数显、声响倒计时电路设计.doc

任务书数显、声响倒计时电路设计一、任务及要求设计并制作一个数显声响式倒计时电路。要求如下：1 电路具有1099秒可预置定时功能。2 有两个数码管显示计时时间，用一只LED指示计时开始与结束。按预置（开始）按钮，数码管显示定时时间，LED灯不亮；再按预置（开始）按钮，LED亮，倒计时开始。3 倒计时结束时，计数器停止计数，LED灯不亮。4 电路具有开机预置数功能。5 电路具有最后三秒报时功能，要求响半秒停半秒，共三次。用压控陶瓷蜂鸣器作为电声元件。6 自制本电路所用得直流电源和一秒信号源。 二、参考资料数字电子技术实验任务书实验四及实验六电子技术基础课程设计资料 目录前 言31、整体设计41.1整体设计思路41.2整体设计4方案一5方案二：52、 单元电路设计和基本原理62.1电源设计62.2信号源72.3 开机复位电路82.4 减法器计数器92.5 显示电路112.6 报警电路132.7 LED灯电路133、系统安装与调试153.1.步骤方法153.2故障及处理153.2.1电源仿真的制作及调试153.2.2 1秒信号源仿真的连接于调试153.2.3 译码显示仿真的连接和调试163.2.4 计数器仿真的连接和调试163.2.5 报警电路仿真的连接和调试163.2.6 LED灯仿真的连接和调试183.2.7 总体电路的测试163.3小结164、总结与体会17附录1 总体电路图19附录2 元器件清单20附录3 集成电路引脚图21附录4 参考文献22前言电子技术综合课程设计是针对我们所学的数字电子技术基础、模拟电子技术基础两门课程，进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课程、电子电路设计、组装（或模拟仿真）、调试和编写总结报告等实践内容。它包括选择课程、电子电路设计、组装。调试和编写总结报告等实践内容。通过课程设计实现以下四个目标:第一，培养学生团队合作以及其迎难而上精神。第二，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。即学生根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标；第三，培养勤于思考的习惯，同时通过设计并制作电子产类品，增强学生这方面的自信心及兴趣；第四，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法；本课程设计介绍的是数字逻辑电路中以TTL集成电路为基础的数显，声响倒计时器，以电路的基本理论为基础，着重介绍电路的设计装调及性能参数的调试方法. 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、声响倒计时器的设计。（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养寻找、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。在这次实践设计过程中，我得到了同学门和老师极大的帮助，在这里我表示衷心的感谢，同时我也明白了团队精神的重要性。1、整体设计1.1整体设计思路总体思路：因为每个片子和各个元器件均需要一个5V的直流电源来驱动，因此我们需要一个变压器、整流桥和三端稳压器来设计一个稳定的5V直流电源。此次设计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，而且根据后面的响半秒停半秒可知，它的占空比为50%。由于要达到倒计时功能，因此我选用2个74LS192作为计数器件，并将2个192级联来使它满足10-99的倒计时。为了加快运行速度我采用并行进位的级联方法。以前面555多谐振荡器产生的1Hz的方波信号来作为秒脉冲，作为它的cp脉冲。然后还需要两个74LS48译码器与两个共阴数码管来对计数器所记得数进行翻译和显示。当倒计时进入03,02,01时就要报警，以蜂鸣器发出声响来表示；我通过一个四输入与门和一个两输入与门来实现，四输入的分别接入由十位高低两位经或非门和个位高位经或非门、低位经或非门再经非门的输出端，两输入的分别接四输入与门输出端和多谐振荡器的输出端。对于LED灯的控制通过一个四输入的与非门和一个两输入的与门来实现。四输入与门分别接十位高低两位经或非门和个位高低两位经或非门输出端，两输入与门接四输入与非门输出端和JK触发器输出端。1.2整体设计我们的方案一定要精益求精才符合设计的一般原则，因此要选用一个比较合理且节省器件的方案，方案一由于要用到借位信号，所以要多用一个74LS08芯片，这样一来电路图就变得比较复杂且多用了一个芯片，经过我们商量觉得与方案一比较，方案二简单易懂且比较节约，这与我们的设计初衷不谋而合，满足了课设要求和老师所提出的条件。