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作品名称：多功能计时器 题号：xxxxxxxxxx密号：xxxxxxxxxx目录一、总系统设计31.设计任务与要求3(1)基本要求3(2)发挥部分32.系统方案设计与论证3(1)脉冲电路部分4(2)计时电路部分8(3)译码显示电路部分10(4)清零电路部分10(5)方案总结113.总系统框图11二、各单元电路设计121.脉冲电路122.计时电路133.译码显示电路184.清零电路19、系统测试241.测试设备242.数据测试与分析25(1)基本要求测试：25(2)发挥部分测试：293.结果分析30五、设计总结30六、附录31(1)【参考文献】33数控通用直流电源摘要：随着新型电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。这就需要将波动的交流电转换为稳定的直流电源。本设计采用LM2596S开关电压调节作为稳压芯片，并利用X9318数值电位器调整电压，以单片机为核心的简单数字控制直流电源。设计中实现了一组固定输出5V；两组315V分别可调，同时还可以串联起来使用，电压从-15V+15V。本设计有电路简单、成本较低、响应迅速、稳定性好、效率高、精确度高等特点。关键词：LM2596S；X9318；单片机；数字控制；直流电源引言随着社会飞速前进，用电设备与日俱增。但电力输配设施的老化和发展滞后，以及设计不良和供电不足等原因造成末端用户电压的过低，而线头用户则经常电压偏高，对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备，独如一颗不定时炸弹。市电系统作为公共电网，上面连接了成千上万各种各样的负载，其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能，还会反过来对电网本身造成影响，恶化电网或局部电网的供电品质，造成市电电压波形畸变或频率漂移。另外意外的自然和人为事故，如地震、雷击、输变电系统断路或短路，都会危害电力的正常供应，从而影响负载的正常工作。不稳定的电压会使设备造成致命伤害或误动作，影响生产，造成交货期延误、品质不稳定等多方面损失。同时加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁配件，使业主面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备，浪费资源；严重者甚至发生安全事故，造成不可估量的损失。所以使用稳压电源，对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备来说是必不可少的。数控直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛的用于电子电路，教学实验和科学研究等领域。目前实用的直流稳压电源大部分是线性电源。利用分离器件组成，其体积大，功率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子科技的飞速发展，各种电子电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且单片机具有计算和控制功能，利用它对采样技术进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差，大大提高稳压电源输出电压和输出电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护检测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限制电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。本设计欲完成设计三组稳压电源，其中一组固定输出，另两组3V-15V可调的数字控制直流稳压电源，且可实现双电源同步调节或分别调节的要求。重点是在设计中利用单片机和数字电位器实现模拟电压的数字可调。难点是在实现双电源同步调节过程中设置参考地所带来的一系列问题，包括数字电位器供电问题和电压、电流采样问题。为实现设计要求且克服难点，在交流电经过变压器变压、整流滤波后，由三片LM2596实现一组固定输出5V，两组输出可调。由于在实现双电源同步调节中，两个可调端串联时选取中间座位参考地，导致尾部的可调端的地并不是真实的GND而是-15V。此时用光耦进行隔离，让-15V移到0V，就可解决以上说的问题。以下将详细讲解设计过程。一、 总系统设计1. 设计任务与要求（1）、设计一个脉冲发生电路，为计时器提供秒脉冲信号，实现开关控制暂停功能。（2）、设计一个计时电路，完成0分00秒9分59秒的计时功能；（3）、设计一个译码显示电路，具有显示功能，能够显示当前计时值；（4）、设计一个清零电路，具有开机自动清零功能，并且在任何时候，按动清零开关，可以进行计时器清零；（5）、误差要求：秒误差小于1s/（10分钟）；（6）、具有功能设置或调整按键，可以方便地进行操作。2. 系统方案设计与论证方案一：多功能计时器的各项功能可采用单片机实现，但由于题目明确限制单片机的使用，故采用数字逻辑电路设计完成，具体设计见方案二。