60秒正逆计时器设计.docx

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60秒正逆计时器设计

基础工程设计（论文）说明书

题目：

60秒计数器设计

院（系）：

电子工程与自动化学院

专业：

测控技术与仪器

学生姓名：

学号：

指导教师：

2014年3月7日

1．设计任务与设计要求

设计要求：

1）用两位数码管显示计时时间，间隔为1S；

2）具有按键或开关控制计时器清零、启动和暂停/连续功能；

3）具有按键或开关控制计时器正计时与倒计时切换功能；

4）计时器递减到零或最大值时，数码显示器不能灭灯，同时进行光电报警；

选作：

具有声音报警功能

2.设计方案

2.1设计原理

1）环境：

利用多功能虚拟软见ISIS进行电路的制作﹑调试，并生成文件。

2）主要元器件：

74LS192（2个）74LS48（2个）555（1个）74LS138（1个）

3）设计原理：

60秒计时器的总体方案框图如图1所示，它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路四个模块组成。

其中计数器和控制电路是系统的主要模块。

计数器完成60秒计时功能，控制电路完成计数器的清零、启动、暂停、正逆转换、译码显示电路的显示功能。

60秒计时器程序框图

2.2设计思路

因为74LS192是可逆10进制计数器，给输入端CPU输入脉冲信号就进行加法计数。

给输入端CPD输入脉冲信号就进行减法计算。

加减状态的切换，应实现如下功能表。

通过选择器74LS138来实现

2.3集成电路及元件选择

1）“脉冲信号产生电路”采用555。

2）“加/减计数控制电路”采用一片数据分配器74LS138。

3）集成计数器采用74LS192。

4）“显示译码电路”采用74LS48。

5） LED数码管采用共阴极数码管。

3.实现电路功能方案

3.1脉冲发生电路实现方案

3.1.1基本原理

脉冲发生电路采用555定时器组成的多谐振荡器振荡产生周期为1s的矩形脉冲，从而为计数器提供触发信号。

其中，可以通过R1，R2，C来控制充放电的时间。

本实验采用电阻R1（100K电阻）、R2 （50K电位器 方便实际电路中调整波形）、和电容C（10uf）.其仿真图如图3.1所示。

图3-1多谐振荡器电路图

3.1.2有关参数及计算

1、理论数据：

多谐振荡器的振荡周期T计算公式为:

T = 0.693*（ （R1 + 2R2） * C1） 

各参数的值:

R1=100K    R2 =22K    C=10uf 

将各参数的值带入上面的计算公式得:

T=0.999999999s≈1s 

3.2加/减计数器控制电路实现方案

加/减计数控制电路主要由74LS138构成。

74LS138芯片是常用的3-8线译码器，常用在单片机和数字电路的译码电路中，74LS138的引脚排列如图3-2所示，真值表如表3-1所示。

图3-2 74LS138的引脚排列图 

表3-1 74LS138的真值表 

由74LS138构成的加/减计数控制电路如图3-3所示。

当开关接到高电平时，A=1，此时Y1输出脉冲信号，如果Y1连接着74LS192的CPD端，此时计数器就能进行减法计数功能。

当开关接到低电平时，A=0，此时Y0输出脉冲信号，如果Y0连接着74LS192的CPU端，此时计数器就能进行加法计数功能。

3.3可逆计数器实现方案

计数单元电路主要由十进制计数器74LS192构成。

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列图如图3-4所示。

图3-4 74LS192的引脚排列图

图中：

为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，TCU为非同步进位输出端， TCD为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

其功能表如表3-2所示。

表3-2 74LS192的功能表 

用74LS192结合由74LS138组成的加/减控制电路，再加上一个单刀双掷开关就构成了60进制加/减/加减可逆计数器的计数单元电路，如图3-5所示。

图3-5 计数单元电路原理图

SW1拨到接地端时，A=0，给74LS192一个加计数的脉冲，把60的信号通过与非门引出，与脉冲信号相与，得到一个持续的高电平，停止计时。

SW1拨到VCC端时，A=1，给74LS192一个减计数的脉冲，当减到零时，用或非门引出两给借位信号，不停的产生高电平，引到清零端，不停置零，使数码管一直停在00。

3.4译码显示单元电路设计方案

3.4.1译码电路设计

计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为七段数码管的正常工作提供足够的工作电流。

译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。

它的工作是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。

译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数字分配，存储器寻址和组合控制信号等。

译码器可以分为通用译码器和显示译码器两大类。

用于驱动LED七段数码显示常用的有74LS48。

3.4.2译码器74LS48

74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。

其功能是把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。

由74LS48和LED七段共阴极数码管组成一位数码显示电路。

若将个位、时位、百位计数器的输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字显示。

在译码器输出与数码管之间串联的R为限流电阻。

当计数器在CP脉冲的作用下，就应将其状态显示成清晰的数字符号。

74LS48的管脚如图3-6所示。

在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用，作用分别为：

LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。

 BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。

RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。

BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。

图3-6 74LS48 的管脚图

74LS48的功能：

74LS48的功能表如表3-3所示。

表3-3  74LS48 BCD七段译码驱动器功能表 

（1）译码功能：

将LT，RBI和BI/RBO端接高电平，输入十进制数0~9的任意一组8421BCD码（原码），则输出端a~g也会得到一组相应的7位二进制代码（74LS48驱动共阴极，输出3FH、06H、5BH„；74LS47驱动共阳极，输出COH、F9H、A4H„）。

