专科毕业设计-30S定时器电路实现.doc

30秒定时器电路实现摘要随着时代的进步，电子行业技术的不断发展，定时器的应用也越来越发广泛。但传统的定时器都是发条驱动方式、电机转动式或电钟式等机械定时器。电子定时器相对传统定时器来说，体积小、重量轻、造价轻、精度高、寿命长、而且安全可靠、调整方便，适于频繁使用。满足对电器的电源进行控制，同时要方便用户对电子定时器的操作，具有广阔的应用前景，并开始得到广泛应用。本论文详细介绍了定时器的发展前景、基本原理，并从实际出发，进行计数器、译码器和主芯片的选型，设计出一种基于555定时器的30秒定时器，最大时间能达到30S。本论文还介绍了555定时器的结构特征、控制方法，以及定时的过程，秒脉冲发生器、时序控制电路、74HC192为计数器、LED七段数码管为数码显示器和译码显示电路构成的30秒定时器的电路组成、工作原理作了详细介绍。关键词:555定时器;时序控制电路;74HC192;译码显示电路目录第一章 前言1第二章 定时器的系统设计方案1第三章 定时器23.1 555定时器概述23.2 555内部电路结构33.2.1电阻分压器33.2.2电压比较器43.2.3基本RS触发器43.2.4放电管和输出缓冲器43.3 555定时器的基本逻辑功能43.4 555定时器的应用举例53.4.1 构成施密特触发器53.4.2 构成单稳态触发器73.4.3 构成多谐触发器9第四章 模块电路设计104.1秒脉冲电路104.2减计数电路114.3译码和数码显示电路124.3.1译码器124.3.2数字显示译码器124.4时序控制电路144.4.1时序逻辑电路概述144.4.2时序控制电路144.5整机框图电路15第五章 系统调试165.1系统调试要点165.2系统调试结果16第六章 性能测试与分析17第七章 结论18谢辞19参考文献203第一章 前言随着我国科学技术的不断发展和完善，以及教育体系的不断更新，社会用人单位对高校人才培养模式提出了更高的要求。复合型、创新型、实用型人才日益受到用人单位的青睐。科学实验是近代科学发展的一个重要手段。电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。在许多领域中计时器均得到了普遍的应用，诸如在体育比赛、定时报警器、及家用电器的计时功能、交通信号灯等等，由此可见定时器在现代社会中的重要性。第二章 定时器的系统设计方案30秒定时器的原理框图如图2-1：图2-1 30秒定时器原理框图30秒定时器主要由秒脉冲发生器、控制电路、计数器、译码显示器电路四部分组成。技术器完成30秒减计时功能，而控制电路是直接控制计数器的清零、启动计数、暂停/连续计数、译码显示等功能。操作直接清零开关时能够时计数器清零并且使数码显示器显示00，当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP（脉冲信号），同时计数器完成计数功能，译码显示电路显示30秒；当启动开关断开时，计数器开始计数：当暂停/连续开关闭合时，控制电路封锁时钟信号CP，计数器处于封锁状态，计数器停止计数；当暂停/连续断开时，计数器连续累计计数。第三章 定时器定时器电路在数字电路中有着广泛的应用，既可以用于脉冲的产生，也可以用于电路的控制与检测。集成定时器的典型代表是555定时器，它将模拟电路和数字电路集成与一体，可以方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器，并且带负载能力较强。3.1 555定时器概述555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路。国内外生产的555定时器有双极型产品，也有CMOS产品。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，双极性555定时器为5V16V，CMOS555定时器为318V，输出驱动电流约为200mA，因而其可以提供与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平。555定时器还可输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。它在脉冲波形的产生与变换、仪器与仪表、测量与控制、家用电器与电子玩具等领域都有着广泛的应用。555定时器可以分为两类：双极型定时器：例如5G1555；CMOS定时器：例如CH7555。二者结构和功能相同，双极型定时器负载电流较大，而CMOS定时器功耗较低。555定时器的特点：555定时器成本低，性能可靠，计时精确度高。