数字式定时开关资料.docx

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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晷、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。

本次课题目的：

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，并且能够保持0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拨码器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

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，倒计时又开始。

计时时间到驱动扬声器报警。

1.2提高要求

l）输出部分加远距离（100m）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，74LS190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）

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R1，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0.01uF。

3.1.2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

因此要得到1S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

图3.374LS74双D触发器二分频电路

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

3.2.1方案一

图3.474LS190级联电路1

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0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0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。

图3.574Ls190级联电路2

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

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R1=30K

，R2=56K

，C=10uF。

其中5脚接的0.01uF电容为滤波作用。

Rl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

公式1

选取C为10uF电容，则R1+2R2≈142.86K。

因此取R1=30K

R2=56K

此时求的T=0.994S

误差η=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。

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

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CP0）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。

图4.4CD4060振荡内部示意图

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。

图4.5CD4060内部结构图

由于CD4060最多只有14级分频，最多可得到2Hz的脉冲。

为得到1Hz脉冲信号。

需要再一次二分频，本设计采用74LS74双上升沿D触发器来实现二分频，74LS74具有清除，预置端。

74LS74真值表如表4.1：

表4.174LS74功能表

有表可得

公式2

由公式2

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

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。

图4.9级联十进制减计数电路

图4.1074LS190功能表

图4.1174LS190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，在接入数码管前串接200Ω电阻限流，以防烧数码管。

图4.12CD4511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=0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。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=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=0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=0时的数值。

A1、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4.13。

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

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0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的禁止端，禁止产生脉冲。

保持在0状态。

示意图见图4.16。

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

本设计的设计要求需要能够倒计时到0后，可以通过一个开关触发使得能够重新计数。

开关J1A断开是，LOAD置数端为高电平，此时置数无效，计数器计数工作，开关闭合11脚置数端变为低电平，此时2芯片置数。

电路图见图4.17。

图4.17置数电路

4.4.3报警与开关电路的设计与仿真

当计数到0状态时，CD4001得到一个高电平，此时利用该高电平，可以通过三极管来实现报警电路。

当高电平是三极管处于导通状态，此时串接电源、蜂鸣器、继电器、ec极的回路导通。

蜂鸣器报警，同时继电器工作，断开工作电路。

如图4.18。

图4.18报警与开关电路

继电器内部线圈的电阻一般为1KΩ左右，电磁式继电器示意如图4.19。

图4.19电磁式继电器内部结构图

当1、2脚流过电流，一般10~50mA时，DC5V驱动继电器工作，衔铁接触5脚3、5脚导通，3、4脚断开。

第五章实验、调试及测试结果分析

5.1实验

（1）领到元器件后，用万用表测量电阻阻值，区分好电阻。

同时将元器件归好类。

根据设计的模块，分模块，规划好元器件，根据画好的PCB图来布局元器件，分模块先后焊接电路。

（2）焊接秒脉冲部分，以CD4060芯片为核心，焊接周围其他电路，如晶体振荡回路和D触发电路。

（3）置数功能电路部分焊接

（4）74LS190的级联电路，以及拨码开关输入部分电路的焊接

（5）CD4511译码驱动电路的焊接

（6）共阴数码管的连接电路的焊接

（7）控制电路，即CD4001电路控制CD4060芯片的工作状态电路的焊接

（8）报警以及开关电路的焊接

（9）注：

毎焊接一个模块不着急马上焊接下一个模块，而是一个模块后进行相关测试，实测是否电路有问题，这样模块化对较大的电路来说能够很方便的找出问题并排除故障，实现电路功能。

5.2调试

（1）秒脉冲电路的调试：

秒脉冲电路焊接好后，接出正极和地，上电使用示波器测CD4060或74LS74输出的脉冲信号波形，示波器的横轴周期档调到0.5S档，纵轴电压档5V，观测输出信号周期。

（2）74LS190的级联电路的调试：

74LS190级联电路的调试，直接接上驱动电路即CD4511驱动数码管显示，上电后将从99计数到0，不断的循环计数，这是因为还没有加入控制电路，只要仍有cp脉冲，计数器不断减计数，此时大约是1S减1计数。

（3）在使用数码管时，不清楚数码管管脚与数码管LED的对应关系时，可以使用万用表的蜂鸣档来测量，本次使用的是数字万用表，使黑表笔头接3或8脚GND，然后红表笔依次触及各引脚，观察数码管LED的点亮情况。

（4）控制电路的调试：

可直接上电，观察数码管是否能够在0状态保持。

（5）报警及开关电路的调试：

此部分电路起报警作用，上电后，数码管不在0状态时，三极管集电极的电压为3.7V，高电平；而保持0状态时三极管导通，集电极接近0V，低电平，此时蜂鸣器报警，继电器驱动工作，断开原LED工作电路。