如果将这组代码输入到数码管，就可以显示出相应的十进制数。

（2）试灯功能：

给试灯输入加低电平，而BI/RBO端加高电平时，则输出端a~g均为高电平。

若将其输入数码管，则所有的显示段都发亮。

此功能可以用于检查数码管的好坏。

（3）灭灯功能：

将低电平加于灭灯输入时，不管其他输入为什么电平，所有输出端都为低电平。

将这样的输出信号加至数码管，数码管将不发亮。

（4）动态灭灯功能：

RBI端为灭零输入端，其作用是将数码管显示的数字0熄灭。

当RBI=0，且DCBA=0000时，若LT=1，a~g输出为低电平，数码管无显示。

利用该灭零端，可熄灭多位显示中不需要的零。

不需要灭零时，RBI=1。

3.4.3显示器CAI5101AH

图3-7是共阴极式LED数码管的原理图，使用时公共阴极接地，使每个发光二极管都处于导通状态，而且这7个发光二极管a到g分别由相应的BCD七段译码器来驱动。

图3-7 共阴极LED数码管的原理图 

选用型号为CAI5101AH的数码管，CAI5101AH的管脚功能图如图3-8所示

图3-8 CAI5101AH的管脚图 

3.4.4译码显示电路

译码显示电路由共阴极译码器74LS48和七段数码管LED组成。

74LS48和共阴数码管的连接图如图3-9所示。

图3-9 译码显示电路图

3.6清零功能实现方案

根据74LS192的功能表可以看出，清零的方法有两种，一种是复位法,通过给MR端一个高电平来进行清零，另一种是预置数法，先把D0、D1、D2、D3 接地（相当于0），通过给

端一个低电平，达到置零的目的。

这里选择第一种方法，如图3-12所示:

清零

图3-12 清零电路设计图 

当清零按键按下去，给两块芯片的MR端一个高电平，达到清零的目的。

3.7报警电路设计实现方案

报警电路图如下所示：

图3-13 报警电路设计图 

报警电路分为两个部分，一部分是当减计时到00是。

两块芯片同时产生借位信号，通过一个或非门输出脉冲，接到有源蜂鸣器的征集，蜂鸣器报警。

另一部分是当加计数到60时，用与非门引出持续的低电平，通过非门转为高电平，此时二极管发光，光电报警。

3.8总设计方案

将计数电路、显示译码电路、加/减法可逆控制电路、清零电路和报警电路电路连接起来就构成了符合设计要求电路图，如图3-14所示。

图3-14 加/减可逆计数器原理图 

4.Proteus仿真

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

打开该软件，按照如图X-X所示布置完整个电路图之后，点击proteus右下角图标中黑色三角图标，开始仿真。

60进制加法仿真：

从0计数到60，数码管停在60，二极管发光报警。

60进制减法仿真：

从59计数到0，数码管停在00，蜂鸣器报警。

清零按钮仿真：

按下清零之后，数码管马上显示00，计数器重新从0开始计数。

 暂停按钮仿真：

按下暂停之后，计数器停止计数。

 从仿真结果可以得出，在Proteus软件中仿真结果与之前设计方案所要求的结果完全一样，说明电路图达到设计要求。

5.制板与调试

5.1DXP注意事项

电路绘制的时候主要是注意各个元器件的封装和实际买回来的元器件的管脚大小及距离相对应，并有选择地采用排针作为信号的输入以及输出和直流电源的输入。

元器件采用先手动布局。

布线采用自动布局，然后在这基础上手动调整布局，布线时需要设计好参数。

由于做电路板的条件有限，不可能按照工厂印刷版的参数来设定。

所以为了方便做板，一般线条大小为1mm,过孔为0.5mm，焊盘为2mm。

电路板的长宽为：

78mm×125mm。

实际板子大小为：

100mm×150mm，绘制好的pcb的sch电路图看附录图2。

Pcb板请看附录图1。

5.2PCB板制作流程

设计好原理图sch→→改变封装→→绘制pcb板→→布局布线→→打印pcb图纸→→印制铜板→→腐蚀铜板→→钻孔→→焊接元器件→→测板→→修改电路→→测试（直到符合设计要求）。

5.3注意事项

（1）在测试过程中，若某项指标偏差较大，则根据设计表调整修正相应元器件的值。

（2）制作板子过程中，为了节省材料，节约资源，尽量用最少的东西完成最佳的功能。

所以板子元器件布局紧密。

而提高抗干扰能力，布线时尽量短，少。

焊盘过孔设计合理。

5.4调试过程与分析

对安装好的电路按一下方法进行调整和测试：

（1）仔细检查装好的电路，确认元件与导线连接无误后连通电源。

（2）在电路输入端输入5V电源，接上电路后看数码管是否能正常显示数字，并自动计数。

 若没有正常计数，应该检查电路，找出故障原因。

（3）若数码管的数字能正常跳动，可进一步进行调试，观察其他功能是否满足设计要求，若不满足设计要求应该根据不满足设计要求的相关元件进行检查，使其达到设计要求。

刚开始调试板子是，出现数码管显示数字乱码的情况，后来发现是管脚9和管脚10接反了，再次检查和修改了电路之后，功能基本实现了。

附录一

附录二