只需要外接几个电阻，电容，就可以实现多谐振荡器，单稳态触发器和施密特触发器等脉冲产生和变换电路。其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。555定时器引脚介绍：555集成电路是8脚封装，双列直插型，其引脚排列如图3-1所示：1脚（GND）:地； 2脚（）:触发输入端，触发2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Vcc/3，此时3脚输出高电平； 3脚（OUT）:输出端，它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；它在高电位接近电源电压Vcc，输出电流最大可达200mA；4脚（）:复位端，加上低电平时可使输出为低电平，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平； 5脚（CO）:控制电压端；可用它改变上下触发电平值；6脚（TH）:门限(阈值）端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2/3Vcc，称高触发端； 7脚（DIS）:称放电端，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；它与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高；8脚（Vcc）：是集成电路工作电压输入端，电压为518V，以Vcc表示。图3-1 555定时器引脚排列图3.2 555内部电路结构555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个二极管，组成了比较器、RS触发器等多组单元电路，特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压，所以称之为555。图3-2所示为双极型5G555定时器的逻辑图，内部包括电阻分压器、两个电压比较器C1和C2、与非门G1和G2组成的基本RS触发器、一个放电管VT和输出缓冲级G3等五部分组成。图中TH为电压比较器C1的阈值输入端，TR为电压比较器C2的触发输入端，CO为控制端，为直接置0端，DIS为放电端，OUT为输出端。各部分的作用如下：图3-2 555定时器逻辑图3.2.1电阻分压器它由三个电阻均为5k的电阻串联而成，分别为电压比较器C1和C2提供基准电压。其中UR1=2/3VCC为C1同相输入端的基准电压；UR2=1/3VCC为C2反相输入端的基准电压。如在控制端CO加固定电压Uco时，则UR1=Uco，UR2=1/2Uco。如CO端不用时，为防止高频干扰，通常在CO端对地接一个0.01uF的电容。3.2.2电压比较器C1和C2两个电压比较器由运算放大器组成，同相端和反相端的电压分别用U+和U-表示。当U+U-时，电压比较器输出高电平1；当U+U-时，电压比较器输出低电平0。3.2.3基本RS触发器基本RS触发器由G1和G2两个与非门组成，它的输入信号分别为C1和C2的输出电压uc1和uc2，输入端分别为、，Q和为两个输出端，正常工作时，Q和必须互补，即互为反相2。其逻辑功能如下：（1）当=0，=1时，触发器置0。因=0，G1输出Q=1，这时G2输入都为高电平1，输出Q=0，触发器被置0。使触发器处于0状态的输入端称为置0端，也称为复位端，低电平有效。（2）当=1、=0时，触发器置1。因=0，G2输出Q=1，这时G1输入都为高电平1，输出=0，触发器被置1。使触发器处于1状态的输入端称为置1端，也称置位端，也是低电平有效。（3）当=1、=1时，触发器保持原状态不变。如触发器处于Q=0、=1的状态时，则Q=0反馈到G1的输入端，G1因输入有低电平0，输出=1；又反馈到G2的输入端，G2输入都为高电平1，输出Q=0。电路保持0状态不变。如触发器原处于Q=1、=0的1状态时，则电路同样能保持1状态不变。为外部信号直接置0端。当=0时，基本RS触发器置0，这时Q=0，=1，输出uo=0.工作时，接高电平。3.2.4放电管和输出缓冲器三极管VT是作为开关管来使用的，其工作状态受基本RS触发器输出端的信号控制。当为低电平0时，VT截止；当为高电平1时，VT导通。G3为输出缓冲器，用以提高555定时器的负载能力和隔离外界负载对定时器工作的影响。3.3 555定时器的基本逻辑功能根据图3-1所示电路分析5G555定时器的逻辑功能。设TH和端的输入电压分别为uI1和uI2，5G555定时器的工作情况如下：当uI12/3Vcc、uI21/3Vcc时，电压比较器C1和C2的输出uc1=0，uc2=1，基本RS触发器被置0，Q=0，=1，输出uo=0，同时VT导通。