计数报警器资料.docx

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计数报警器资料

课程设计说明书

课程名称：

数字电子技术、模拟电子技术

设计题目：

计数报警器

院系：

电子信息与电气工程学院

学生姓名：

学号：

专业班级：

电气工程及其自动化2010级

指导教师：

张玮玮

2012年5月25日

课程设计任务书

设计题目

计数报警器

学生姓名

王旷泽

所在院系

电子信息与电气工程学院

专业、年级、班

电气工程及其自动化2010级

设计要求：

1、设计一个计数报警器；

2、计数最大值为99；

3、计数达到最大值时发出声光报警信号，报警时间长度为10秒，报警信号用红色LED

表示；

4、计数脉冲用按钮产生。

学生应完成的工作：

设计一个计数报警器的电路，并利用Multisim软件进行电路仿真。

利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。

根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。

参考文献阅读：

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[2]臧春华.电子线路设计与应用[M].北京:

高等教育出版社，2005.

[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[5]张阳天，韩异凡ProtelDXP电路设计[M].北京：

高等教育出版社，2005.

工作计划：

5月14号—16号完成原理图的设计；5月17号—18号进行PCB设计；5月21号—23号制作PCB板；5月24号—25号电路板安装与调试，提交课程设计报告。

任务下达日期：

2010年5月14日

任务完成日期：

2010年5月25日

指导教师（签名）：

学生（签名）：

计数报警器

摘要：

利用数字电子技术所学知识设计制作一个计数报警器控制电路。

该电路的功能为当计数达到最大99时，电路开始报警，报警时间为10秒，同时伴随着二极管发光。

电路由计数部分、报警部分、显示部分组成。

计数电路用两片74LS192级联实现；报警电路用555定时器、Speaker和红色LED实现；显示电路用74LS47和七段共阳极数码管实现。

用74LS192实现一百进制计数功能，用555定时器来控制计数溢出的报警功能，并实现时间长度为10秒的声光报警。

在计数时用两片74LS192级联来实现并由74LS47译码后通过共阳数码管显示，计数脉冲用手动按钮实现，其中用555定时器来控制脉冲时间，实现10秒报警。

关键词：

计数报警器；555定时器；共阳极；数码管；驱动

1.设计背景……………………………………………………………………1

1.1了解数字电路系统和数字电路的定义和组成……………………1

1.2掌握时钟电路的作用及基本构成……………………………………1

2.设计方案……………………………………………………………………1

2.1任务分析…………………………………………………………………1

2.2方案论证…………………………………………………………………2

3.方案实施……………………………………………………………………3

3.1原理图设计………………………………………………………………3

3.2电路仿真…………………………………………………………………8

3.3PCB制作………………………………………………………………9

3.4安装与调试……………………………………………………………9

4.结果与结论………………………………………………………………10

5.收获与致谢………………………………………………………………10

6.参考文献……………………………………………………………………11

7.附件……………………………………………………………12

7.1电路原理图……………………………………………………………12

7.2PCB布线图…………………………………………………………13

7.3元器件清单……………………………………………………………14

1.设计背景

1.1了解数字电路系统的定义及组成

随着信息社会的到来，人们希望现代信息传输网络能快速、经济、有效地提供各种电路和业务，而上述网络技术由于其业务的单调性，扩展的复杂性，带宽的局限性。

仅在原有框架内修改和完善已无济于事。

数字电路就是在这种背景下发展起来的。

在各种宽带光纤接入网技术中，采用了数字电路技术的接入网系统是应用最普遍的。

数字电路的诞生解决了由于入户媒质的宽带限制而跟不上骨干网和用户业务需求的发展，而产生了用户与核心网之间的接入“瓶颈”问题，同时提高了传输网上大量带宽的利用率。

数字电路计数自90年代问世以来，至今已经是一种成熟、标准的技术。

根据逻辑功能的不同特点，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类，在组合逻辑电路中，任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关，这是组合逻辑电路在逻辑功能上的共同特点；在时序逻辑电路中，任意时刻的输出信号不仅取决于当前的输入信号，而且还取决于电路原来的状态。

