数字式定时开关资料

摘要

“日出而作，日没而息”是人类在低水平生产力的农耕时代的生活规律，这

是通过太阳来大概的测量时间。在古时候也有使用日暑、燃香、沙漏等来衡量时

间。而在现代有各种时间衡量工具，如手机、手表、秒表。为提高生活质量以及

效率，家庭中的许多电路需要定时装置来实现自动控制。

木次课题目的：设计数字式定时开关，通过BCD拨码开关来实现定时时间

的长短，并倒计时显示时间，通过减计数器实现时间的计时，时间到了之后，发

出报警音，并切断电路，以实现定时功能。

本设计采用CD4060芯片，即14级2分频器和振荡器，外搭载晶振振荡回

路产生秒脉冲，作为时钟脉冲，以供计数器作为时钟信号。由于采用的32768Hz

的晶体振荡器，需要15级分频，在CD4060之后加一D触发器再次实现二分频

得到秒脉冲信号。之后经由74LS190十进制BCD码减计数器实现倒计时计数。

而后通过CD4511芯片将4位的BCD码译码成七段共阴数码管需要的码段，通

过计数器的借位端来实现报警、控制等功能。

结论以及实现的功能：本次设计完整的实现了9秒倒计时计数，并且能哆保

持()状态蜂鸣器报警，且通过继电器切断LED回路。与此同时拓展了一-块

74LS190芯片来实现级联，实现了99秒倒计时计数。可通过8位BCD拨码潴预

置所需要的倒计时时间。

关键字：定时、秒脉冲、减计数器、BCD码、继电器

目录

前沿....................................................1

第一章设计要求..............................................2

1.1基本要求...........................................2

1.2提高要求.........................................2

第二章系统的组成及工作原理...............................3

2.1系统组成..........................................3

2.2系统工作原理.....................................3

第三章电路方案设计.........................................4

3.1秒脉冲的实现.......................................4

3.1.1方案一（NE555多谐振荡器）.........................4

3.1.2方案二（CD4060振荡分频器）.........................4

3.1.3秒脉冲方案的选取.................................6

3.2减计数的级联.........................................7

3.2.1方案一.............................................7

3.2.2方案二.............................................7

3.2.3减计数方案的选取...................................8

第四章单元电路的设计与仿真..................................9

4.1秒脉冲电路的设计与仿真.................................9

4.1.1NE555秒脉冲电路的设计与仿真......................9

4.1.2CD4060秒脉冲电路的设计与仿真.....................10

4.2BCD十进制减计数器设计与仿真..........................14

4.3译码显示电路设计与仿真................................16

4.3.1CD4511译码驱动电路的设计与仿真...................16

4.3.2八段共阴数码管....................................17

4.4控制电路及报警与开关电路的设计与仿真..................19

4.4.1控制电路（保持0功能）的设计与仿真...............19

4.4.2控制电路（置数功能）的设计与仿真.................20

4.4.3报警与开关电路的设计与仿真.......................20

第五章实验、调试及测试结果分析..............................21

5.1实验..................................................21

5.2调试...................................................22

5.3测试结果及分析........................................22

第六章结论....................................................23

参考文献.......................................................24

附录............................................................25

附录一Multisim仿真原理图................................25

附录二PCB原理图...........................................25

附录三芯片资料.............................................26

附录四设计作品展示.........................................28

附录五元件清单............................................29

前言

随着社会的发展，家用电器不断地步入家家户户，在定时方面的电路就更加

迫切需要，通过定时来告诉用户电器的工作状态，以及控制电器工作，保护电路,

节省资源。