方案二本方案中采用数字逻辑电路设计并制作完成多功能计时器。主要以74LS47D、74LS160D等数字逻辑芯片集成为核心，完成0分00秒-9分59秒的计时功能。多功能计时器是由秒脉冲发生电路、计时电路、译码显示电路和清零电路等几部分组成，并在秒脉冲电路中开关控制暂停，在清零电路的作用下具有开机清零的功能，按键开关控制，可以方便完成清零、暂停等操作。设计总程图见图1:秒十位显示器秒个位显示器分显示器清零电路分译码器秒个位译码器秒十位译码器秒十位计数器秒个位计数器分计数器计数脉冲计数脉冲分显示器1Hz2Hz秒脉冲电路分频器图 1多功能计时器的方框图 (1) 脉冲电路部分(2) 计时电路部分(3) 译码显示部分(4) 清零电路部分(5) 方案总结综上所述，系统方案确定为：二、 单元电路设计1. 脉冲发生电路器件：32768Hz晶体管、300电阻、1uF电容、CC4060、74LS74功能：为计时电路提供计数脉冲。原理：实验中采用32768Hz的石英晶体多谐振荡器作为脉冲信号源。经分频器CD4060的多级分频，从Q14可获得2Hz输出信号（Q4和Q5提供2kHZ，1kHZ留报时电路备用）。再将2Hz的脉冲信号经二分频电路得到1Hz的秒脉冲信号。二分频电路由D触发器实现。将D触发器的D端与端接在一起实现，Q端的输出信号即为1Hz的秒脉冲信号。2. 计时电路器件: 74LS47D、74LS160D、74LS08D。功能：完成0分00秒-9分59秒的计时功能。原理：计时电路由分计数器、秒十位计数器、秒个位计数器构成。秒个位计数器用74LS47D直接实现十进制计数功能；秒十位计数器是由74LS160D一个从00000101的模六计数器实现；分位也是用74LS47D直接实现十进制计数功能。将脉冲信号发生器生成的1HZ脉冲信号送入秒个位计数器74LS47D的CP端，秒个位的Q1、Q4通过一个与非门接入74LS160D钟端作为时钟信号完成秒个位与十位的级联，与非门实现1001到1000的下降沿跳变。秒十位记数的模六用反馈置数法实现。将计数位2Q1、2Q3与非后作为驱动信号送入分计数器（CD4518A）的EN端，完成分计数。3. 译码显示电路器件:74LS47D 共阳极数码管。功能：实现计时时的数字显示。原理：显示电路由三片74LS47D显示译码器和三个1位共阳数码管组成。四线七线译码器74LS47D的LT、BI/RBO、RBI分别接高电平， GND端接低电平，此时器件处于译码状态。再将译码器的输出分别与数码管的相应端对接，这样令共阳极七段LED数码管进行循环显示。而译码器74LS47D的输入则由秒个位，秒十位，分位的输出接入。4. 清零电路器件：555-VIRTUAL、1k电阻、100k电阻、0.01F电容、0.1F电容。功能：具有开机自动清零功能，并且在任何时候，按动清零开关，可以进行计时器清零。原理：开机时，电容上的电压不能突变，电容两端为低电平，经过第一个非门输出高电平，接到555-VIRTUAL的管脚7和15，实现秒个位和分位的清零。在经过第二个非门输出低电平，接到74LS161的管脚1，实现秒十位的清零。开机后，开关打开为正常工作状态，按下开关后，电容被短路，第一个非门的输入端为低电平，两个非门的输出端分别为高电平和低电平，实现控制清零功能。5. 设计思想三、 系统测试1. 测试设备 直流电压测试采用数字万用表，型号：Fluke/289，测试精度：0.01V 直流电流测试采用数字万用表，型号：Fluke/289，测试精度：0.01A 输出波形纹波测试采用数字示波器，型号：PY010-DS1104B 输出电压及电流波形测试采用模拟示波器，型号：JEA3BS38-CS5400 电源提供采用稳压源，型号：XD1713，测试精度：0.1V2. 数据测试与分析(1) 基本要求测试：（1） 固定输出5V组 数据测试以下是各组测试数据（10组）：UinIinUoutIoutRlPinPout(效率)26.960.1550.68.3333334.04430.7418426.680.1850.77.1428574.80243.50.72880226.260.234.90.915.3846156.03984.4590.73826926.090.254.90.994.9494956.52254.8510.74373325.70.34.91.184.1525427.715.7820.74993525.310.354.91.373.5766428.85856.7130.75780324.660.434.91.662.95180710.60388.1340.76708325.170.374.91.463.3561649.31297.1540.76818224.50.474.91.782.75280911.5158.7220.75744723.980.554.92.052.39024413.18910.0450.76162表 2 测试数据由上表的数据可算出平均输出效率为=75%。 输出特性曲线图输出电压与电流的关系：图 2 Uo与Io的关系负载与输出电压的关系：图 3负载与输出电压效率与输出功率的关系：图 4输出功率与效率的关系可见，当输出功率达到1015W时，效率最高。