数字电路是用数字信号完成对数字量的算数元算和逻辑运算的电路。

按有无集成元件来分，可分为分立元件数字电路和集成数字电路；按集成电路的集成度来分，可分为小规模集成数字电路（SSI）、中规模集成数字电路（MSI）、大规模集成数字电路（LSI）、和超大规模集成数字电路（VLSI）。

1.2掌握时钟电路的作用及基本构成

时钟电路用555定时器构成，555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

时钟电路可以产生脉冲从而起到控制电路的作用，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。

设计时钟电路，要根据设计的要求确定主时钟的频率，然后结合其他控制电路，设计出与电路相适应的脉冲。

施密特触发器和单稳态触发器用于对脉冲的整形，多谐振荡期用于对脉冲的产生。

单稳态触发器有稳态和暂稳态两个不同的工作状态，在外界触发的作用下可以从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，在自动返回稳态。

2.设计方案

2.1任务分析

首先，在了解上述设计要求后，明确设计系统的全部功能、要求及计数指标，熟悉处理信号与控制对象的各种参数；

其次，根据系统的逻辑关系将系统分解，画出系统的各个部分的原理框图，并且需要对于这些局部图做出必要的解释说明，然后确定框图与框图之间各种信号的逻辑关系与时序关系；

再次，选择合适的数字器件，用Multisim9仿真，并应用DXP软件绘制各单元的逻辑电路图；

最后，充分分析单元电路，尤其对控制信号要从逻辑关系，正反极性，时序几个方面进行深入考虑，确保不发生冲突，在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，最后获得最佳的设计方案。

2.2方案论证

经过任务分析可得，本设计用到两片74LS192组成100进制计数，用两片74LS47来驱动两个七段共阳极数码管，需要一个电平开关作为手动脉冲控制，计数的次数由数码管显示。

需要一片555定时器若干电阻、电容，构成多谐振荡器，然后用555定时器组成多谐振荡器电路产生10秒脉冲驱动扬声器和LED，以此来产生报警信号。

用两片74LS192级联实现100进制计数，其中第一片74LS192的进位溢出接到第二片74LS192的计数端，把第二片的进位溢出接到由555定时器构成的多谐振荡器的输入端，当计数达到99后由于第二片进位溢出从而触发由多谐振荡器构成的电路，由其输出10秒的脉冲来驱动扬声器和LED产生报警，其中报警时间10秒有RC决定，经过计算要选择合适的电阻和电容。