方案一74LS192计数器报警系统LED及显示译码拨码开关置入数字多谐振荡器图1.2.1 整体设计方案一方案二电压源信号源74LS192JK触发器7段显示数码管蜂鸣器74LS48图1.2.2 整体设计方案二2、单元电路设计和设计原理2.1电源设计根据设计要求，我们需要的是稳定的5V直流电压，所以电源部分就包括降压电路、整流电路、滤波电路、整流电路。其整体原理为：交流220V、50Hz电源变压器整流电路滤波电路稳压电路输出直流5V电压。降压电路：我们输入的是交流220V电压，因此先对其进行降压处理。根据变压原理：n1：n2=V1：V2，要将220V电压降为5V电压，只要原副线圈比为44:1即可，在此处降压电路我们采用变压器直接变压，即可输出5V交流电。整流电路：本次设计采用桥式整流，因为它输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，桥式整流电路能将变压器副边电压从交流变为直流电压。滤波电路：在整流滤波电路的输出端（即负载电阻两端），并联一个电容即得到电容滤波电路。滤波电容容量较大，利用其充放电作用，使输出电压趋于平滑。其中C2起滤波作用，C4的作用是改善电源的动态特性（即载负载电流突变时，可由C4提供较大的瞬时电流）采用大容量的铝解电容器。这种电容器的电感效应较大，对高次谐波的滤波效果较差，通常需要并联高频滤波电容器，其容量在0.01微法到0.1 微法之间即可。稳压电路：由于7805具有稳压精度高，工作稳定可靠，它的外围电路也简单，因此我们采用了集成7805稳压器型稳压电路进行稳压，为后面的一切电路提供了稳定的电压。电源部分电路图如下图2.1所示：TR1(P1)TR1TRAN-2P2SD41N914D51N914D61N914D71N914C44.7ufC51000ufC62.2ufVI1VO3GND2U107805+88.8Volts图2.1 电源电路2.2信号源我们利用555集成定时器，构成多谐振荡器用来产生1Hz的cp信号。并且要它的占空比为50%。555各个引脚功能如下：1脚（GND）：外接电源负端（Vss）或接地，一般情况下接地。2脚（TR）：低触发端。3脚（Q）：输出端。4脚（R）：是直接清零端。当 端接低电平，则时基电路不工作，此时不论 、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚（CV）：为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚（TH）：高触发端。7脚（DC）：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。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。（1）原理图：R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U9555D21N914D31N914R468kR568k50%RV110kC210ufC310nfU图2.2 555多谐振荡器（2）参数计算：实验参数：R1=72.46K，R272.46K，C1= 10nF，C2=10uf,Vcc5V。震荡频率为：f=1/T=1/(R1+R2)CLn2由于我们需要的脉冲信号是50%，故为了得到它，我们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R1=72.46K=R2,C2=10微法。(3)仿真显示，结果显示周期为1秒，即信号频率为10Hz。2.3开机复位电路计数器的工作是由信号源与手动开关共同控制的。控制模块是由JK触发器构成,而实验中所用到的74LS107是一个T触发器它的特性方程是Q*=TQ+TQ，它具有比较强的逻辑功能，具有置1、置0、计数和保持功能。通常在时钟后沿发生翻转。表2.3 JK出发器逻辑功能表JKQ*状态00Q保持010置0101置111Q翻转具体开机复位电路如下图2.3所示：J1Q3CLK12K4Q2R13U10:A74LS107C110nfU10:A(J)图2.3 开机复位电路我们要保证电路开始时JK触发器初态Q=0，怎么保证呢？我们在Rd端加如图的CL电路，当电路连接好后，刚开始1点点位为0，而C1充电，当充电完成后，1点点位为+Vcc。而Rd为低电平有效。这样一来就给JK触发器初态Q=0，而待电容充电完毕后又给Rd一高电平，使其不再有效。大家都知道JK触发器J、K连一起接高电平为T触发器，即为翻转，所以当开关K闭合时，JK触发器由初态Q=0翻转为Q=1。给电路提供高频信号。2.4减法计数器我们采用74LS192实现十进制计数功能74LS192具有双时钟输入并具有清除和预置数功能。74LS192各个管脚功能如下：15、1、10、9管脚（D0-D3）：并行数据输入端。