目 录 1 绪论1 1.1 课题描述.1 1.2 设计任务与要求.1 1.2.1 课题简介.1 1.2.2 设计说明1 1.2.3 设计要求.1 1.3 基本工作原理及框图2 2 相关芯片及硬件电路设计.2 2.1 电路元件清单.2 2.2 锁存器电路的设计3 2.3 编码器电路的设计4 2.4 译码器电路和数码管显示电路的设计4 2.5 倒计时电路的设计5 2.6 时钟电路的设计.6 2.7 单稳态电路及蜂鸣器的设计.7 3 整体电路8 总 结10 致 谢11 参考文献12 课程设计说明书 第 1 页 1 绪论 1.1 课题描述 数字式定时开关用于赛事活动，如篮球比赛等。该课题利用电子技术知识设计出一个 数字式定时开关，可以自定义时间，分别用多个按钮表示。设置一个系统清除和计时控制 开关 S，该开关由裁判控制。数字式定时开关具有锁存与显示功能。即裁判按动按钮，开 始计时，并在 LED 数码管上显示，一直到时间计时为零时，停止计时同时扬声器发出报 警声响提示。 1.2 设计任务与要求 1.2.1 课题简介 本次数字电路课程设计是一个数字式定时开关，如图 1 数字式定时开关是由控制电路、 脉冲发生电路、计数器、译码显示电路及报警电路五部分组成。此开关采用 BCD 拨盘预 置开关时间，其最大定时时间 9 秒，计时是采用倒计时的方式通过一位 LED 数码管译码 显示，通过拨码开关预置一个时间，再通过计数器倒计时方式进行计数，当达到某一个时 间时，发出一个信号，进而来控制电器的工作，我们设计的就是当倒计时为 0 时，一直处 于 0 状态，并且开关发出开关信号，输出端呈现高电平，开关处于开泰，再按按钮，到计 时开始。计时时间到驱动扬声器报警。 1.2.2 设计说明 1采用 BCD【3】拨盘预置开关时间，其最大定时时间为 9 秒，计数时采用倒计时的 方式并通过一位 LED 数码管显示； 2预置时间以后通过另一按钮控制并进行倒计时，当时间显示为 0 时，开关发出开 关信号，输出端呈现高电平，开关处于开态，再按按钮时，倒计时又开始。计时时间到驱 动扬声器报警。 3编写设计报告，写出设计与制作的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。 1.2.3 设计要求 1根据任务要求合理的选定设计方案； 2完成各单元电路及总体电路的设计； 3元器件及参数选择正确； 4画出正确的电路原理图（或仿真电路图） 。 课程设计说明书 第 2 页 1.3 基本工作原理及框图 由 555 芯片【7】及其电阻、电容构成一个多谐振荡器，通过选用合适的电阻与电容产 生一 个连续的秒脉冲信号，作为计数器 74ls192 的时钟脉冲。这里用的计数器为 74ls192，其为十进制可逆计数器，最大计数范围是 09 秒。本设计用的是定时九秒而且 为减计数，预置数通过在计数器 74ls192 的地址输入端接四个开关来控制高低电位。在计 数器的 LOAD 端接一个开关来控制计数与停止计数，开关闭合电路处于计数状态，断开则 电路处于置数状态。通过在计数器输出的四个管脚处接一个四输入或门，或门的输出接蜂 鸣的负端，四输入或门接一个非门，蜂鸣器的正极接非门的输出端，当计数值为 0 时蜂鸣 器会自动报警。计数器的输出与译码器 4511BD 的地址输入端相连，通过译码器的译码， 在其输出端接一个共阴数码管来显示数字。 秒脉冲发生器定时器译码显示 报警电路控制电路 图 1 2 相关芯片及硬件电路设计 2.1 电路元件清单 数字式定时开关清单如表 1 所示。 课程设计说明书 第 3 页 表 1 元件清单 名 称 电 阻 电 阻 电容555 芯片计时器译码器数码 管 蜂鸣器非门双或门 单 位 k uF* 型 号 4 8 47 0 0.45/1 0 LM555C M 74LS192 N 4511B D 5MA1500H Z 74LS04 D 4072B D 数 量 27各一1111111 2.2 锁存器电路的设计 锁存器单元电路如图 2 所示。用开关 j6 做为置数开关。 U2 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U1 LM555CM GND 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 VCC 8 THR 6 CON 5 TRI 2 U3 4511BD_5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U4 BUZZER 1500 Hz U6B 4072BD_5V VCC 5V 0 VCC J1 Key = A J2 Key = A J4 Key = A J5 Key = A J6 Key = A 13 14 20 21 22 23 24 18 VCC 6 J3 Key = A 1 U8A 74LS04D 17 15 16 图 2 锁存器单元电路 课程设计说明书 第 4 页 2.3 编码器电路的设计 编码器采用如图 3 所示的电路图【1】。 U2 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U3 4511BD_5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U6B 4072BD_5V VCC 5V 0 VCC J4 Key = A J5 Key = A J6 Key = A 20 21 22 23 24 VCC J3 Key = A U8A 74LS04D 17 16 图 3 2.4译码器电路和数码管显示电路的设计 本设计的译码电路选用 CD4511 进行译码，如图 4 显示电路用 7 段共阴数码管。计数 器的输出端接译码器的四个地址输入端，经过 CD4511 的译码作用后，将译码器的七个输 出端接七段共阴数码管的相应管脚。CD4511 具有锁存功能，当计数器的输出为 0 时，数码 管的示数将保持在 0，报警电路也将一直报警【2】。 