数显、声响式定时器.docx

电子技术综合课程设 计 课 程： 电子技术综合课程设计 题 目： 数显、声响式定时器 所属院(系) 专业班级 姓 名 学 号： 指导老师 完成地点 年 月 日目 录前言11任务书22方案论证32.1方案一32.2方案二32.3方案确定32.4方案整体设计思路43理论设计53.1 5V直流稳压电源电路的设计5 3.1.1 5V直流稳压电源设计思路5 3.1.2 直流稳压电源原理53.2 1S信号源电路的设计53.3 倒计时与显示电路的设计63.4 报警电路的设计73.5控制电路的设计83.6 整体电路图初稿94 仿真调试及实验装调104.1 调试步骤及方法10 4.1.1 仿真调试10 4.1.2 装调步骤104.2 故障及处理10 4.2.1 仿真调试中的故障及处理10 4.2.2 实际调试中的故障及处理105 总结与体会10附录1 整体仿真电路图12附录2 实物图13附录3 元器件清单14附录4 器件管脚与功能说明1524前言电子技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，电子技术课程设计是根据某一课题技术指标或逻辑功能的要求，要求学生能综合应用所学知识，能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，进行电路的独立设计，在实验板上进行电子产品的制作，安装和调试，培养学生独立思考、独立收集资料、独立设计的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力；学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力；培养学生运用有关课程的基础理论和技能解决实际问题，并进一步提高学生专业基本技能、创新能力的重要实践教学环节；培养学生正确的设计思想与方法、严谨的科学态度和良好的工作作风，树立自信心；巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。本课程设计应达到如下基本要求：（1） 综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个数显、声响式定时器的设计。（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。（3）熟悉常用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。（4）掌握电子电路的安装和调试技能。（5）熟悉的使用各类数字电子仪器。（6）学会撰写课程设计论文。（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。1、任务书数显、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、用一只数码管及一个发光二极管表示时间计时，格式如下：秒个位 秒十位初始时LED及数码管均不亮，按开始键后数码管显示5同时二极管亮。然后开始倒计时计数；3、具有最后3秒报时功能。要求响半秒、停半秒共三下；4、电路应具有开机复位或手动复位功能；5、自制1秒信号源及制作本电路所用直流稳压电源，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见参考资料P232.方案论证2.1方案一 如图1所示，由555定时器发出1Hz，占空比为0.5的矩形脉冲，将之与停止信号通过与非门后，即为时钟信号；由74LS192控制倒计数；JK触发器控制74LS192和显示数码管的复位；由与非门使其停止计数。图1 整体电路框图2.2方案二 如图2所示，由555定时器发出10Hz，占空比为0.5的矩形脉冲通过十分频为1Hz的矩形脉冲，将之与停止信号通过与非门后，即为时钟信号；由74LS192控制倒计数；JK触发器控制74LS192和显示数码管的复位；由与非门使其停止计数。时钟信号十分频时器与非门74LS19274LS48七段显示数码管控制电路声响电路停止信号复位信555定时器10HZ1HZ图2 整体电路框图2.3方案确定方案一定要精益求精，这两种方需要选用一种比较合理且节省器件的方案。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，对于这点，经过大家的一致讨论我们选用了方案一，这样使整个设计变得简单易懂且节约，这正是大家所追求的且满足课设要求，同时满足指导老师所要求的条件。2.4方案整体设计思路 总体思路：选用 1个74LS192，它是加、减十进制计数器，在此次实验中它起的是一个减法计数器的作用，由15开始减到0停止计数，在计数的过程中由一个LED发光二极管来表示十位，当数从15开始减到10时也就是数码显示管上的数字从5到0发光二极管都是亮的；当数码显示管上的数字由0变成9的瞬间发光二极管灭，此后数字从9减到0发光二极管都是灭的。并且选用了555 多谐振荡器，它的作用是产生一个1Hz 的方波信号来作为秒脉冲，作为它的 cp 脉冲。因为每个片子以及各种元件均需要一个5V 的直流电源来驱动，故我们还需要用一个 5V 的变压器，整流桥与一个三端稳压器来设计一个电源。