限时发言时间提示器 数字逻辑.docx
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限时发言时间提示器数字逻辑
目录
限时发言时间提示器-2-
摘要-2-
关键词-2-
设计要求-2-
一、系统概述-3-
§1.1设计思想-3-
§1.2方案论证及选择-4-
1.2.1电源方案选择-4-
1.2.2时钟脉冲产生电路方案选择-4-
1.2.3倒计时电路方案选择-5-
1.2.4正计时电路方案选择-5-
1.2.5预置时间电路方案选择-5-
1.2.6显示电路方案选择-6-
1.2.7比较控制电路方案选择-6-
1.2.8提示信号发生电路、超时报警电路、复位控制电路方案-6-
二、单元电路设计-7-
§2.1电源电路设计-7-
§2.2时钟脉冲产生电路设计-8-
§2.3倒计时电路设计-9-
§2.4正计时电路设计及其超时报警电路-10-
§2.5预置时间电路设计及部分门电路控制电路-11-
§2.6显示电路设计-15-
§2.7比较控制电路设计-16-
§2.8复位电路设计-17-
三、系统综述、总体电路图-17-
四、结束语-17-
§4.1本设计特点、存在的问题及改进意见-17-
§4.2心得体会-18-
参考文献-18-
附录-19-
限时发言时间提示器
摘要
本设计要实现功能为发言时间设定在3分钟到30分钟可调；设定时间倒计数显示；设定时间小于10分钟，倒数到1分钟时给出提示信号，设定时间大于10分钟，倒数到5分钟给提示信号（黄灯亮），超时给出警告提示信号（红灯），超时大于1分钟时，给出蜂鸣器声音提示；应有设定输入及复位开关，用绿灯、黄灯、红灯表示工作状态。
电路原理模块分为时钟脉冲电路、倒计时电路、正计时电路、预置时间电路、显示电路、门电路比较控制电路、提示信号发生电路、超时报警电路、复位控制电路等部分。
各部分用74LS192双时钟可逆十进制计数器、74LS160十进制加计数器、555定时器、7段共阴极数码管、74LS48译码器、蜂鸣器、按钮开关、单刀双置开关、发光二极管、LM7805、二极管、变压器、电阻、电容以及适当的74LS系列门电路构成。
关键词
限时、时间提示、脉冲、计时、报警、比较、置数
设计要求
1、发言时间设定在3～30分钟可调。
2、设定时间倒计数显示。
3、设定时间小于10分钟，倒数到1分钟时给出提示信号，设定时间大于10分钟，倒数到5分钟给提示信号（黄灯亮），超时给出警告提示信号（红灯亮），超时大于1分钟时，给出蜂鸣器声音提示。
4、应有设定输入及复位开关，可用绿灯，黄灯，红灯表示工作状态。
一、系统概述
§1.1设计思想
设计思想框图为图1-1所示，分为时钟脉冲电路、倒计时电路、正计时电路、预置时间电路、显示电路、门电路比较控制电路、提示信号发生电路、超时报警电路、复位控制电路等部分。
脉冲电路产生1Hz的时钟频率信号作为倒计时的脉冲信号进行倒计时，通过译码电路显示在数码管上。
当倒计时到1分钟或5分钟时发出提示信号。
当倒计时显示为0时，发出警告信号，同时正计数电路在时钟脉冲信号作用下开始计时并通过译码器显示到数码管上，当到60秒时蜂鸣器发出报警信号。
按下置数开关，脉冲给十进制加计数器脉冲，可以给电路进行3分钟到30分钟范围内置数。
§1.2方案论证及选择
1.2.1电源方案选择
方案一：
用5V的蓄电池做电路的工作电源。
电路接线简单，使用方便，可移动性能强，整体电路均为5V的电源不必变压可以直接使用。
但是，总体电路的芯片较多，每个芯片均需要电源提供5V的电压，总体耗电量可能较大，当蓄电池电量不足时可能影响芯片的正常工作，使电路出现混乱。
而且市场上5V蓄电池也不容易买到。