（2） 可调输出部分： 数据统计：当输出电压最低时（Uo=2.6V）：UinIinUoutIoutRlPinPout28.160.052.60.26101.4080.6760.48011428.050.062.60.347.6470591.6830.8840.52525328.10.072.60.367.2222221.9670.9360.47585227.850.082.60.416.3414632.2281.0660.47845627.80.082.60.485.4166672.2241.2480.56115127.530.12.60.614.2622952.7531.5860.57609927.520.112.60.683.8235293.02721.7680.58403827.250.132.60.892.9213483.54252.3140.65321127.160.142.60.952.7368423.80242.470.6495926.920.162.61.12.3636364.30722.860.66400426.660.192.61.292.0155045.06543.3540.66213926.530.22.61.371.897815.3063.5620.67131526.270.242.61.591.635226.30484.1340.65569125.820.272.61.821.4285716.97144.7320.67877325.50.312.62.061.2621367.9055.3560.67754624.530.382.62.411.0788389.32146.2660.67221723.570.482.62.880.90277811.31367.4880.66185822.720.622.63.540.73446314.08649.2040.653396表 3输出电压最低时（Uo=2.6V）的数据由上表的数据可算出平均输出效率为=61%。当输出电压最高时（15.6V）：UinIinUoutIoutRlPinPout24.220.415.60.531.29.6887.80.8051224.330.4715.50.5926.2711911.43519.1450.79973123.60.5515.50.722.1428612.9810.850.83590123.120.6215.40.7819.7435914.334412.0120.83798422.750.6915.40.8617.9069815.697513.2440.84370122.190.7915.30.9615.937517.530114.6880.83787321.970.9815.31.1413.4210521.530617.4420.81010319.951.2115.31.3411.4179124.139520.5020.84931318.331.4515.21.4910.2013426.578522.6480.85211717.261.7614.51.788.14606730.377625.810.84963916.621.8913.71.97.21052631.411826.030.82866916.161.9913.42.016.66666732.158426.9340.837542表 4当输出电压最高时（15.6V）的数据由上表的数据可算出平均输出效率为=83% 经测试，各组数据如下（Uo=2.6V（最小时），Uo=15.6V(最大时）)：Uo=2.6V时，输出电压与输出电流的关系：图 5输出电流与输出电压的关系Uo=15.6V时，输出电压与输出电流的关系：图 6 15.6V时输出电压与电流的关系Uo=2.6V时，输出功率与效率的关系：图 7Uo=2.6V时，输出功率与效率的关系Uo=15.6V时，输出功率与效率的关系：图 8Uo=15.6V时，输出功率与效率的关系可见，当输出功率 在大于6W时，效率达到最大。(2) 发挥部分测试：对于发挥部分，在上面的方案选择中，我们已经对过流保护作出了设计。且实现了用按键调节电压值的大小。同时，可以实现两组可调电源级联。级联模式下，可以实现同步调节。在普通模式下（非级联）第一组可调电源可以实现低频率的三角波、梯形波输出。3. 结果分析由上述数据分析可知，固定输出的效率只能达到75%，不是特别理想。而可调输出的在输出电压很低的时候，即数字电位器调至最低时的效率为61%，最高时效率为83%，可见，在本系统中，当负载固定不变，电压从最低往最高调整时效率是越来越大的。四、 设计总结经过一个星期的努力，我们已经完成了基本要求，实现了设计三组稳压电源，其中两组2.607V-15.6V（满足3-15V可调）可调，另一组固定输出。效率分别达到最大达到83%，可见本系统效率还是不算太高，但已经满足了系统的设计要求。在设计过程中，需要注意各种元器件的选择，一定要根据它们的特性来进行选择。也要注意各个芯片外围器件的选择。经过此次训练，我们加深了对数控电源的理解，深刻认识到数控电源不仅需要对硬件有较深的理解，还要对软件有很好的掌握。五、 附录附录1：系统原理图附录2：部分程序清单（核心程序）/*-名称：数字电位器初始化输入：输出：说明：-*/void X9318_Init()Delay_Ms(1); /使VCC稳定UP_DOWN1 = 1 ; /*为避免意外的抽头位置改变或存储在 VCC脚上电时或上电前将CS和INC拉高*/INC1 = 1 ;UP_DOWN2 =