3、2、6、7管脚（Q0-Q3）：输出端。4管脚（DN）：减法计数时钟输入端（上升沿有效）。5管脚（UP）：加法计数时钟输入端（上升沿有效）。11管脚（PL）：异步并行置入控制端。当PL=0时开始置数，当PL=1时开始计数功能。12管脚（TCU）：进位输出端。13管脚（TCD）：借位输出端。14管脚（MR）：异步清零端。异步清除：当MR=1时，无论有无CP，计数器立即清零，Q3Q0均为0，称之为异步清除。预置数：当PL0时，Q3D3，Q2=D2，Q1D1，Q0=D0. 称之为预置数。本电路中需将MR端置0，PL置1，UP置1，DN为上升沿时，则192执行减法计数功能。根据功能表当PL=1，MR=0 ，DN置1时若时钟脉冲加到UP端，则计数器在预置数的基础上完成加计数功能；当加计数到9时，TCU端发出下跳脉冲完成进位。若时钟信号加到DN端，且UP=1，则计数器在预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到0时，TCD端发出借位下跳脉冲。计数器完成并行置数。,在DN端的输入时钟作用下，计时器再次进入下一循环减计数。72LS192的功能表如下：表2.4 74LS192功能表输入输出MRPLUPDND3D2D1D0Q3Q2Q1Q01000001bcda001加计数001减计数减法计数器部分电路图为：图2.4 减法计数器电路图2.5显示电路电路显示部分主要为数码管和译码器。我们所选用的是74LS48，它是一个BCD七段译码启动器。74LS48各个管脚功能为：1、2、6、7管脚（A-D）：分别接8421 码的响应输入端（D为最高位）即74LS192的四个输出，D为最高位。9-15管脚（Qa-Qg）：接共阴七段显示器的对应端以驱动对应端亮。4管脚（BI）：消隐输入端。当BI=0时，显示数码管的LED灯都不亮，正常工作时BI=1。3管脚（LT）：检测输入端。当LT=0时，显示数码管的LED灯全亮，用以检测LED灯的好坏，正常工作时LT=1。74LS48真值表为：表2.5 74LS48BCD七段译码驱动器真值表十进制数或功能输入BI/RBO输出LTRBIDCBAabcdefg0HH0000H11111101H0001H01100002H0010H11011013H0011H11110014H0100H01100115H0101H10110116H0110H00111117H0111H11100008H1000H11111119H1001H1110011利用译码器将二十进制（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。显示电路如下图2.5：图2.5 显示电路2.6报警电路根据任务书要求，后三秒要求具有报警功能。要求响半秒停办秒，共3下。要实现这一目标就要将后三秒的信号取出，其半秒信号的报警课由信号源控制因为信号源是一个占空比为50%的1HZ信号源，其波形中1秒的周期内有50%T即半秒的时间是高电平，那么高电平就可以驱动蜂鸣器报警；到了后三秒，输出代码十位全是0，而个位高位是00,它们后面跟的或非门输出全为1，低位是11、10、01，经或非门后输出为0，要得到1信号后面还要再加一个非门，由十位和个位得到的信号再经一个与门后得到的输出信号再与脉冲信号经一个与门就可以实现在后3秒响半秒停半秒。报警电路如下图：图2.6 报警电路2.7LED灯电路按照要求，开始置数时LED灯不亮，倒计时开始后LED灯亮，当倒计时结束后LED灯又灭了。因此我们延续用报警电路中的4个或非门，由于开始置数后，只要数字不为0，那么4个或非门输出就不全为1，因此4个或非门接入一个与非门，则输出才为1。接着再用一个与门，与与非门和JK触发器的Q相接，这样就能满足设计的要求。具体电路图如下：231U5:A74LS02564U5:B74LS028910U5:C74LS02111213U5:D74LS02456U7:B74LS0891012138U8:B74LS13D1LED-BIRG图2.7 LED灯电路3、系统安装与调试3.1步骤方法根据总体电路图及各个集成芯片的管脚图连接好电路，再将各个单元电路进行调试，单元电路调试好后再对电路各个部分分块进行调试，再对整体进行调试，这样比一直进行总体电路的调试要容易的多。装调步骤如下：1、电源仿真的制作与调试。2、1秒信号源的连接于调试。3、译码显示的连接和调试。4、计数器的连接和调试。5、报警电路的连接和调试。6、LED灯的连接和调试。7、总体电路的调试。如果严格遵守以上条件，按照上面的步骤，就能避免不必要的的麻烦，为实验减少很多麻烦。3.2故障及处理3.2.1电源仿真的制作及调试首先按照设计的单元电路连接好电路，然后接通220V的电源，注意接交流电的时候不能将两根导线短接，用万用表的交流电压档测变压器的输出是否为5V。