常用方法为一个6V的蓄电池（3片2V的蓄电池）串联一个二极管降到5.3V左右，但是蓄电池的电压很不稳定，在充满电的时候，电压可以达到2.4V×3=7.2V，在一般的时候也是2.25V×3＝6.75V，完全放电以后的电压为1.75V×3＝5.25V。
电压变化范围较大，有的芯片对电压要求比较严格，所以此方案不可行。
方案二：
使用LM7805构成5V稳压电源。
通过变压器将市电220V，50Hz交流电转化为12V，50Hz交流电，在通过全桥二极管进行整流，通过LM7805进行稳压得到5V直流电压。
此方案比较容易实现，LM7800系列产品可以在任何一个电子元件商店一定都能买到，价格便宜（批发价都不超过一元，零售价一般不超过2-3元），成本较低，性能稳定，输出电流最大可达1A，可以满足设计要求。
而且本设计产品应用于比赛现场，220V市电比较容易得到，并且本设计产品不需要频繁的进行位置移动。
故此方案可行性比较高，所以选用此方案。
1.2.2时钟脉冲产生电路方案选择
方案一：
使用晶体振荡分频电路。
采用石英晶体振荡器，起振快，时基精度高。
振荡工作频率仅决定于石英晶体的谐振频率，而与电路中的R、C数值无关。
振荡器经内部分频电路后可分为多档输出，可以使脉冲精度从毫秒到小时。
起振、停振、清零都可以从电路上端口直接控制，方便。
但本系统中所用的脉冲只需1Hz的低频脉冲，不需太高的精确度，而石英晶体振荡频率较高，用在本系统需多次分频，电路会比较复杂。
所以不用此方案。
方案二：
采用555定时器芯片构成多谐振荡电路。
采用555定时器芯片构成多谐振荡电路产生所需脉冲。
555定时器是一种单片集成电路，只需要在其外部配上少量的阻容元件，就可以构成多谐振荡脉冲电路，使用灵活方便，振荡周期一般可根据其外部接的电阻、电容计算，公式为T=0.7×（R1+2R2）×C。
其电路较简单且可以利用T与R1、R2、C的关系方便地改变振荡频率，以满足系统要求。
所以选用此方案。
1.2.3倒计时电路方案选择
由于设计中要求实现倒数计时，故须选择可逆计数器，而74LS192、74LS193均为双时钟脉冲输入可逆加减计数器，且其清零和置数方式均为异步，两者都可选，不同的是74LS192为十进制计数，而74LS193为16进制计数，本系统中用到的十进制计数较多，故选用74LS192电路较为简单方便。
而74LS192无论在加计数还是减计数时，双时钟脉冲均需保持一个为高电平，另一个输入时钟脉冲，基于此要求本系统中采用4片74LS192最为倒计时电路。
并利用复位置位控制端为置数电路，清零电路做准备。
1.2.4正计时电路方案选择
由于设计要求超时1分钟后给出提示声音信号，故采用2片74LS161或74LS160构成60进制加计数器。
由于60进制需要一个6进制一个10进制构成，故采用74LS160来完成加计数功能，可以简化电路，74LS160的控制端可以作为蜂鸣器的控制信号使用。
1.2.5预置时间电路方案选择
方案一：
使用8279芯片电路。
由于设计要求倒数时间输入可调并译码显示，比较经典的方案是使用8279芯片：
40个引脚的8279芯片是由Intel于80年代首先推出的，参考资料较多，应用比较成熟。
最为通用，输入时间使用键盘方便、易操作。
但是元器件多，面积大，电路比较复杂，且需要较好的编程能力才能灵活运用，其综合成本较高，而且本系统只用到其键盘输入单个功能，不能充分利用它的强大功能。
故该方案不被采用
方案二：
使用74LS160十进制加计数器产生输入数据。
由2个74LS160十进制计数器及适当的门电路组成。
充分利用的74LS160的异步清零、同步置数以及使能端等各个功能,达到设计要求，即输入时间必须在3～30范围内可调。
本设计系统中设有10min位输入脉冲开关和1min位输入脉冲开关，每按一次相应开关，控制相应的计数器累加1。