当uI12/3Vcc、uI21/3Vcc时，电压比较器输出uc1=1，uc2=0，基本RS触发器置1，Q=1、=0，输出uo=1，同时VT截止。当uI12/3Vcc、uI21/3Vcc时，两个电压比较器的输出uc1=1，uc2=1，基本RS触发器保持原状态不变，输出uo和VT的状态不变，即电路保持原状态不变。综上所述， 555定时器的功能表如表3-1所示。表3-1 5G555定时器的功能表输入输出uI1uI2uoVT管状态00导通2/3Vcc1/3Vcc10导通2/3Vcc1/3Vcc11截止2/3Vcc1/3Vcc1不变不变3.4 555定时器的应用举例3.4.1 构成施密特触发器将555定时器的高触发端TH（6脚）和低触发端（2脚）连接起来作为外加触发信号输入端ui，并从OUT端去输出uo，就可以构成施密特触发器，如图3-3所示。设输入端为三角波，则各处波形如图3-4所示。图3-3 用555定时器构成的施密特触发器 图3-4 施密特触发器的工作波形工作原理参照图3-4所示的波形讨论施密特触发器的工作原理。接通电源后，当ui1/3Vcc时，即TH、端电压小于1/3Vcc，此时图3-3电路中的C1输出低电平，C2输出高电平，为低电平，VT管断开，施密特触发器输出端uo为高电平。如果ui上升且ui2/3Vcc时，输出将维持原状态不变，设此时为电路的第一稳态。当ui2/3Vcc时，C1输出高电平，C2输出低电平，使为高电平，VT管导通，触发器置0，输出uo为低电平，电路状态翻转。可见，该施密特触发器的正向阈值电压为2/3Vcc。当ui由高电平（大于2/3Vcc）逐渐下降，只要1/3Vccui2/3Vcc，电路仍处于维持不变的状态，输出uo仍为低电平，此时为电路的第二稳态。当ui下降到ui1/3Vcc时，电路又返回第一稳态。可见，该电路的负向阈值电压为1/3Vcc。输出uo的电压波形如图3-4所示。回差电压电路的回差电压UTH=2/3Vcc-1/3Vcc=1/3Vcc。如果在电路电压控制端CO上加电压Uco，可以改变比较器C1、C2的参考电压，以调节回差电压的大小。3.4.2 构成单稳态触发器电路结构将555定时器的作为触发信号ui的输入端，VT管的集电极通过电阻R接Vcc，组成了一个反相器，其输出通过电容C接地，便组成了图3-5所示的单稳态触发器。R和C为定时元件。工作原理下面参照图3-6所示波形讨论单稳态触发器的工作原理。1、稳定状态没有加触发信号时，ui为高电平。接通电源后，Vcc经电阻R对电容C进行充电，当电容C上的电压uc2/3Vcc时，电压比较器C1输出uc1=0，而在此时，ui为高电平，且ui1/3Vcc，电压比较器C2输出uc2=1，基本RS触发器置0，Q=0，=1，输出uo=0。与此同时，三极管VT导通，电容C经VT迅速放完电，uc0，电压比较器C1输出uc1=1，这时基本RS触发器的两个输入信号都为高电平1，保持0状态不变。所以，在稳定状态时，uc0，uo=0。2、触发进入暂稳态当输入ui由高电平跃到小于1/3Vcc的低电平时，电压比较器C2输出uc2=0，由于此时uc0，因此，uc1=1，基本RS触发被置1，Q=1，=0，输出uo由低电平跃到高电平。同时三极管VT截止，这时，电源Vcc经R对C充电，电路进入暂稳态。在暂稳态期内输入电压ui回到高电平。自动返回稳定状态随着C的充电，电容C上的电压uc逐渐增大。当uc上升到uc2/3Vcc时，比较器C1的输出uc1=0，由于这时ui已为高电平，电压比较器C2输出uc2=1，使基本RS触发器置0，Q=0，=1，输出uo由高电平跃到低电平。同时，三极管VT导通，C经VT迅速放完电，uc0。电路返回稳定状态3。单稳态触发器输出的脉冲宽度tw为暂稳态维持的时间，它实际上为电容C上的电压由uc0V充到2/3Vcc所需的时间，可用下式估算： tw =RC ln 31.1RC (3.1)式中R、C为外接电阻和电容。图3-5 用555定时器组成的单稳态触发器图3-6 单稳态触发器的工作波形3.4.3 构成多谐触发器电路结构将放电管VT的集电极经R1接到Vcc上，便组成了一个反相器。其输出经DIS端对地接R2、C积分电路，积分电容C再接TH和端便组成了图3-7所示的多谐振荡器。R1、R2和C为定时元件。图3-7 用555定时器组成的多谐振荡器工作原理下面参照图3-8所示的波形讨论多谐振荡器的工作原理。接通电源时，uc为0，放电管VT断开，电路输出uo为高电平，处于第一暂稳态。Vcc通过R1、R2对C充电，使uc由0增加，当uc上升到uc 2/3Vcc时，放电管VT导通，触发器置0，输出uo为低电平，因此电路状态翻转，进入第二暂稳态。