现在的家用电器，如空调，全自动洗衣机，风扇等都有开关定时功能，使得

电器更加智能化，性能更加稳定。

本次课程设计目的在于通过数字电路实现短时间的定时功能。通过继电器可

以应用到各种电器中的计时电路中，同时可以拓展到长时间的计时工作电路。在

现实生活中具有很多大的实用价值。

第一章设计要求

1.1基本要求

设计并制作一数字式定时开关，此开关采用BCD拨盘预置开关时间，其最大

定时时间为9秒，计数时采用倒计时的方式并通过一位LED数码管显示。此开关

预置时间以后通过另一按钮控制并进行倒计时，当时间显示为0时，开关发出开

关信号，输出端呈现高电平，开关处于开态，再按按钮时，倒计时乂开始。计时

时间到驱动扬声器报警。

1.2提高要求

D输出部分加远距离（100用）继电器进行控制

2）延长定时时间

3）探讨提高定时精度的方法

第二章系统的组成及工作原理

2.1系统组成

图1.1系统组成图

2.2系统工作原理

本设计通过秒脉冲作为减计数器的cp脉冲，每来一个cp,减1计数，同

时通过译码器，将数值数码管显示。当计数值减到0时，电路报警，并断开需要

控制的电路。通过外部的开关可实现置数，重新计时。下面详细叙述电路工作流

程。

秒脉冲的实现有很多方法，本设计将NE555和CD4060加入考虑范畴。

NE555通过外部电阻电容实现振荡；CD4060即可以使用容性振荡回路，又可以使

用晶体振荡器来提高时间的精度。产生的秒脉冲接入74LS190十进制加减计数器

的cp端作为时钟脉冲。而后经由CD4511七段共阴数码管译码芯片来将74LS190

的输出BCD码译成数码管可用的码段，并显示。当计数值达到0时，74LS19D借

位端输出一个低电平，经由反相器实现变为高电平来实现控制的作用。此时经过

一个NPN三极管，此三极管在此作为开关使用，当高电平时，三极管导通，蜂鸣

器报警，同时继电器工作，切断工作电路。同时该高电平返回秒脉冲产生芯片，

切断秒脉冲的产生，以此达到保持在0状态的效果。外部控制开关可以使用单刀

双掷的拨动开关，也可以使用按键开关，这是需要串接电阻，来实现高低电平的

转换，该开关接入74LS190的置数端，以此来实现重新计时的功能，此时借位

端变为高电平，重新开始减计数直到减为0为止。通过74LS190的4个并行数

据输入端可以实现计时时间的可变，只要在数据段前接上一组拨码开关即可。

想要延长计时时间，只要将74LS190级联即可，其中一种级联方法为第一

级74LS190的借位端接到下一级的cp端，第二种方法，第一级和第二级共用同

一时钟脉冲，但是第一级的借位端接到下一级的保持端。

第三章电路方案设计

3.1秒脉冲的实现

3.1・1方案一（NE555多谐振荡器）

vcc

Cl

83潮。输出

R>

O.OluFC2

RI

TRIG

30K

10uF

6

CVolt

NE555R2

56K

图3.1NE555多谐振荡器

图3.1为使用NE555多谐振荡功能电路产生秒脉冲的电路，由3脚接出即可

得到接近1S的脉冲信号。通过RI,R2,C2,可以求的振荡周期，即脉冲信号

周期，由此可通过周期选取电阻电容。其中C1为滤波电容，滤除杂波，一般选

取O.OluF。

3.L2方案二（CD4046振荡分频器）

图3.2为使用CD4060芯片构成的振荡电路，CD4060为SOC振荡器，同时

也为14级分频器。因此采用32768Hz的晶振振荡，14级分频得到的脉冲信号频

率为

32768

M=2HZ

214

因此要得到IS的时钟周期信号，仍需要一次2分频，这时可采用74LS74

双D触发器，见图3.3,其中RS端为功能清除、预置端。

图3.2CD4060振荡分频电路

3.1.3秒脉冲方案选取

由于石英晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定性高等优点,

选取方案二，CD4060振荡分频电路。NE555产生的秒脉冲信号误差相对较大，

尤其是电阻无法得到合适的阻值，电容没有合理搭配。必然导致周期一定的偏差,

且该误差将大于石英晶体振荡器的误差。遂选取方案二。

3.2减计数的级联

图3.4为74LS190的级联电路，两芯片共用同一cp脉冲信号，第一级输出

不为。事，U1的RC为高电平，此时U2保持，第二级数值不变；当第一级减数

到()时，U1的13脚RC端产生一个低电平信号，U2减数工作，再来一个cp,

即一秒U1回到9,U2回到保持状态。

3.2.2方案二

图3.5为74LS190的另一种级联电路，第一级的cp端由秒脉冲信号提供，

第一级的借位端给第二级的cp端，即U3的RC与U4的cp相连。当U3减到0

时产生一个借位输出，相当于一个cp,此时U4减计数。

3.2.3减计数级联方案选取

由于两种方案并没有太大差别，本设计选取方案二。

第四章单元电路设计与仿真

4.1秒脉冲电路设计与仿真

4.1.1NE555秒脉冲电路设计与仿真

555VIRTUAL

X：1DpF：：XXIOhFTim»r•••

C..........Cf

图4.1NE555多谐振荡器

图3.1为使用NE555芯片构成秒脉冲信号产生的电路。此时Rl=30KQ,

R2=56KQ,C=l()uF1,其中5脚接的O.OluF电容为滤波作用。RI为负载，在

实际电路中不做考虑。

有NE555多谐振荡周期计算公式

T=0J(R[+2R2)C公式1

选取C为10uF电容，则R1+2R2旬42.86K。

因此取RI=30K

R2=56K

此时求的T=0.994S

误差1]=0.994/1=99.4%

图4.1为该电路的示波器仿真波形，测量的到的周期T=988.701mS,这与计

算结果仍然还有一定差距。为提高定时精度，决定使用CD4060来实现秒脉冲。

nan时间通道.A通道一B

6.243s0.000V反向

T2SI4

5.254s0.000V

|_保存_j卬digger

T2^T1-988.701ms0.000V

时间轴通道A通道B触发

比例500ms/Div比例bv/Div仔比例5V/Div边沿国主内可逅

X位置0Y位置0Y位表0电平丁v

瓯I加载丽I丽四©国|AC|T[6c]n类型|蔬

图4.2NE555秒脉冲仿真输出波形图

4.1.2CD4060秒脉冲电路设计与仿真

U1

038-

05-

篦

8

索

4060BD_5V

1—_4R1..