其中数码管的驱动电流大概为10mA左右，选择合适的限流电阻。

电路结构框图如图1所示。

时

钟

发

生

器

计数器

显

示

输

出

端

译码器

图1电路结构框图

3.方案实施

3.1原理图设计

1.计数电路的设计

首先介绍74LS192的引脚和功能，如图2所示，①管脚1、9、10、15分别对应输入D0、D1、D2、D3，可以给这四个引脚接高电平或者低电平来实现置数；

②管脚2、3、6、7分别对应芯片的输出端，可以直接接7端数码管译码器；

③管脚4为减计数时钟输入端；

④管脚5为加计数时钟输入端；

⑤管脚8为接地端；

⑥管脚11为预置数输入端，并且为异步预置，接0时置数，用做加计数或减计数时，必须接1；

⑦管脚12为进位输出，1001状态后负脉冲输出；

⑧管脚13为借为输出，0000状态后负脉冲输出；

⑨管脚14为异步清零端，高电平有效；

⑩管脚16接电源。

图274LS192的管脚图

74LS192的逻辑功能表如表1所示。

表174LS192的逻辑功能表

CR

LD

CPU

CPD

D3

D2

D1

D0

Q3

Q2

Q1

Q0

1

*

*

*

*

*

*

*

0

0

0

0

0

0

*

*

D

C

B

A

D

C

B

A

0

1

↑

1

*

*

*

*

加计数

0

1

1

↑

*

*

*

*

减计数

计数电路的设计原理：

根据对电路分析可得，需要实现100进制计数，而74LS192计数器是十进制计数器，所以要用两片级联构成100进制。

因此，需要将第一片的第12管脚进位输出端接到第二片的第5管脚加计数时钟输入端；第一片的借位输出端悬空；第一片第14管脚异步清零端接到第二片的异步清零端；第二片的第12管脚进位输出端接到时钟电路的第2管脚低触发端；第二片的第13管脚借位输出端接到第二片的第11管脚异步预置数输入端。

从而实现两片74LS192的级联。

计数电路原理图如图3所示。

图3计数电路原理图

2.显示电路的设计

显示电路主要由两个74LS47译码器和两个七段共阳极数码管组成,用来显示计数电路的输出。

数码管分别接到两个译码器的输出端；每当按下按钮后，就会产生一个脉冲，经过译码器到达数码管后，数码管就能显示出相应的数字，能从0显示到99，到达99后，再来一个脉冲数码管就会变为0，红色LED开始发光同时Speaker开始报警，报警时间持续10秒。

74LS47是一种BCD代码输入的四线-七段译码器，下面先介绍74LS47的引脚及功能。

它的管脚排列如图4所示。

①管脚1、2、6、7表示显示译码器BCD代码的电平输入端；

②管脚9、10、11、12、13、14、15表示输出的7位二进制代码，可以直接接7端数码管，并规定用1表示数码管中线段的点亮状态，用0表示线段的熄灭状态；

③管脚3表示灯测试输入端，当它为0时，便可使被驱动数码管的七段同时点亮，显示8字，以检查该数码管各段能否正常发光。

平时应置/LT为高电平。

④管脚4为灭灯输入/灭零输出端，这是一个双功能的输入/输出端，当它用作输入端使用时，称为灭灯输入控制端。

只要加入灭灯控制信号/BI=0，无论管脚1、2、6、7的状态是什么，定可将被驱动数码管的各段同时熄灭，当/BI=1时，显示器各段才根据输入译码输出；当它作为输出端使用时，成为灭零输出端，为相邻位提供灭零输入信号。

⑤管脚5表示灭零输入，可以把不希望显示的零熄灭，当/RBI=0时，若输入DCBA=0000，则输出不显示0，若输入为其他代码，则照常显示。

将灭零输入端和灭零输出端配合使用，即可实现多位数码显示系统的灭零控制。

⑥管脚8为接地端；

⑦管脚16接电源。

图474LS47管脚图

74LS47-七段显示译码器的逻辑真值表如表2所示。

表274LS47七段显示译码器的真值表

显示电路设计原理：

分别将两片74LS47译码器的输出端接到两片七段共阳极数码管的输入端，74LS47输入端接74LS192的输出端。

显示电路的原理图如图5所示。

图5显示电路原理图

3.报警电路的设计

报警电路主要由555定时器、红色发光二极管、蜂鸣器和若干电阻、电容构成，555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能很方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。

双极性CB555由比较器C1和C2、SR锁存器和集电极开路的放电三极管TD组成。

555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可以承受较大的负载电流。

双极性555定时器的电源电压范围为5-16ν，最大的负载电流达200mA。

CMOS型7555定时器的电源电压范围为3-8ν，但最大负载电流在4mA以下。

555定时器的管脚排列图如图6所示。

①管脚1表示接地端；

②管脚2表示低触发端；

③管脚3表示输出端；

④管脚4表示是直接清零端，当接低电平，则电路不工作，此时不论TR、TH是高电平还是低电平，电路输出为“0”，该端不用时应接高电平；

⑤管脚5表示电压控制端，若此端外接电压，则可改变芯片内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰；