其中10min位计数器计数状态为0～3之间，且当其为3时控制1min位的计数器清零，即输入最大为30。
当10min位不为0时，通过门电路控制74LS160使能端，使74LS160计数状态为0～9之间；当10min位为0时，利用门电路控制1min位74LS160置位端，使输入的数据为3～9之间，从而实现最小输入为3min的设计要求。
利用按钮开关产生一个下降沿给由555构成的单稳态电路输入信号，使输出端输出一个负脉冲信号，为74LS160提供脉冲信号实现置数功能。
电路原理简单、实用，成本较低，易于实现和控制。
1.2.6显示电路方案选择
方案一：
使用LCD显示电路。
LCD显示比较清晰，完整，但是电路复杂，需要比较专业的知识来完成LCD控制，且价格较高，故不采用此方案。
方案二：
用7段共阴极数码管构成。
由于由技术电路芯片74LS192、74LS160出来的信号为4位二进制数，故用74LS48共阴极7段数码管驱动芯片和共阴极数码管就可以构成显示电路。
此方案简单、经济且易于实行，所以选用此方案。
1.2.7比较控制电路方案选择
方案一：
用74LS58比较器芯片构成。
74LS58是4位二进制数比较芯片，利用级联输入端进行级联扩展，实现比较功能。
但是使用74LS58芯片接线比较复杂，而且本系统比较数据比较简单，所以不使用此方案。
方案二：
利用门电路构成。
本系统只需要比较输入是否大于10，倒计时时5分钟或1分钟和倒计时为0。
用适当的门电路就可完成，工作原理比较简单，成本较低。
所以采用此方案。
1.2.8提示信号发生电路、超时报警电路、复位控制电路方案
提示信号分为5分钟或1分钟黄灯提示，倒计时为0时红灯提示。
利用从门电路比较出来的信号进行控制。
超时报警电路利用正计数芯片74LS160的保持端的控制信号，使蜂鸣器工作，复位控制电路用各个芯片的复位端进行控制，当输入信息时秒位的数码管和正计数的数码管显示为0。
二、单元电路设计
§2.1电源电路设计
电源电路原理如图2-1所示，220V、50Hz市电经过变压器变为12V、50Hz交流电，在经过全桥整流二极管进行整流，经过整流后在通过LM78065进行稳压得到5V稳压电源。
图中开关控制整体电路的工作，用一个发光二级管（绿色）串联一个小电阻10Ω作为电源工作的指示灯，当开关闭合时发光二极管亮。
注意：
在以下电路中所有的5V电源部分均用表示。
图2-15V电源原理图
图2-25V电源输出端电压
在图2-1电路中用万用表测得的输出端电压为5.004V，如图2-2所示。
此方案电路可以为本系统中所有的芯片提供准确的电源电压，保证系统的稳定运行。
§2.2时钟脉冲产生电路设计
时钟脉冲产生电路如图2-3（a）所示，利用555定时器和电阻、电容构成多谐振荡器来产生一定频率的脉冲信号。
当RST端即555芯片的四角为高电平‘1’时多谐振荡器开始进行工作。
输出脉冲的频率为
（2.1）
占空比为
（2.2）
所以电阻、电容的参数为:
R1=44KΩ
R2=50KΩ
C1=10μF
（a）电路原理图（b）工作波形
图2-3555构成多谐振荡器
555构成的多谐振荡器工作波形如图2-3（b）所示，产生1Hz的方波脉冲。
利用它作为74LS192、74LS160的计数脉冲，完成计数工作。
§2.3倒计时电路设计
利用555定时器构成多谐振荡器产生的脉冲信号作为74LS192的CPD信号，进行减计数工作，74LS192为双时钟十进制可逆计数器芯片，其功能表如表2-1所示，当CPU为高电平‘1’，RD为低电平‘0’，LD为高电平‘1’时，在CPD的上升沿时进行减计数工作；当RD、LD均为低电平‘0’时，计数器置数；RD为高电平‘1’，LD为低电平‘0’时，计数器清零。
表2-174LS192功能表
CPU
CPD
RD