（6）加入保持端，使得中途可以暂停时间。

即74LS190的保持端CE。

5.3测试结果及分析

秒脉冲电路焊接部分没有问题，只要线路没有问题，就能够得到比较标准的周期为1S的方波脉冲信号。

在焊接74LS190级联部分电路时，拨码开关不小心焊接短路，在第2模块调试时发现，检查焊接电路并排除了短路。

由于74LS190级联线路较乱，经常使用到飞线，易发生差错，应更加小心。

CD4511译码驱动电路没有什么大问题，在CD4511连接数码管时需要特别留意数码管的管脚，连接不当，将产生乱码。

第一次设计的报警和开关电路，在0状态时，能够报警但是由于没有对继电器充分认识，没有做好继电器驱动电路的设计。

网上寻找资料之后，找到驱动电路，将继电器控制端并联到蜂鸣器两端，此时能够起到报警又切断开关的作用。

但是在验收过程中，老师提出该报警声不够响亮，很可能是继电器与蜂鸣器抢去了电流。

所以可将继电器与蜂鸣器串联，此处不再赘述。

第六章结论

（1）本次设计使用到的秒脉冲在实际生活中有很大的使用价值，在很多定时电路中都能使用到。

对时间精度的提高就很有必要，其中大部分时候，是使用NE555来实现脉冲的产生，但是由于电阻以及电容等阻值误差的限制，特别是计算公式的近式，产生脉冲周期误差较大，但是较石英晶体振荡器来说，NE555的多谐振荡电路能有灵活使用，方便调节脉冲占空比；而利用CD4060来产生的脉冲无疑较RC振荡精确，稳定。

在本次实验中，CD4060OSC+14级2分频有较高的时间精度。

（2）电路的模块化，不仅有利于个人分析电路，更有利于焊接电路，通过一步一步地模块设计，模块焊接，模块测试，能够较一整块电路直接焊接成功率提高很大。

模块化的电路设计，降低了对个人的知识以及实践技能要求。

本次设计的数字式电路开关也为某些电器电路的一小部分模块，通过模块之间的衔接实现更强大的功能，使得电路更加人性化，稳定化。

（3）通过本次设计了解到从题目要求到设计，到仿真，再到PCB制图，最后焊接电路，实测数据，校验成果的整个产品的制作过程。

当然在工厂等公司，制作过程会有出入，但核心思路是不会改变的，在未来的学习过程中，对仿真和PCB需要更加关注，灵活的使用这些软件，能够节省更多的时间，提高学习效率。

（4）本次团队合作很愉快，一个人的思想即使再好，也总会有瑕疵的地方，与他人交换思想，交流共同，最后达成共识。

这个过程需要彼此不断的理解和宽容。

一个人的思维总是容易受到自身思维的限制，2个人则能够相互指点，在这里面，需要我们相互谅解，不要掺杂个人感情，错肯定会有，只要改正就好。

（5）在遇到问题的时候，要清晰的了解到时哪里出了问题，找出病灶。

不然等于盲人摸象，不能找出症结，反而将对的说成错的。

灵活的利用手边的工具，进行观测。

就像医生看病，需要听诊器等各种工具来了解病人的情况。

（6）仿真固然重要，他是电路成功的前提，但是由于在仿真中，元器件都是机器语言编制，里面都是曾经的实测数据，现在的个人计算机已经有较高的配置，但是针对大量的数学计算，有时候也会出错，这时候需要理智来看待仿真软件，并非盗版什么的，抱怨一了了之。

在实际的电路中，都是物质的集成，是实际的材料，是物质，根据其电属性来产生某些功能与效果。

这是实际和仿真的本质差别。

如本次石英晶体振荡电路与数字电路的使用在仿真中是会遇到些麻烦的。

如何学好一种软件，从何入手，这是未来需要深层次考虑的问题，特别是外国软件的英语界面操作。

（7）PCB的画图这是需要再次强调的软件，PCB是在仿真与实际的的一座桥，通过它来联系实际制板。

它可以修改封装，自制封装，元器件布局布线。

节省大量的脑力内存，只需要在软件中布好局，连好线，绘出PCB板，直接将元器件焊上，就可很快收到成效。

（8）本次课程设计圆满完成要求，并实现2个提高要求。

能够稳定的工作计时报警。

第七章参考文献

【1】罗杰，谢自美.电子线路设计、实验、测试.北京：

电子工业出版社，2009年

【2】阎石.数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社，2011年11月

【3】张伟.Protel99SE入门与提高.北京：

人民邮电出版社，2011年11月

【4】赵柯，彭嵩.脉冲与数字电路实验指导书.南昌：

南昌航空大学信息工程学院实验实践中心出版社，2012年2月

附录

附录一Multisim仿真图

附录二PCB原理图

附录三芯片资料

图附录.1CD4060引脚芯片图

图附录.274LS74内部构造及引脚图

图附录.374LS190十进制减计数器引脚图

图附录.4CD4511译码驱动器引脚图

图附录.5CD4001四2输入或非门

附录四设计作品展示

附录五元件清单