课程设计说明书 第 5 页 U3 4511BD_5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R3 470 R4 470 R5 470 R6 470 R7 470 R8 470 R9 470 U7 A B C D E F G CK 2 7 8 9 10 11 12 0 VCC 5V VCC 25 26 27 28 29 30 31 图 4 2.5 倒计时电路的设计 本设计的控制电路主要由预置数开关 K1、K2、K3、K4 和控制是否置数的开关 K5 组成， 如图 5。通过控制 K1、K2、K3 和 K4 的通断来改变预置数的大小，但最大的置数值为 9， 此时四个开关的状态为 1001。当开关 K5 断开时，计数器处于置数状态；当 K5 闭合时，计 数器处于计数状态【8】。 课程设计说明书 第 6 页 U2 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U1 LM555CM GND 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 VCC 8 THR 6 CON 5 TRI 2 U4 BUZZER 1500 Hz U6B 4072BD_5V R2 48k R1 48k VCC 5V VCC 3 C1 450nF C2 10uF 5 4 J1 Key = A J2 Key = A J4 Key = A J5 Key = A 13 14 20 21 22 23 24 18 VCC 5V VCC 6 J3 Key = A 1 0 U8A 74LS04D 17 15 VCC 16 图 5 2.6 时钟电路的设计 该设计的秒脉冲发生电路由三 5 芯片【6】，如图 6 及其两个电阻 R1、R2 和两个电容 C1、C2 组成一个多谐振荡器，通过调节 R1、R2 和 C2 的大小来设定输出的秒脉冲的频率， 多谐振荡器的振荡周期 T1 的计算公式为：T1=（R1+2R2）ln2C2。 课程设计说明书 第 7 页 U1 LM555CM GND 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 VCC 8 THR 6 CON 5 TRI 2 R2 48k R1 48k 3 C1 450nF C2 10uF 5 4 J1 Key = A VCC 5V 0 VCC 图 6 2.7 单稳态电路及蜂鸣器的设计 本设计的报警电路由一个蜂鸣器接在或非门的两端构成报警电路，当计数器的输出为 0000，即输出为 0 时，蜂鸣器发出报警声。只有当输出都为 0 时，蜂鸣器的负端才为低电 位，经过非门极接的才为高电位，这时候蜂鸣器才开始报警，而且数码管的示数一直停留 在 0。或非门由一个四输入或门 4072 和一个非门构成【4】。 课程设计说明书 第 8 页 U2 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U1 LM555CM GND 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 VCC 8 THR 6 CON 5 TRI 2 U4 BUZZER 1500 Hz U6B 4072BD_5V 13 14 20 21 22 23 24 6 1 U8A 74LS04D 17 15 16 图 7 3 整体电路 U2 74LS192N A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 U1 LM555CM GND 1 DIS 7 OUT 3 RST 4 VCC 8 THR 6 CON 5 TRI 2 U3 4511BD_5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U4 BUZZER 1500 Hz U6B 4072BD_5V R2 48k R1 48k R3 470 R4 470 R5 470 R6 470 R7 470 R8 470 R9 470 VCC 5V VCC 3 C1 450nF C2 10uF 5 4 U7 A B C D E F G CK 2 7 8 9 10 11 12 0 VCC 5V 0 VCC J1 Key = A J2 Key = A J4 Key = A J5 Key = A J6 Key = A 13 14 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 18 VCC 5V VCC 6 J3 Key = A 1 0 U8A 74LS04D 17 15 VCC 16 图 8 课程设计说明书 第 9 页 结果是：开关 K5 断开时，由四个预置数开关进行置数，可从 09 进行置数，数码管 的示数一直显示为预置的数；当 K5 闭合时，数码管上的数值由刚才预置的数开始减计数 直到 0，而且显示为 0 时蜂鸣器处于报警状态，发出警报；译码的数值为 0，数码管一直 显示 0，而报警器一直报警；调整 K5 的通断又可以重复上面的过程。 分析：通过控制 K1、K2、K3 和 K4 开关的通断来预置数，用 K5 的通断来控制是否计 数，当倒计数为 0 时会自动报警并一直保持为 0。 课程设计说明书 第 10 页 总 结 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一 门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计 让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了数字式 定时开关设计的识别和测试；熟悉了数字式定时开关；了解了设计数字式定时方法； 此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询， 只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。 课程设计说明书 第 11 页 致 谢 在此要感谢我的指导老师司小平老师对我