⑥管脚6表示高触发端；

⑦管脚7表示放电端，该端子与放电管的集电极连接在一起，可以作为定时器电容的放电。

⑧管脚8表示接电源。

图6555定时器的管脚图

555定时器的功能表如表3所示。

表3555定时器的功能表

输入

输出

UTH

UTR

UO

TD

0

1

1

1

1

×

×

低电平

低电平

不变

高电平

高电平

导通

导通

不变

截止

截止

如图7所示电路中，电路的振荡周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2，振荡频率为f=1/T=1/（R1+2R2）C㏑2,Vcc=5v可以满足对输出脉冲幅度的要求,，由式T=（R1+2R2）C㏑2=1，㏑2=0.69，取电容C=10uF代入上式得，R1、R2分别100kΩ和300Ω左右，经过计算在占空比符合要求的同时，算得的数据也在误差允许的范围内。

当电路进行仿真时，当计数器达到99时，这时LED开始发光同时Speaker开始报警，这个过程维持10秒左右。

图7时钟电路原理图

3.2电路仿真

首先根据前面所述74LS192的功能，将两片74LS192连成一百进制计数器，使输出能显示从0到99，并且具有清零功能；

其次根据计算分析的结果为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值连接；

再次根据74LS47的功能，分别将两片74LS47连接到两片74LS192的相应端口，然后将两个七段共阳极数码管分别于两片74LS47相连，按照总体电路图在仿真软件Multisim上一一选择芯片并进行连接，通过按钮产生脉冲，计数达到最大99时，电路开始报警，报警时间为10秒，同时伴随着二极管发光。

通过仿真，我们的电路原理图无误，可以制板。

用555定时器构成的时钟脉冲发生电路的振荡频率应为1Hz，但是由于在计算分析选择电阻的阻值时存在着误差，也可能是电源电压不够稳定，造成刚开始计数达到99后蜂鸣器不能发出声音，经过老师指导，最终电路能够正常工作，可以进行PCB板布线。

电路的仿真图如图8所示。

图8仿真结果图

3.3PCB制作

首先仔细研究老师制作的教程，然后按照老师教程里面讲的在DXP上画出原理图，设置完成对电路图每个元件的封装，在封装时需要注意，因为对于同一个元件可能有多种封装形式。

封装时根据所给元件的类型选择合适的封装，然后对各个元件进行封装。

封装完成后，把原理图导入PCB板。

导入PCB板后，按照原理图移动原件的位置，然后进行手动布线，使原件的位置尽量合理，并且让整体布局尽量紧凑，并且使尽量少的线重叠，以减少布线时的跳线出现。

这个过程是漫长的，也是非常考验耐心的，要仔细检查每一根线，设置每个焊盘的、信号线的参数尺寸。

注意事项：

①制作物理边框，一定要注意精确，否则以后出现安装问题麻烦可就大了，还有就是拐角地方最好用圆弧，避免尖角划伤人。

②元件的布局，先放置与结构有关的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关之类。

③布线是走线拐角尽可能大于９０度，应当避免９０度以下的拐角，也尽量少用９０度拐角。

尽量少用过孔、跳线。

④单面板焊盘应当尽量要大，焊盘相连的线尽量要粗，最好要放泪滴。

3.4安装与调试

PCB做好以后，拿给老师去打印，然后覆铜、钻孔。

制成电路板后，找老师领器件。

领了器件以后，在开始安装以前，首先要按照清单检查有无缺少器件，然后按照图开始安装器件，（特别要注意不能把芯片装反）然后开始焊接，焊的时候要非常小心，因为有的地方线非常细，一不注意线就容易断，还应尽量避免虚焊。

