数字电子技术课程设计-计数报警器.doc

课 程 设 计 说 明 书课程名称： 数字电子技术 设计题目： 计数报警器 院 系： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 通信工程 指导教师： 2011年5月27日课 程 设 计 任 务 书目设计题计数报警器学生姓名 所在院系电子信息与电气工程学院专业、年级、班 设计要求：1）、设计制作一个计数报警电路；2）、计数最大值为99，用七段数码管显示；3）、计数溢出时发出声光报警信号，报警时间长度为30秒，报警声音可以调整，报警光信号用红色LED表示；4）、计数脉冲用按钮产生。学生应完成的工作：设计计数报警器的工作原理，并利用Multisim软件进行电路仿真。利用DXP 软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装、调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献阅读：1童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005. 2臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2005.3邱关源,罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.5张阳天,韩异凡Protel DXP电路设计M.北京：高等教育出版社，2005.工作计划： 5月16号18号完成原理图的设计；5月19号22号进行PCB设计；5月23号25号制作PCB板；5月26号27号电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期： 2011 年 5 月 16 日任务完成日期： 2011 年 5 月 27 日指导教师（签名）： 学生（签名）：计数报警器摘 要：技术报警器主要分为三个模块：计数模块，显示模块，报警模块。本次课程设计主要是对着三个模块的有机组合，来完成计数报警的功能。计数模块：用两片十进制计数器74ls192级联来实现100进制计数器，采用递增模式。显示模块:用译码器74ls247对计数器的四位二进制数进行译码，并直接驱动共阳极数码管显示数字。报警模块：由555定时器组成单稳态触发器，当计数溢出时，触发单稳态，设置合适的参数，控制报警时间。完成设计后通过multisim仿真，再通过DXP画出原理图，并导入PCB板进行布线。最后进行安装调试，就完成了整个设计。关键词：计数报警器；计数模块；显示模块；报警模块；PCB板 目 录 1. 设计背景11.1了解数字电路系统的定义及组成11.2掌握时钟电路的作用及基本构成12. 设计方案12.1任务分析12.2方案论证13. 方案实施43.1原理图设计43.2电路仿真63.3 PCB制作.73.4 安装与调试74.实验结果及结论94.1、实验结果94.2、结论95. 收获与致谢96. 参考文献97. 附件107.1 电路原理图107.2 PCB布线图117.3 元器件清单121. 设计背景 1.1了解数字电路系统的定义及组成数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。1.2掌握时钟电路的作用及基本构成时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。2. 设计方案2.1任务分析按照设计要求，计数报警器电路图主要包含三个模块。计数模块：用两片十进制计数器级联来实现100进制计数器，采用递增模式。显示模块:用译码器对计数器的四位二进制数进行译码，并直接驱动共阳极数码管显示数字。报警模块：由555定时器组成单稳态触发器，当计数溢出时，触发单稳态，设置合适的参数，控制报警时间。2.2方案论证2.2.1、计数器模块：所用的器材是两片74LS192N，74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。下面介绍74LS192的引脚图和74LS192的功能表。 CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 LD为预置输入控制端，异步预置。 CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 CO为进位输出：1001状态后，负脉冲输出， BO为借位输出：0000状态后，负脉冲输出。图1 74LS192引脚图可以根据74LS192的引脚图来实现硬件连接，表1中P0、P1、P2、P3分别为D0、D1、D2、D3，可以通过LD=0，给这四个引脚接高电平或低电平来实现置数，Q0、Q1、Q2、Q3为74LS192的输出端，可以直接接七段数码显示译码器。PL为LD引脚，接0时置数，用做加计数或减计数时，必须接1。MR为CR引脚，当接1时，实现清零。TCU为CO，是进位输出端。TCD为BO，是借位输出端。表1 74ls192置数表CRLDCPUCPDD3D2D1D0Q3Q2Q1Q01000000DCBADCBAO11加计数011减计数通过两片74ls192的级联组成100进制计数器。具体见方案实施。2.2.2、显示模块：由74ls247实现对四位二进制译码，再直接驱动共阳极数码管。74ls247芯片的管脚图图2。图2 74ls274管脚图引出段符号： A,B,C,D 译码地址输入端 /BI，/RBO 消隐输入（低电平有效） /LT 灯测试输入端（低电平有效） /RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效） ag 段输出（低电平有效） 数码管管脚图通常所说的LED显示器图3所示，由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器。图3 LED显示器此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管(在图中以dp表示)，用于显示小数点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。1): a、b、c、d、e、f、g、dp是数码管的输入端；2): 9脚是接高电平，因为是共阳数码管。根据各引脚图就可以把相应的引脚连接起来，具体连接情况见方案实施。2.2.3、报警模块：由555定时器组成单稳态触发器，当计数溢出时，触发单稳态，单稳态保持的时间t=1.1RC,在此设计中t=10s，就可控制报警时间为10s。发光二极管用红色的LED、音响电路用Speaker来实现。555定时器的工作原理为：由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。触发电路由C1、R1构成，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端F输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号经C1加到2端。