C开始通过VT放电，uc下降，当uc1/3Vcc时，触发器置1，放电管VT断开，输出uo为高电平，回到第一暂稳态。Vcc再次通过R1、R2对C充电。以后重复以上过程4。由图3-8可得多谐振荡器的振荡周期T为 T=tw1+tw2 (3.2)tw1为电容C上的电压由1/3Vcc充到2/3Vcc所需的时间，充电回路的时间常数为（R1+R2)C。tw1可用下式估算： tw1=（R1+R2)C ln 20.7（R1+R2）C (3.3)tw2为电容C上的电压由2/3Vcc下降到1/3Vcc所需的时间，放电回路的时间常数为R2C。tw2可用下式估算： tw2=R2C ln 20.7R2C (3.4)所以，多谐振荡器的振荡周期T为 T=tw1+tw20.7（R1+2R2）C (3.5)振荡频率为 f=1/T=1/0.7（R1+2R2）C (3.6) 图3-8 多谐振荡器的工作波形 第四章 模块电路设计4.1秒脉冲电路秒脉冲产生电路采用555定时器来实现。555定时器是一种多用途集成电路，应用相对广泛，通常只需外接几个阻容元件就可以很方便的构成施密特触发器和多谐振荡器。利用555定时器构成多谐振荡器的方法是把它的阀值输入端TH和触发输入端相连并对地接电容C，对电源Vcc接电阻R1和R2，然后再将R1和R2接DIS端就可以了5。由555定时器构成的秒脉冲产生电路如图4-1所示。图4-1 秒脉冲电路多谐振荡器的振荡周期为：T=0.7（R1+R2）C=0.7（47+2*47）*1000*10*0.000001=987ms=1s。4.2减计数电路减计数电路如图4-2所示，计数器74HC192是具有异步清零、异步预置功能的双时钟十进制同步加、减计数器，当S3接+5V时，CR为高电平，计数器清零；当S3接地时，CR为低电平、LD为低电平，D0D3端输入的数据d0d3被置入计数器，Q3Q2Q1Q0=d3d2d1d0。当CR为低电平、LD为高电平时，如果CPD为高电平，有CPU端输入计数脉冲，进行加计数；如果CPU为高电平，由CPD端输入计数脉冲，则进行减计数；如果CPD和CPU端都为高电平，计数器保持状态不变。图4-2 30进制减计器用两片74HC192实现30秒定时器的计数。当S3接地（即CR=0），同时启动开关S1合上时，两片74HC192的LD=0，计数器置30秒。当S1断开时，LD=1，计数器工作，端CPD输入秒脉冲时，进行减计数。当计数器减计数到0时，BO1和BO2同时输出低电平0。4.3译码和数码显示电路4.3.1译码器译码是编码的逆过程。由于编码是将含有特定意义的信息编成二进制代码，因此译码则是将表示特定意义信息的二进制代码翻译出来。实现译码功能的电路称为译码器。译码器输入为二进制代码，输出为与输入代码对应的特定信息，它可以是脉冲，也可以是电平，根据需要而定。译码器在任意时刻，其输出端只有一个为1，其余均为0（高电平有效）；或只有一个为0，其余为1（低电平有效）。4.3.2数字显示译码器在数字系统中，经常需要将数字、运算结果显示出来，以便人们观测、查看。因此，数字显示电路是数字系统的重要组成部分。显示译码器主要由译码器和驱动器两部分组成，通常这两者都集成在一块芯片中。显示译码器的输入一般二十进制代码，其输出的信号用以驱动显示器件，显示出十进制数字来。七段数字显示器常见的七段数字显示器有半导体数码显示器（LED）和液晶显示器（LCD）等。这种显示器由七个字段组合而成。七段半导体数码显示器图4-3（a）所示为由七段发光二极管组成的数码显示器的外形，利用字段的不同组合，可分别显示出09十个数字，如图（b）所示。发光二极管数码显示器的内部接法有两种，如图4-4所示。图（a）为共阳接法，图（b）为共阴接法，图中R为外接限流电阻。七段译码器输出低电平有效时，需选用共阳接法的数码显示器，译码器输出高电平有效时，则需选用共阴接法的数码显示器。半导体数码显示器的优点是工作电压较低、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度高、亮度高。它的主要缺点是工作电流大，每个字段的工作电流约为10mA左右。 （a） （b）图4-3 七段半导体数码显示器及显示的数字（a）数码显示器；（b）显示的数字 （a） （b）图4-4 半导体数码显示器的内部接法（a）共阳接法；（b）共阴接法七段显示译码器译码器将各级十进制计数器的计数结进行二十进制译码，并驱动数码管用十进制符号显示出来。如图4-5：图4-5 译码和数码显示电路在图中，4511为BCD七段锁存数码驱动器，其输入端A、B、C、D分别接计数器的输出端Q0、Q1、Q2、Q3；输出端ag分别接数码显示器的七段ag。