：：；10.DMQ

R梵-32.768k1z

图4.3CD4060秒脉冲电路

图4.3为CD4060芯片实现秒脉冲的电路，该电路一般只要接上就能够产

生秒脉冲信号，由于Multisim仿真振荡需要耗费大量的计算机内存，特别是晶

体振荡模拟电路和CD4060数字电路一起仿真，大量的运算。计算机无法测得示

波器数据。所以此处不再进行示波器的仿真结果。

下面详细介绍CD4060芯片的功能，CD4060由一振荡器和14级二进制串行

计数器位组成，振荡器的结构可以是RC或晶振电路，CR为高电平时，计数器

清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主从触发器。在CP1（和CPO）的下

降沿计数器以二进制进行计数。在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和

下降时间无限制。

如图4.4,上图为RC振荡电路的典型图，下图为石英晶体振荡电路的典型

图。

剩余CD4060管脚，如7、5、4、6、14、13、15、1、2、3依次为各分频引

脚。内部构造如图4.5。

仰

而

6

图

结构

内部

060

CD4

图4.5

脉

1Hz

得至U

冲。为

z的脉

到2H

可得

，最多

分频

4级

只有1

0最多

D406

由于C

分

实现二

发器来

D触

上升沿

74双

74LS

采用

设计

频，本

二分

一次

要再

号。需

冲信

。

置端

，预

清除

4具有

4LS7

频，7

.1：

如表4

值表

74真

74LS

w+,

=D

Q

公式2

得

有表可

由公式2Qn+l=D=Qn公式3

画出波形图如图4.6

图4.674LS74二分频电路仿真波形

图4.774LS74二分频电路

1

o

o2-

o4-

5&-

。

o4

7-o

oB-c

09-

1-

012-

013-

01

*1CLR

JUL

74LS74D

・4・06・0・B・D•5•V•

«•••••

1_JR1：：VCC

；X1；10.0MQ-5V

•VCC%

S!,••

R38-32.768k以

共IS次三分频

G1'C2

：牛10pF；=：TOpF

图4.8秒脉冲电路

4.2BCD十进制减计数器设计与仿真

74LS190是单时钟同步可逆计数器，它可以进行加计数，又可以进行减

计数。使用74LS190实现两级十进制减计数器，如图4.9。

♦

U3

•

U1•

W•

A8•

•

B逑

C•

DQge

8

罂

3

UXX/MI^

..........................74LS190D...............

图4.9级联十进制减并数电路

输入输出

LDSMCP。。2%A2oQ^。2。3

0XXXd。a〃2d.d。4〃2

100tXXXX加计数

101tXXXX减计数

11XXXXXX保持

输入输出

SQcc/QCBCPQCR

01

1XX1

X0X1

图4.1()74LS190功能表

图4.1174LSI90时序图

4.3译码显示电路设计与仿真

4.3.1CD4511译码驱动电路设计与仿真

本设计的译码显示采用CD4511来实现。仿真图如图4.12,此处电路暂时使

用直接电源和地送数，输出由于是高电平有效，使用共阴数码管，在接入数吗管

前串接2(X)。电阻限流，以防烧数码管。

图4.12CD45U译码显示电路

CD4511具有锁存、译码、消隐功能。

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=()时，不管其它输入端状态如何，七段

数码管均处于熄灭(消隐)状态，不显示数字。

仃：3脚是测试输入端，当山二1,仃二0时，译码输出全为1,不管输入DCBA

状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：锁定控制端，当LE=O时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保

持状态，译码器输出被保持在LE=O时的数值。

Al、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端，

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511芯片真值表如图4.13o

输入输出

LEBILI1)CBAabcdefg显示

XX0XXXX11111118

X01XXXX0000000消隐

011000011111100

011000101100001

011001011011012

011001111110013

011010001100114

011010110110115

01101100011111e

011011111100007

011100011111118

011100111100119

01110100000000消隐

01110110000000消隐

01111000000000消隐

01111010000000消隐

01111100000000消隐

0111111000000消除

111XXXX锁存锁存

图4.13CD4511真值表

4.3.2八段共阴数码管

八段共阴数码管是一系列发光二极管的并联，其中共阴极，当驱动电路为高

电平，LED灯亮。

图4.14八段共阴数码管

edcDPb、afg

124567910

QQQQQQQQ

38

共耐极共阴极

图4.15八段共阴数码管内部构造图

4.4控制电路及报警与开关电路设计与仿真

4.4.1控制电路(保持功能)的设计与仿真

本设计需要实现倒计时计数到0时保持该状态，且触发报警及开关电路。本

设计采用CD4001四2输入或非门。当倒计时到()状态，此时两级74LS190借位

端都输出低电平，只有2端都为低电平，或非之后才得到高电平，此时送回到

CD4060的禁I卜端.禁止产生脉冲■保持在。状态°示意图见图4.16c

O1

O31-E

O&J

O&

O苣

O7-

B-止

Old

1

O12之

O174LB290D

O13-

<TEH・・・・

«LOAD・・・・

*U/D-*RCO*

r>CLR................

74LS190D

U3A...........

：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：：4001BD：5V

图4.16控制电路示意图

4.4.2控制电路（置数功能）的设计与仿真

本