LD
工作状态
X
X
1
X
清零
X
X
0
0
预置数
↑
1
0
1
加计数
1
↑
0
1
减计数
图2-4倒计时显示电路
电路原理如图2-4所示，555定时器构成多谐振荡器发出频率脉冲，给U3的CPD信号，U3的BO端为借位信号，当U3输出为0时BO发出信号，将此信号接在U4的CPD上最为U4的脉冲信号，实现60进制减计数功能，当计数到00时利用U5四端输入的与非门，来控制U3、U4的异步置数端进行置数，使计数为59到00的循环计数。
74LS192的异步清零端和CPU接高电平‘1’。
但是在整体电路中清零端要接在清零开关上面。
在设计该模块时需要3～30分钟倒计时，即使用4片74LS192和4个数码管构成，图2-4只是60秒倒计时部分，分钟部分的设计与秒部分原理相似，只是分钟部分要有置数电路，电路图将在后文中给出，电路原理也将在后面在详细叙述。
为了方便进行电路仿真工作的进行，现将555计时器发出的1Hz频率脉冲信号进行调整，使频率更高，方便进行验证电路的连接是否存在错误，进行整体电路调试时须将脉冲重新调整为1Hz，调整时只需要改变电阻电容的参数即可。
§2.4正计时电路设计及其超时报警电路
表2-274LS160功能表
CP
RD
LD
EP
ET
D
C
B
A
QD
QC
QB
QA
X
0
X
X
X
X
X
X
X
0
0
0
0
↓
1
0
X
X
D
C
B
A
D
C
B
A
X
1
1
0
X
X
X
X
X
保持
X
1
1
X
0
X
X
X
X
保持
↓
1
1
1
1
X
X
X
X
加计数
和倒计数原理相似，都是利用555构成的多谐振荡器发出频率脉冲信号，提供给74LS160芯片作为脉冲信号，74LS160的功能表如表2-2所示。
当CP为下降沿RD、LD、EP、ET均为1时，计数器进行加计数工作；当RD、LD为1且EP或ET为0时计数器保持不变；当CP为下降沿RD为1、LD为0时，计数器置数；当RD为0时，计数器清零。
正计数原理如图2-5所示，74LS192的最高位芯片的BO借位位和接成非门的与非门U32输入端相连接，输出端和2片74LS160的置位端相连接，当减计数到00：
00时，74LS192的最高位芯片的BO借位位输出一个低电平0，经过非门后变成1使计数器开始计数，当减计数不为0时74LS192的最高位芯片的BO借位位输出为1经过非门为0，使74LS160工作在置数状态。
74LS160的D、C、B、A端都接为低电平0。
74LS160低位的RCO接入高位74LS160芯片的CP当低位芯片计数到9时给高位芯片一个脉冲，实现60进制加计数功能。
芯片中的清零端接在复位开关上。
计数器到60时利用与非门U14连接到74LS160的保持端，使计数器保持为60即01100000，同时使蜂鸣器的一端接在与非门的输出端，另一端接在555构成的多谐振荡器的输出端。
完成超时1分钟后的报警功能，在蜂鸣器与与非门的连接端接入一个与门接在复位开关上。
使蜂鸣器报警时，按下复位开关后停止发声。
§2.5预置时间电路
74LS192高位BO信号
图2-5正计时显示电路
设计及部分门电路控制电路
置数电路技术要求为当按一下按钮开关产生一个负脉冲信号，通过74LS160加计数器来完成3～30范围置数。
将按钮开关接成如图2-6（a）所示电路，按钮开关按下后自动弹起，在此过程中的时间非常短暂，产生一个非常短的负脉冲如图2-6（b）中的第二个波形，不足以引起74LS160加计数器进行加计数工作，所以要使这个负脉冲进行延时，保证有足够的时间使74LS160加计数器进行加计数工作。