数码显示器选用七段共阴极半导体显示器，显示器的接地线与地线之间串入一个限流电阻，以防止电流过大而烧坏数码管。4.4时序控制电路4.4.1时序逻辑电路概述时序逻辑电路又称时序电路，一般由存储电路和组合逻辑电路两部分组成。常见的时序电路中的存储电路由触发器构成。时序逻辑电路的特点时序逻辑电路是数字电路的一个重要组成部分。其特点是：电路的输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，而且与电路原有状态有关。时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示的。因此，在时序逻辑电路中，触发器是必不可少的，而组合逻辑电路在有些时序逻辑电路中则可以没有。时序逻辑电路的分类时序电路可分为同步时序电路和异步时序电路两大类。在同步时序电路中，组成存储电路的各触发器都受到同一时钟脉冲控制，所有触发器的状态变化都在同一时刻发生，例如在CP脉冲的上升沿或下降沿发生。异步时序电路的各触发器没有统一的时钟脉冲（或没有时钟脉冲），各触发器状态变化不发生在同一时刻。数字计算系统中的数码寄存器，计数器及数字显示电路等都是时序电路的基本单元电路。4.4.2时序控制电路减计数器电路如图4-6，BO1和BO2是个位和十位计数器的借位输出端，S2是暂停/连续开关，开关S2打向2时，G3输出高电平，控制门G4打开，秒脉冲信号可以通过控制门G4使计数器进行减数计数；开关S2打向1时，G3输出低电平，G4门关闭，秒脉冲信号被封锁，计数器处于锁存状态。计数器进行30秒倒计时后，十位计数器和个位计数器同时借位，BO1和BO2均为低电平，控制门G1输出低电平，二极管发光，同时G5门，关闭，计数器不再进行计数，并显示00。图4-6 时序控制电路4.5整机框图电路整机电路如图4-7所示，当开关S3打到2处，计数器74HC192（1）和74HC192（2）清零；当S3打到1处，计数器处于工作状态。当S1接下时，计数器置30秒。这时如将开关S2打到2处，G3输出高电平，计数器进行减计数。如将S2打到1处，G3输出低电平，减计数器停止计数，显示的数字不变。如再将S2打到2处，则计数器继续进行减计数。当计数器减计数到00时，BO1和BO2同时输出低电平，控制门G1输出低电平，发光二极管发亮，同时G5被封锁，停止减计数。图4-7 整机框图第五章 系统调试5.1系统调试要点用示波器用示波器观察555定时器经分频后得到的一个秒脉冲。时序控制电路调试：将开关S2打向2侧，秒脉冲信号加入到控制门G4输入端，用示波器观察G5输出端是否有秒脉冲输出。30秒减计数器的调试将开关S2和S3打到1侧。按一下启动开关S1时，计数器值30，显示器应显示30秒。BO1和BO2端输出高电平，G1输出高电平，发光二极管不发光。秒脉冲信号加入到计数器的CPD端，看计数器能否正确进行减计数。开关S2打向2侧，减计数器是否清零。整机调试连接号整机电路，进行整个电路调试，直到定时器能够实现30正计时和倒计时。5.2系统调试结果 组装调试30秒计数器电路。可预置时间的定时电路，并进行组装和调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行减计时，当减计时到零时，能输出低电平有效的定时时间到信号。调试时序控制电路完成。30秒计数器的联调，各部分电路之间的时序可以配合工作。然后检查电路各部分的功能，满足设计要求。第六章 性能测试与分析在面包板上焊接完成定时器，焊接时应严格按图连接引脚，注意走线整齐，布局合理，器件的悬空端、清零端、置1端要正确处理。调试步骤和方法如下：用示波器检测秒脉冲电路输出频率为1Hz。接通电路：S3打向1端，S2打向2端，S1合上。此时观察，显示器示数为30；S3打向2时，计数器开始计数。当30秒计数完成后，二极管发光，显示器示数为0-0。说明此电路功能完好。性能分析：对于秒脉冲电路，4060是14级二进制计数器，CP1和CP0分别为时钟的输入和反时钟输出端，Q13引脚输出的是十四级二分频后的脉冲。输出的脉冲输入到双D触发器74HC74的时钟端，D和Q非引脚连接可实现二分频，Q引脚输出1Hz的脉冲。秒脉冲电路输出1Hz脉冲信号到时序控制电路。S2打向2时，G3输出高电平，控制门G4打开，秒脉冲信号可以通过控制门G4使计数器进行减计数；开关S2打向1时，G3输出低电平，G4门关闭，秒脉冲信号被封锁，计数器处于锁存状态。计数器进行30秒倒计时后，十位计数器和个位计数器同时借位，BO1和BO2均为低电平，控制门G1输出低电平，二极管发光，同时G5门关闭，计时器不再进行计数，并显示00。当秒脉冲信号通过时序控制电路进入计数器输入端时，CPu置高电位，此时用两片74HC192实现30秒定时器的计数