因为我们要的是以秒为单位的计数器，所以我们需要的是 1Hz 的 cp 信号，这个可以由 555 多谐振荡器来完成。555 多谐振荡器的功能就是你可以调节它的电阻和电容来得到不同频率和不同占空比的脉冲信号。然后还需要1个74LS48 译码器与1个七段共阴数码管来对计数器所记得数进行译码和显示。当倒计时显示进行到 3，2，1 这三个数字的时候就报警，以蜂鸣器响声来表示；这个可以用一个四输入与门来实现，四输入与门的4个输入分别为十位计数器的进位信号，多谐振荡器的输出端，个位的高两位经过或非输出端与低两位经过或门输出端。然后四线与门的后面接蜂鸣器就可以完成报警功能。用JK触发器来控制系统还的开机复位和手动复位，用一个两输入与非门来构成电路的停止部分。整体电路图如图3：图3 整体电路3 理论设计3.1 5V直流稳压电源电路的设计3.1.1 5V直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流5v输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出。3.1.2 直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，如图4所示。其中：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成9v的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：芯片7805稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。图4 电源电路3.2 1s信号源电路的设计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。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。实验原理图如图5所示。参数计算实验参数：R1=72.13K，R272.13K，C1= 10uF，C2=0.01uf, Vcc=5V。振荡频率为：f=1/T=1/【(R1+2R2CLn2】改变振荡频率的方法：通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。输出脉冲的占空比为q=T1/T=(R1+R2)/(R1+2R2).为了得到占空比为50%的脉冲，可采用占空比可调的可调电路。电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只经过R1，放电电流只经过R2，因此电容充电时间变为T1=R1CLn2 而放电时间变为T2=R2CLn2，故输出脉冲占空比为q=R1/（R1+R2）取R1=R2则可得到占空比为50%的信号源。经以上分析及计算假设取C1=10uF，则 R1=R2=72.13 K,由于实验室没有72.13 K的电阻，故我们选择了68 K的电阻替代。仿真显示，结果显示周期为1秒，即信号频率为1Hz。图5 1s信号源电路3.3 倒计时与显示电路的设计使用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。利用74ls48译码器将二十进制（BCD）码转换成七段信号，在驱动器的作用下驱动显示器的a、b、c、d、e、f、g七个发光段，推动发光数码管（LED）进行显示。实验原理如图6所示。图6 倒计时与显示电路3.4 报警电路的设计声响电路主要是在计数的后三秒响半秒停半秒。电路在后三秒发出声响的条件是高位为00，低位为11、10、01。当计数到0时自动停止计数并且保持二极管灭，数码管显示为0。实现此功能的一个必须条件是信号源占空比为0.5。用或门、非门电路和或门电路分别选出最后三秒高位和低位信号，再与上占空比为0.5的时钟信号和JK触发器的Q非输出端，将它们一起接入一个四输入与门，最终可以实现最后三秒响半秒、停半秒的报时功能。图7 报警电路3.5 控制电路的设计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时，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充完电之后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，当前状态翻转一次，使可以达到复位/计时的效果。其中的开关K是一个脉冲开关，按下开关后就对JK触发器有一个信号触发器能够保持这个信号，其输出端连接计数器预置数端，从而控制计数器的预置数功能，信号源提供计数器的时钟信号。计数器的借位端应连接发光二极管，一旦高位发生借位，则借位端发出低电平有效信号，与其连接的发光二极管就因连接低电平而熄灭。但因为发生借位这个过程太短暂不容易观察，因此就将借位这一信号连接到触发器（此时触发器的时钟信号应为上升沿有效）的时钟信号上，以保持一段时间。这样一来，计数器就可以开始预置，正常计数的同时保证发光二极管的亮与灭，通过与非门使当前电路停止。当发光二极管灭且7段显示数码管显示为0时，即当与非门输出端为低电平，从而使74LS192的时钟信号停止，所以计数停止。