如图2-6（a）所示电路利用555定时器和电阻、电容构成了一个单稳态电路，当555定时器的TRI端输入一个下降沿时，555定时器构成的单稳态电路就能够输出一个正脉冲，通过非门后就变成了一个负脉冲，它的波形如图2-6（b）所示，在按键按下的同时，按键上产生一个时间非常短的下降沿后上升，通过555构成的单稳在通过非门后产生一个负脉冲来触发74LS160加计数器进行加计数工作。
（a）置数开关电路原理图
（b）置数开关工作波形
图2-6置数开关电路
555构成的单稳态电路参数为：
R1=1KΩ、C1=1μF
输出脉冲宽度为
（2.3）
置数电路原理如图2-7所示，按下按钮开关后，由555构成的单稳态电路发出负脉冲，使74LS160进行加计数工作，本系统设计要求，输入数据为3～30范围，输入数据的十位数
图2-7置数电路原理图
为0～3之间，个位数为0～9之间，即当十位输入为3时，个位的计数器清零；当十位输入为0时，个位输入为3～9之间；当十位输入为1～2时，个位数输入为0～9之间。
当输入电路的输出端输出为0时，比较电路控制端非门一端输出为1经过与非门U13连接到个位计数芯片的置位端，置数为3（即0011），与非门U13的另一个输入端连接在个位计数器的输出端，输出端用门电路控制。
门电路控制部分分为比较门电路控制部分和置数部分门电路控制部分。
比较部分门电路控制根据系统的设计要求需要比较输入的数据是否大于10，在实际应用中可以比较输入数据的十位数是否为0来判断。
设计时把输出的4个端用或门连接在一起当输入十位为0时或门出来的信号为低电平0，非门端输出为高电平1。
置数部分门电路控制部分，当输入十位为0时，个位从3～9循环计数；当输入十位为1～2时，个位1～9循环计数。
在设计时，利用上面提到的控制部分的非门输出端接入与非门U13，当与非门的两端都为高电平1时输出为0，控制个位计数芯片的置位端进行置数。
与非门的另一个输出端为用门电路控制个位输出为0、1、2时门电路输出为1，是该输出连接在U13中。
表2-3真值表
D
C
B
A
L
D
C
B
A
L
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
X
0
0
1
1
0
1
0
1
1
X
0
1
0
0
0
1
1
0
0
X
0
1
0
1
0
1
1
0
1
X
0
1
1
0
0
1
1
1
0
X
0
1
1
1
0
1
1
1
1
X
该部分的真值表如表2-3所示
所以得到
（2.4）
表2-4卡诺图化简
BA
DC
00
01
11
10
00
1
1
1
01
11
X
X
X
X
10
X
X
利用卡诺图化简如表2-4所示
化简后得到
（2.5）
所以用门电路连接为如图2-7所示的电路，可以得到3～30的输入。
该部分在本系统中接入倒计时的分钟74LS192的置数端，74LS192置数控制端用单刀双置开关来控制。
图2-8显示电路原理图
§2.6显示电路设计
本系统中应用的各个数码管均为7段共阴极数码管，在利用软件仿真设计中为了简化整体原理电路，均用了4端口的数码管代替。
显示部分电路分为数码管和驱动电路两个部分连接如图2-8所示，利用74LS48共阴极数码管驱动译码芯片与7段共阴极数码管相连接。
74LS48的输入端D、C、B、A接在计数器的输出端，74LS48的控制端均接高电平1，即可完成显示功能。
§2.7比较控制电路设计
本部分电路设计是利用门电路的逻辑功能而进行设计的。
系统要求，当输入大于10分钟时倒计时5分钟发出黄灯提示信号，当输入小于10中时倒计时1分钟发出黄灯提示信号，到计时为0时发出红灯警告信号。
红灯警告信号可以接在正计数控制端，当正计数开始工作时发出红灯警告信号。
图2-9门电路控制部分
判断输入时间信号在输入部分已经给出，倒计时控制部分如图2-9所示，利用门电路进行逻辑运算后连接黄色发光二级管给出提示信号。
在倒计时显示部分，当输出到00：
