数显、声响式定时器设计AD.doc

电子技术课程设计 报 告题 目：数显、声响式定时器学 院： 陕西理工学院 院 系： 电信工程系 姓 名： 赵德锋 班 级： 电子082 学 号： 0813014037 指导教师： 何伟 完成时间：2010年 9 月 13 日数显、声响式定时器一、任务和要求设计并制作一个数显、声响式定时器，要求如下。1、 用压控陶瓷蜂鸣器作为电声元件，电路具有15秒定时功能。2、 用一个数码管即一个发光二极管表示时间计时，格式如下：初始时LED及数码管均不亮，按开关键后数码管显示5同时二极管亮，然后开始倒计时计数。3、 具有最后三秒报时功能，要求响半秒、停半秒共三下。4、 电路应具有开关复位或手动复位功能。5、 自制一秒信号源及制作本电路所用的直流稳压电源，用AC220V供电。二、 提示和参考文献：数字电子技术实验任务书实验四数字电子技术实验任务书实验六直流电源参见参考资料P23目录前言41总体设计方案选择与论证51.1 方案一51.2 方案二51.3 对比选择62单元电路与总电路设计62.1 5V电源62.2 1Hz信号源82.3 倒计时与显示部分102.4 复位电路112.5 最后三秒声响部分122.6 停止电路132.7 总体电路143.仿真调试153.1软件介绍 ：153.2具体调试164.实验装调174.1方法与步骤174.2故障及其处理174.3总结和体会17附1.元器件清单18附2.集成电路芯片管脚图19附3.总体电路图21 前言在我们的生活当中时常会见到这样一种电子设备他不但会倒计时，而且还会发出声响来提醒你，其实这当中的重要部分就是数显、声响式定时器。在许多场合中都会见到它的身影，现在各种各样的倒计时牌随处可见，这些设备虽然在外形上各有特色，但究其功能都是实现倒计时以及在计时快停止时对人们的提示，所以对这些设备的研究与了解对我们来说还是非常有必要的，再加上它里面所涉及的内容绝大多数都和我们所学习的数字电路基础技术这门专业基础课有关，因此此次倒计时计数器设计对于我们来说是一个锻炼实际应用能力以及将理论与实践相结合的绝好机会。此次的课程设计主要针对我们在学习数字电子技术之后，如何将理论与实际应用结合起来进行综合设计以培养我们独立分析、思考与解决实际问题的能力以及如何将所学的课程运用于实践中。1总体设计方案选择与论证11 方案一如图1.1所示，信号直接由 555定时器产生（频率 1HZ，占空比 0.5），由74LS192主控倒计数，JK触发器控制LED和74LS192的复位，三态门控制计数停止。 1.2 方案二如图1.2所示，信号先由555定时器产生频率为10HZ的矩形脉冲，再经过十分频，输出频率为1Hz，占空比为0.5的矩形脉冲，由74LS192主控倒计数，JK触发器控制LED和74LS192的复位，与门控制计数停止。1.3 对比选择从准确角度来说方案二要优于方案一，因为方案二时钟信号经过十分频，误差更小、占空比更准确。但是，单就任务书而言，方案一就足够了，并且方案一所使用的芯片少，简单、实用，因此我们选择方案一。2单元电路与总电路设计2.1 5V电源可以说只要是电路就离不开电源，那么我们所做的定时器就更不用说了，而电源的好坏直接影响着电路能否正常工作。于是我们将220V交流电经过变压器变为9V，在经过整流桥整流成直流，然后采用三端稳压芯片7805稳压 ，右边两个电容是5伏电源的滤波电容。如图2.1.2该电路输入家用220v交流电，经过全桥整流，稳压后输出稳定的5v直流电。其工作原理如图2.1.1 图2.1.1 5V电源工作原理图从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。 变压器后面由4个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大的直流电源，所以在这里接一个330uF/25V的电解电容。 变压器输出端的9V电压经桥式整流并电容滤波，在电容C1两端大约会有11V多一点的电压，假如从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使C1两端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一个三端稳压器的元件。 三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为我们要输出5V的电压，所以选用7805，7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM7805最大可以输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2脚）短路并不会使7805烧坏，当然如果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系。三端稳压器后面接一个105的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。 图2.2.2 5V直流电压源2.2 1Hz信号源由于蜂鸣器在后三秒要响半秒停半秒，所以要由555产生周期为1秒、占空比为0.5的矩形脉冲，经计算此震荡电路占空比为0.5（波形），于是在电路中加入二极管，这样电容充、放电所经过的电阻一样大，以达到充、放电的时间相同的效果，从而达到占空比为0.5的效果如图2.2.2。555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，用它能方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活方便，所以它在波形的变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域得到广泛的应用。UI1是比较器C1的输入端（也称阈值电压，用TH标注），UI2是比较器C2的输入端（也称触发端，用TR标注）。C1和C2的参考电压（电压比较的基准）VR1和VR2由VCC经三个5千欧电阻分压给出。在控制电压输出端VCO悬空时，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC.如果外接固定电压,VR1=VCO,VR2=1/2VCO.a.只要RD=0,无论两个触发端为何状态，输出端Vo=0。b.当RD=1,高电平触发端TH2/3Vcc，低触发端TR1/3Vcc时，D放电管导通，输出端Vo=0。c.当RD=1，低触发端TR1/3Vcc，D放电管截止，输出端Vo=1.。d.当RD=1，而低触发端TR和高电平触发端TH的电平在1/3Vcc到2/3Vcc之间时，输出维持不变.则CB555功能表如下： 表2.2.1 CB555功能表本实验中使用555定时器组成占空比可调的多谐振荡器，具体做法是将555定时器的UI1和UI2两个输入端连在一起作为信号输入端得到施密特触发器，再把施密特触发器的反向输出端经RC积分电路接回到他的输入端，就构成了多谐振荡器，电路图如图 所示。 当接通电源以后,因为电容上的初始电压为0,所以输出为高电平,并开始经电阻R向电容C充电,当充到输入电压为Vi=Vt+时,输出电压跳变为低电平,电容C又经过电阻R开始放电.当放至Vi=Vt-时,输出电位又跳变为高电平,电容C重新开始充电,如此周而复始,电路便不停的振荡.由VcC的波形求得电容C的充电时间T1和放电时间T2各为T1=（R1+R2）C Ln【(Vcc-VT-)/(Vcc-VT+)】=(R1+R2)CLn2T2=R2CLn【(0-VT+)/(0-VT-)】=R2CLn2故电路的振荡周期为T=T1+T2=(R1+2R2)CLn2振荡频率为f=1/T=1/【(R1+2R2)CLn2】占空比为q=T1/T=(R1+R2)/(R1+2R2). 图2.2.2 1HZ信号源2.3 倒计时与显示部分使用74LS192进行减法计数，清零端接低电平，置数端接复位信号，加法计数时钟接高电平，借位端接JK触发器的CLK端。JK触发器的J、K、R端分别接高电平，当JK为高电平时，每当有时钟信号输入，触发器的状态就会发生翻转，当发生借位时，JK触发器CLK端得到一个下降沿，使当前状态翻转一次，即显示从5到0再从9到0，5到0时发光二极管亮，9到0时发光二极管灭如图2.3。 图2.3 倒计时及显示部分电路图2.4 复位电路选择带有置数清零端的JK触发器进行复位，JK触发器的J、K、S端接高电平，当JK为高电平时，每当有时钟信号输入，触发器的状态就会发生翻转，打开电源开关瞬间，JK触发器的Rd端接低电平有效清零，待电容C1充电完成之后Rd端变为高电平，清零无效，故保持原状态，上电复位完成；开关闭合一次， CLK端得到一个下降沿，当前状态反转一次，使之可以达到复位/计时效果如图4.4 图2.4 复位电路2.5 最后三秒声响部分最后三秒信号对应的输出为Q3、Q2、Q1、Q0应为0011、0010、0001以及LED灭，用或门和非门电路选出最后三秒信号，再和占空比为0.5的时钟信号相与，即可实现最后三秒响半秒、停半秒的报时功能如图4.5。 图2.5 末3秒声响部分2.6 停止电路使用或门和三态门电路实现计数的自动停止功能。当计时状态为：发光二极管灭且七段显示数码管显示为0时，通过或门，使三态门控制端为低电平，三态门变为高阻态，74LS192的时钟信号停止，所以计数停止如图4.6。 图2.6 停止电路2.7 总体电路如图所示，把所有的单元电路按照逻辑关联方式联系在一起，电路便可以从15开始倒计时，并且后三秒响半秒、停半秒，开机或开关可使之复位。192的借位端控制发光二极管在192从5到0时发光，所以借位端接 JK触发器的CLK端，使其每一次从0到9变化时，都有一次反转来控制二极管；蜂鸣器要求在后三秒响半秒停半秒，使用与门电路即可实现如图4.7。 图2.7 总体电路3 仿真调试3.1软件介绍 ：Proteus 是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2、MPLAB等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。 其功能模块：个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真； ARES PCB设计。PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型. 1.支持许多通用的微控制器，如PIC,AVR,HC11以及8051； 2.交互的装置模型包括：LED和LCD显示,RS232终端,通用键盘； 3.强大的调试工具；包括寄存器和存储器,断点和单步模式； 4.IAR C-SPY 和Keil uVision2等开发工具的源层调试； 5.应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。32具体调试 此次调试我们小组分成了几个模块电源模块、信号源模块、复位电路模块、倒计时及显示模块、最后三秒声响电路模块、停止电路模块，分别对各个模块进行仿真，最后把各小模块进行整合做最终的仿真以及调试。4实验装调4.1方法与步骤按照设计好的的单元电路图连接好每一个单元电路，先对单元电路进行调试，如果能够正常工作，再把所有的相关的反馈电路联系在一起，按照所设计的总电路图进行连接，最后进行测试以达到最终任务书的要求。4.2故障及其处理 在实验中我们遇到了许许多多的问题，首先是在仿真中仿真软件的问题，总是不能自动开机复位，在换了仿真软件后问题解决；还有在连接实际电路的时候，倒计时电路总是随机少数字，把逻辑电路检查重新连接了好多遍都无法解决问题，后来在询问过老师和同学后才知道是信号源不够稳定，重新连接信号源后问题解决；同时还有电源总是感觉时而有电流时而又没，这让我们很是头疼，一直找不到原因，最后才发现是面包板接触不良，在经过简单的连接之后终于稳定了。4.3总结和体会经过三周的努力，终于完成了课程设计任务，和同学的合作非常融洽与愉快，同时也让我对实验产生了浓厚的乐趣。深刻的了解到电源、信号源的可靠和稳定性的重要，并不仅仅是看到有信号或者电流就可以的，在计数器发生随机少数字的问题时，我曾一直以为是电路的逻辑部分出了问题，检查了许多遍都没有发现问题所在，百思不得其解，浪费了很多时间，后来通过请教老师才知道是信号源不够稳定，立刻重新连接信号源，故障解除。在实现电路的自动与