并使2端电位瞬时低于Vcc/3，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个暂态过程，电容C开始充电，VC 按指数规律增长。当VC充电到时，高电平比较器动作，比较器A1 翻转，输出V0 从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳态，为下个触发脉冲的来到作好准备。 暂稳态的持续时间tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C值的大小。tw 1.1RC通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（4脚）接地的方法来中止暂态，重新计时。此外尚须用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。555定时器的管脚图为图4。图4 555定时器管脚图具体实现方案见方案实施。3. 方案实施3.1原理图设计3.1.1、计数模块:因为咱们用到的计数器是74LS192、所以需要用两片74LS192级联来实现。具体电路图如下图5。 图 5 74ls192计数电路图3.1.2、显示模块：在计数器之后用两片74LS247（也就是译码器）接在数码管上即可。具体电路图如下图6。（其中两个74LS247ABCD接的是上图74LS192的QAQBQCQD）图6 数码管显示图3.1.3、报警模块：具体电路如下图7。图7 单稳态报警电路图3.2电路仿真利用multisim 10软件制作电路仿真图如图8。图8 仿真电路图3.3PCB制作按照用Multisim连接好的仿真图，用DXP软件连接好原理图，经检测无误后利用DXP向导导入PCB布线界面，开始手动布线。手动布线需要注意一些问题：首先我们用的是底层布线，电源线和地线线粗为0.8mm，信号0.6mm,经过焊盘的线粗是0.5mm，蓝线不能交叉；连线时线不能和其他焊盘连接，以免造成短路；焊盘内径0.9mm,外径是根据需要做适当的调整，一般X方向为1.6mm,Y方向为2.0mm；如果需要交叉需要用红线进行顶层布线以示区别，引出红线要用小焊盘，尽可能少用红线，此次要求红线少于五根且红线之间也不能交叉。PCB制作图如图8所示。图9 PCB板制作图3.4 安装与调试3.4.1安装：按照做好的PCB图，将所需各器件安插到对应位置。安装过程中需要注意的问题有以下几个：元器件的位置要正确；元器件的方向要正确。3.4.2调试 ：调试前的检查，元器件安装完毕,通常不急于通电,先要认真检查一下。检查内容包括：3.4.2.1连线是否正确检测的方法通常有两种:这种方法的特点是,根据电路图连线,按一定顺序一一检查安装好的线路,由此,可比较容易查出错线和少线。按照实际线路图来对照原理图电路进行检查:这是一种以元件为中心进行查线的方法.把每个元件引脚的连线一次查清,检查每个去处在电路图上是否存在,这种方法不但可以查出错线和少线,还容易查出多线。为了防止出错,对于已查出的线路通常应在电路图做出标记,最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或是用万用表的“二极管挡”的蜂鸣器来测量元器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。3.4.2.2.元器件的安装情况检查元器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管的极性和集成元件的引脚是否连接有误。3.4.2.3.电源供电，信号源连接是否正确。3.4.2.4.电源端对地是否有短路现象。 注：在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地是否存在短路。若电路经过上述检查，并确认无误后，就可以转入调试。3.4.3 通电观察 用万用表检查到电源端对地存在短路现象，在老师的帮助下我们的电路观察到了应有的现象。3.4.4 调试中的注意事项调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为了保证调试的效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：3.4.4.1仪器的接地端凡是使用低端接机壳的电子仪器进行测量，仪器的接地端应该和放入器的接地端接在一起，否则仪器机壳引入干扰不仅会使放大器的工作状态发生变化，而且将使测量结果出现误差。根据这一原则，调试发射偏置电路时，若需要测量ce，不仅把仪器的两端直接接在集电极和发射极上，而应分别对地测出c，e然后将二者相减得ce。若使用干电池供电的万用表进行测量，由于电表的两个输入端是浮动的，所以允许直接跨接到测量点之间。测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流，给测量结果带来很大的误差。3.4.4.2正确选择测量点用同一台测量仪进行测量时，测量点不同，仪器内阻引进的误差大小将不同。3.4.4.3测量方法要方便可行需要测量电路的电流时，一般尽可能测电压而不测电流，因为测电压不必改动被测电路，测量方便。若需知道某一支路的电流值，可以通过测取该支路上电阻两端的电压，经过换算而得到。4. 实验结果及结论4.1、实验结果：当进行仿真时，当计数器达到99时，这时LED开始发光同时Speaker开始报警，这个过程维持10秒左右。4.2、结论：由于部分电路不能正常工作，这次实验没有成功。而之所以说是10秒左右是因为电阻R的选取为91K、电容C的选取 100微法，因此1.1*91000*0.0001=10.01而不是10，另外还可精确度有关、造成点误差在所难免。5. 收获与致谢时达两周的课程设计大大提高了我的动手能力和促进了和同学们间的相互合作精神。刚开始我们上网、去图书馆查阅相关资料，和同组同学讨论分析，向老师请教相关内容。俗话说的好，想着容易做起来难啊。仿真图的仿真过程让我们明白凡事一定要细心认真，还要有耐心。PCB版的制作过程也让我明白拥有专业的知识和动手能力是很重要的事情。我之前不太喜欢组装东西，我觉得那都是男孩子做的事情，但是现在我知道我们女生也可以并且能够很好的完成这些事情。我想就我所学的通信工程专业，以后一定会遇到这些组装、制作之类的工作。这次课程设计让我提前接触了这些东西，而且整个过程我学会了很多东西，尤其是要多和同学、朋友交流，大家共同学习进步。这次课程设计要特别感谢杨欣老师、李立老师、胡万里老师的耐心辅导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，在此我表示深深的感谢！6. 参考文献1童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005. 2臧春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2005.3邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.5张阳天，韩异凡Protel DXP电路设计M.北京：高等教育出版社，2005. 7. 附件7.1 电路原理图图10 电路原理图7.2 PCB布线图 图11 PCB布线图7.3 元器件清单 元器