控制电路电路图如图8所示：图8 控制电路3.6整体电路图初稿图9 整体电路图初稿4仿真调试及实验装调4.1调试步骤及方法4.1.1仿真调试根据任务书要求画出总体电路图，然后利用proteus软件进行仿真调试。在仿真的过程中将总体电路分为5V直流稳压电源电路、1s信号源电路、倒计时与显示电路、报警电路、控制电路这几部分进行仿真。在每个部分都能正常工作的情况下进行总体电路的仿真。4.1.2装调步骤根据总体电路图及相关集成芯片的管脚图连接好电路，采用单元电路调试发对电路各个部分分块进行试，这样比总体电路的调试要容易的多。装调步骤如下：1、5V直流稳压电源的制作与调试。2、1s信号源的连接与调试。3、倒计时与显示电路的连接和调试。4、报警电路的连接和调试。5、控制电路的连接和调试。必须严格遵守以上条件，按照上面的步骤，才能避免不必要的的麻烦，为实验减少很多麻烦。4.2故障及处理4.2.1 仿真调试中的故障及处理仿真过程中，发现数码不亮，蜂咛器不响。处理方法：经检查，译码器用的是74LS48，而数码管用的是共阳的，更改数码管后，数码管亮；在蜂咛器输入端加入电压探针发现其电压只有零点几伏，而刚开始并没有更改蜂咛器的参数，参数不对，经更改后，蜂咛器正常工作。4.2.2实际调试中的故障及处理仿真成功后，去元器件裤领取元器件发现译码器74LS48和七段共阴数码管已经被领完，遂将74LS48改为74LS47，七段共阴数码管改为七段共阳数码管，再去领元器件的时候发现七段共阳数码管也没有了，然后我们就决定用八段共阳数码管代替七段共阳数码管，从而问题得到解决。连接事物图过程中，由于是三人合作，而分工又不明确，在接入电源之前就已经发现电路存在严重错误，经过商议，将导线全部拆了，由我重新连接，连好后，接入电源发现数码管亮（显示5）但不计数，用万用表分别检查每个模块，每个芯片管脚的高低电平后，发现由于粗心少连接了一根线，接入这根线后数码管正常计数且蜂咛器响，整个电路正常工作。5 总结与体会经过三周的课设实践，我才真正认识到自己所学的知识的掌握，在课堂上的知识掌握是一方面，在实际应用中又真的是另一方面。理论和实践还是有很大的差距，而这部分差距也正是我所欠缺的，是今后需要认真学习的地方。在实物搭建过程中，搭完电路后，测试结果并不是期望的那样，我们分模块检查测试找原因；用万用表测输入输出找到问题的所在，从而对症下药。在各个模块我们从理论设计到实物，一步一步，遇到问题不厌其烦的排除错误。课程设计使我学到很多，也使我认识到很多；首先兴趣很重要，兴趣是最好的老师，就拿我们组来说，遇到问题大家能做到不耐其烦的去寻求答案，这和感兴趣有很大的关系。其次团队合作精神；遇到问题各抒己见，相互协调，共同把一个个问题解决，过程中有过踌躇，但结果很让人高兴，虽然这只是一次小小的课程设计，内容并不是很难，设计的知识也不是很深奥，但通过这次课设增强了我们在专业设计方面的信心，也使我们自己的专业素质得到了提高，为以后的专业设计打下了坚实的基础。另外在这次实验中我们遇到了不少的问题，最终一一解决了遇到的问题。在我们遇到不懂的问题时，利用网上和图书馆的资源，搜索查找得到需要的信息。和队友之间相互讨论，明白了团队合作的重要性。这次的制作也让我们感受到，我们在电子方面学到的只是很小的一部分知识，我们需要更多的时间来自主学习相关知识。通过这次课程设计，我们从中却得到了更多的心得体会并且对理论知识掌握更加牢固。以下是我这次课程设计的总结体会:（1）、在组装整个电路时，要提前有一个总体的设计与规划，这样可以防止在连接电路时布局不够而导致反复摘装电路而浪费时间，同时也不好检查。（2）、在自己连接线路时，应该一个一个模板的连线，并在一个模板连线完成后进行各部分的检查与测试。（3）、要善于思考，认真分析检查，不要盲目的判定错误的原因，理论联系实际，尽可能的翻阅资料，认真检查。（4）、团结协作的精神。一个人的力量再大，他也需要合作展现自己的价值，而与他人合作可以取其长补其短，在为了同一个目标共同努力的过程是最可贵的，我相信在以后的工作学习中我会更重视合作。同时也让我学会了一下几点： 1、了解了常用器件的原理和应用，以及常用器件使用的注意事项及各种测试中不同器件的选择方法和使用方法。2、 培养了我们具用综合应用相关知识来解决测试问题的基础理论，并且让我们学会了怎样把理论和实践结合起来的方法。3、 培养了我们在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力。回顾此次课程设计，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。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。附录1整体仿真电路图附录2 实物图附录3元器件清单名称规格数量电容4.7uF(2个) 1000uF 2.2uF 100uF 10uF 10nF 7电阻68K(2个) 10k(2个) 0.1k 0.01k(2个)7电位器10K1二极管2555振荡器178051与非门74LS001或门74LS321JK触发器74LS1121四输入与门74LS211十进制同步加/减计数器74LS1921译码器74LS471蜂鸣器18段数码显示管共阳1变压器220V-9V1整流桥1面包板1万用表1附录4器件管脚及功能说明数码管管脚图及其工作原理：共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。