如果不是则可能是用错了变压器，应及时更换，确认前面无误后，测整个电路的输出是否为直流+5V,此时应用万用表的直流电压档。若不是，用万用表逐步检查电路，有可能是导线没有连接好或者某个期间出现了问题。幸运的是电源我们一次性的做成功了。所以这方面没出现问题。3.2.2 1秒信号源仿真连接及调试按照设计好的信号源电路连接好电路，两个电阻理论值是72.46，实际实验室中没有这种阻值的电阻，但由于是仿真我们可以自己设置阻值，这句解决的电阻的问题。可是当实验以后，却超出大家的想象，出来的信号有问题，因为信号不稳定.我们想到可能是电容的问题，所以又换了个10 uf的电容。最后通过发光二极管检测，灯闪周期大约为一秒，且闪烁稳定。这是我们实验出现问题之一。此时信号源也就仿真出来了。3.2.3译码显示的仿真连接好调试将数码管的公共端接入100的电阻以起到限流的作用，再接地，然后将数码管与74LS48相连，将48的LT接地，检测数码显示管是否全亮完好。在将译码器和数显管连接好，给译码器输入端置数，看数码管的显示对不对，如果都好着则这部分做好了。3.2.4计数器仿真的连接及调试计数器连接时，首先根据原理图将各管脚都按照管脚图连接好检查接线无误后接上电源对计数器部分进行检测。我们用了两片74LS192。调试时是分别对个位和十位进行调试的。我们利用已做好的信号源进行调试，虽然我们没有给UP接入高电平，但由于仿真不接就会默认，所以显示连接完好。3.2.5报警电路仿真连接及调试报警电路主要有各种门电路组成，当倒计时显示进行到03，02，01这三个数字得时候就报警，以蜂鸣器响声来表示，并且停半秒响半秒，要让蜂鸣器响，必须是十位74LS192的输出全为0，即十位74LS192的TCD端为0，个位的高两位全为0，低两位不全为0，才会报警。3.2.6LED灯仿真连接及调试LED灯的主要电路是利用报警电路的四个或非门和一个与非门与一个与门，或非门连法与报警电路相同，主要是后面与门的连接。接好运行后我们发现LED灯有时会忽然熄灭，检查发现时与个位低位的或非门相连时经过了非门，修改后显示完好。3.2.7总体电路的调试整个电路连接并且单元电路调试好后我们将整个电路进行运行，突然发现给电路置入13开始倒计时，到倒计时结束后会再次跳到99再次开始进行倒计时，其它各方面显示良好，经过我们多次检查终于发现原来是我们的JK触发器Q给74LS192PL的输出接错了地方，经修改后再次运行，一切正常。3.3 小结此次课程设计的目的就是要学会学以致用。我想这也是课程设计的产生之源。因为我们平时学的只是书本上的知识，只掌握理论是不合格的，只有通过实践才能检验真理是不是正确，对于我们现在接触的只是书本上的知识，对于真正的元器件都没有真正的应用过。对于一个设计人员来说，图纸的准确与否直接关系到最后实物的安装。而设计的难点就在把每一部分完美的组合起来，刚开始设计的电路总是有一部分元器件不能参与工作。指导老师呢给了题目之后，我们分工，每个人都有负责的部分，最后花了2天时间终于将设计图纸画了出来。 然后我们开始了仿真，我们在接下来的日子里开始使用仿真软件开始仿真，接着我们开始了接线，接线过程中我们尽量不让线路重合和跨线。当我们再接74LS192时，由于之前没有用过芯片，进而我们对其管脚并不很熟悉，我们在图书馆查阅了相关书籍，以及上网查了其管脚图，最后终于连入电路，经过反复调试对电路进行了改进。花了几天时间制作完成。在最后一天我们完成了课设内容并通过了老师的审核。4、总结与体会自上大学以来数字电路基础与模拟电路基础都是我喜欢的课程，就在这学期的学期末，我们进行了为期2周的课程设计。对于我来说这是第一次，信心满满的我本以为凭我们自己上课所学的知识课程设计会很简单，应该能很快完成设计，自认为根本用不了2周，感觉时间有点多。但当我拿到任务书后我傻眼了，里面的要求看起来似乎很简单，担当我们开始设计方案并整理电路图时才发现我们遇到了很多困难。因为这个题目涉及范围比较广对于我们所学的两门课程都有很广泛的涉猎，要求我们对于整本书的知识都需要能够熟练应用，这时候才发现自己的问题所在，都怪自己平时学习知识的片面。拿到题目后，才知道这次课设不仅仅是考察平时上课所学，更是考察学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。这个是上课学不到的，因为这个题目是4个人一组，我们小组商量后，接受老师是建议决定采取逐个击破的方法，每人负责一小项。然后将每个人的思路再进行汇总，接着我们就开始自己所分担的工作。在接下来的日子里，我们总会遇到一些这样那样的问题，每当出现问题，全组的人会集中起来商量解决办法，通过查资料、问老师，各种问题都迎刃而解。身为组长我更是体会到团队作用的重要性，因为一个人的力量总是有限的，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