焊好之后，按照电路图逐一检查电路有没有漏焊的问题，接下来用万用表逐一检查有没有虚焊或线路断路或线路短路。

在线路没有问题的情况下连接电源调试，之后用电源逐个模块进行检查。

加入电压后，电路不能正常工作，然后就开始检查，最后发现有几根线在焊接的时候被焊断了，经过一上午的调试终于可以正常工作了。

4.结果与结论

电路进行仿真后，能够满足设计的要求，利用两片74LS192级联构成计数电路，用两片74LS47和两个七段共阳极数码管构成显示电路，用555定时器、Speaker和红色LED构成报警电路。

经过仿真，我们得到计数能从0到99，将计数电路的输出与显示电路的输入相连，数码管就能显示出输出的数字；利用555定时器、电阻、电容来设计报警电路。

经过仿真，并利用示波器观察波形，得到了一个多谐振荡器，其频率是1Hz；计数达到最大99后，红色二极管开始发光并且speaker开始报警，时间为十秒，电路可以正常工作。

仿真对了，但是板子不能正常工作，用按钮产生手动脉冲，数码管只有一个可以正常显示，而且蜂鸣器始终不能发出声音。

这是由于与蜂鸣器、数码管相连的几根相对较细的信号线在焊接的时候造成了断焊，以至于板子不能正常工作。

终上所述，我们电路仿真可以满足设计要求，在调试过程中，发现有几根线断焊了，最终没能使电路板正常工作。

5.收获与致谢

首先，对于Multisim9软件，书的每一章后面都有介绍，上课的时候老师也放过视频进行讲解，但是由于平时接触少，在设计原理图和仿真时，弄得一头雾水，但经过研究老师制作的教程，发现其实并不难，个别不懂的地方，经过老师的指导，最终电路仿真达到了令人满意的结果；其次，这次课程设计让我懂得了不论是在实习过程中还是在日常的学习中都要养成细心的习惯、保持严谨的态度，针对设计中出现的问题，通过查资料和请教老师，问题解决后，更增加了自己设计的信心；再次，我学会了运用Multism9制作仿真图，运用DXP制图、布线，了解了制作电路板的全过程及原理，让我受益匪浅，我也认识到我所学的知识并不是空的理论，而是能用到生活和工作每一方面的。

感谢学院里给我这次学习的机会，这次实习中长达两周的时间里，老师一直陪着我们，对我们在实习中出现的问题进行指导，有时候老师诲人不倦的精神和对工作认真的态度真的让我感动。

通过老师的努力，让我们在实习过程中少走弯路，顺利地完成任务，在这里我真诚地对我们的张修太张玮炜李风雷老师说一句：

“老师，您辛苦了！

”对于三位老师的耐心指导以及在设计中给出的宝贵建议和意见，教会我对DXP和Multisim的使用，我再次表示深深的感谢！

6.参考文献

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[2]臧春华.电子线路设计sx与应用[M].北京:

高等教育出版社，2005.

[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[5]张阳天，韩异凡.ProtelDXP电路设计[M].北京：

高等教育出版社，2005.

7.附件

7.1电路原理图

电路原理图如图9所示。

图9电路原理图

7.2PCB布线图

PCB布线图如图10所示。

图10PCB布线图

7.3元器件清单

元器件清单如表4所示。

表4元器件清单

器件

数量和规格

74ls192

2片

74ls247

2片

开关

1个

电阻

100欧1个，300欧1个，1K欧一个100k欧1个

电容

100nF1个，10uF1个

发光二极管

1个

扬声器

1个

导线

若干

555定时器

1片

电平开管

1个

数码管

2个

指导教师评语：

课程设计报告成绩：

，占总成绩比例：

40％

课程设计其它环节成绩：

环节名称：

原理图设计与仿真，成绩：

，占总成绩比例：

20％

环节名称：

PCB设计，成绩：

，占总成绩比例：

20％

环节名称：

电路安装调试，成绩：

，占总成绩比例：

20％

总成绩：

指导教师签字：

年月日

本次课程设计负责人意见：

负责人签字：

年月日