一位共阳极LED数码管共10个引脚，其中3、8两引脚为公共正极（该两引脚内部已连接在一起），其余8个引脚分别为七段笔画和1个小数点的负极，如图1-1所示。(a)符号和管脚图 (b)共阳极接法 (c) 共阴极接法图3-1 数码管管脚图74LS192管脚图及其功能说明：74LS192 的清除端是异步的。当清除端（）为高电平时，不管时钟端（、）状态如何，即可完成清除功能。74LS192 的预置是异步的。当置入控制端（）为低电平时，不管时钟的状态如何，输出端（）即可预置成与数据 输入端（）相一致的状态。 74LS192 的计数是同步的，靠、同时加在 4 个触发器上 而实现。在、上升沿作用下 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 可分别利用或，此时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（）输出一个低电平脉 冲，其宽度为低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（）输出一个低电平脉冲，其宽度为低电平部分的低电平脉冲。当把和分别连接后一级的、，即可进行级联。引出端符号：错位输出端（低电平有效） 进位输出端（低电平有效） 减计数时钟输入端（上升沿有效） 加计数时钟输入端（上升沿有效）异步清除端 并行数据输入端 异步并行置入控制端（低电平有效） 输出端 (a) (b) 图3-2 74LS192管脚图及逻辑符号表3-1 74LS192功能表74LS112管脚图及其功能说明：74LS112为下降沿触发的双JK触发器。、分别为异步置1端和异步置0端，均为低电平有效。74LS112双JK触发器的引脚图和J-K触发器的逻辑符号分别如图(a),图(b)所示。引脚功能描述:,: 时钟输入端(下降沿有效), ,: 数据输入端,/,/: 输出端,: 直接复位端(低电平有效),: 直接置位端(低电平有效) (a) (b) 图3-3 74LS112管脚图及其逻辑符号74LS112为下降沿触发的边沿触发器。其状态方程为：其中J和K 为数据输入端，是触发器状态更新的依据，若J、K有两个或两个以上输入端时，组成“与”的关系。触发器的功能表如表3-2所示：表3-2 74LS112功能表功能说明00000111110110保持00110111110011置011000111111100置111110111111001保持XXXX01X01异步置0XX10X10异步置1XXX00X11不定状态74LS47管脚图及其功能说明：74LS47是由“与非”门、输入缓冲器和7个“与一或非”门组成的BCD7段译码器/驱动器。通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。7个“与非”门和1个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个“与或非”译码门。剩下的“与非”门和3个输入缓冲器作为“试灯输入”LT端、灭灯输入/动态灭灯输出BI/RBO端及动态灭灯输入RBI端。该电路接受4位二进制编码十进制数（BCD）输入并借助于辅助输入端状态将输入数据译码后去驱动一个七段显示器。74LS47的输出结构设计成能承受7段显示所需要的相当高的电压（最大反流250A时可承受15V）。驱动显示器各段所需高达24mA的电流可以由其高性能的输出晶体管来直接提供。BCD输入计数9以上的显示图案是鉴定输入条件的唯一符号。74LS47有自动前、后沿灭零控制（RBI和RBO）。试灯（LT）可在BI/RBO端处于高电平的任何时刻去进行，该电路还含有一个灭灯输入（BI），它用来控制灯的亮度或禁止输出。74LS47这种七段译码器在应用中可以驱动共阳极的发光二极管或直接驱动白炽灯指示器。 图3-4 74LS47管脚图表3-3 74LS47功能表注： 1 当需要0到15的输出功能时，灭灯输入（BT）必须为开路或保持在高逻辑电平，若不要灭掉十进数零，则脉动灭灯输入（RBI）必须为开路或“高”。 2 当低逻辑电平直接加到灭灯输入（BI）时，不管其它任何输入端的电平如何，所有段的输出端都得关死。 3 当脉动灭灯输入（RBI）和输入端A、B、C和D都处于低电平及试灯输入为高时，则所有段的输出端进入关闭且脉动灭灯输出（RBO）进至低电平（响应条件） 4 当灭灯输入/脉动灭灯输出（BI/RBO）开路或保持“高”，且将“低”加到试灯输入时，所有段的输出都得打开。 BI/RBO是用作灭灯输入（BI）与/或脉动灭灯输出（RBO）的线与逻辑。555定时器管脚图及其功能说明：多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源后不需外加触发便能产生矩形脉冲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。图3-5 555定时器管脚图1脚(VSS)：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚(VCC)：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。