00时，倒计时部分应该停止计数，因为74LS192没有暂停控制端，所以当显示为0时利用门电路接入555构成的多谐振荡器的4管脚控制端，当4管脚为低电平0时，不发出脉冲信号；为高电平1时，发出脉冲信号。
§2.8复位电路设计
复位电路设计比较简单，利用一个双刀单置开关，一端接高电平一端接低电平，另一端接入各个计数芯片的复位控制端，当复位控制端已经存在输入信号时，利用门电路进行选则通过，来完成复位清零工作。
三、系统综述、总体电路图
本设计要实现功能为发言时间设定在3分钟到30分钟可调；设定时间倒计数显示；设定时间小于10分钟，倒数到1分钟时给出提示信号，设定时间大于10分钟，倒数到5分钟给提示信号（黄灯亮），超时给出警告提示信号（红灯），超时大于1分钟时，给出蜂鸣器声音提示；应有设定输入及复位开关，用绿灯、黄灯、红灯表示工作状态。
系统分为多个模块进行单独的设计，各个模块设计完成后，进行各个模块的关联组合，在组合过程中需要多输入的控制端用门电路进行选择。
本系统电路的总体原理电路图见附图1所示。
系统中有四个控制开关，J1为输入控制开关，J2为复位开关，J3、J4为置数开关。
前两个数码管为倒计时分钟显示，后面放有两个发光二极管随时间变化闪动为区分分钟与秒的指示灯，后面的两个数码管为秒倒计时显示，最后两个数码管为秒倒计时显示。
元件清单见附表1。
四、结束语
§4.1本设计特点、存在的问题及改进意见
特点：
本设计系统简单实用，成本较低，制作成成品后，操作简单，容易掌握。
可以完成各种比赛、娱乐的计时工作。
存在问题：
本设计的时钟信号是利用555构成的多谐振荡器，产生1Hz的频率信号作为时钟脉冲，时钟脉冲信号的精度不是很高，可能会出现较大的误差，作为对时间精度要求不是太严格的场所可以应用本设计，若对时间的精度要求严格，可选用晶振分频后作为脉冲信号，但是电路比较复杂。
另外，本系统选用了6个数码管作为显示电路，体积可能会比较大。
改进意见：
本系统在实际制作中，可以用废弃的但是能准确计时石英钟里面的晶振电路作为脉冲信号，系统会比较准确的完成计时功能。
§4.2心得体会
上个学期和本学期我们开设了《模拟电子技术基础》与《数字电子技术基础》两门课程，这两门学科都属于电子技术范畴，是我们专业的专业基础课程，但是两个学期所学的东西都是理论内容，虽然有很多的实验课程，但都是验证性实验，缺乏创新精神。
学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期开设了电子技术课程设计是很及时、很必要的。
这样不仅能加深我们对电子计数的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用，使学过的理论知识真正的被吸收，为今后在实际工作中打下了良好的基础。
在这两周的课程设计中，我也遇到了很多问题。
以前上课时只需要一句话就能够解决的问题在实际设计并且在软件仿真时却很难完成。
例如，在设计数据输入时，需要一个按钮开关，进行控制，当按下开关时开关产生一个负脉冲后自动弹起。
在用软件仿真时负脉冲的时间非常短。
不足以触发计数芯片来完成计数和输入，然后通过查找资料和在软件上进行仿真，终于找到了解决方案。
这次课程设计让我学到了很多，不仅是巩固了先前学的模电、数电的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展，提高了自学能力，通过自己利用图书馆和网络的大量信息资源来解决遇到的问题。
参考文献
1、林涛主编.数字电子技术基础.清华大学出版社.2006年版。
2、林涛主编.模拟电子技术基础.重庆大学出版社.2003年版。
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