数电课程设计会议限时器倒计时器.docx

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数电课程设计会议限时器倒计时器

数字电子技术课程设计

KAKA

2013/12/26

会议限时器

摘要

本设计要实现功能为发言时间设定在1分钟到17分钟可调；在主持人的控制下，设定时间倒计数显示；在限时时间到的前2分钟，每隔半分钟LED灯闪烁一次提示；限时时间到时，LED灯亮并且蜂鸣器发出声响。

设定有输入及暂停开关，LED灯和蜂鸣器表示工作状态。

电路原理模块分为时钟脉冲电路、倒计时电路、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、暂停控制电路等部分。

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1～17分钟可调。

2、设定时间倒计数显示。

3、在限时时间到的前2分钟，每隔半分钟LED灯闪烁一次提示；

4、限时时间到时，LED灯亮、蜂鸣器发出声响，并且数码管显示保持在“000”状态。

5、应有设定输入及暂停开关，用LED灯和蜂鸣器表示工作状态。

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、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、报警电路、置零保持控制电路等部分。

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2分钟以内后每隔半分钟发出提示信号。

当倒计时显示为0时，LED灯一直亮且蜂鸣器一直响，并且数码管显示保持在000状态。

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1分钟到17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，LM78XX系列产品可以在任何一个电子元件商店一定都能买到，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。

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3片74LS192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预置时间电路方案选择

方案一：

使用单刀双掷开关给74LS192的输入端赋初值。

图1-2单刀双掷开关赋值电路

方案二：

使用74LS160十进制加计数器产生输入数据。

由74LS160十进制计数器组成。

每按一次开关，控制相应的计数器累加1。

利用按钮开关产生一个上升沿信号给74LS160的时钟输入端，为74LS160提供脉冲信号实现计数增加。

但是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，不足以引起74LS160加计数器进行加计数工作，所以要增加适当的电路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。

图1-3电路在仿真中简单且容易实现，但在实际电路并不可行，若要采取此方案还应增加适当的电路。

图1-3利用74LS160赋初值电路

1.2.5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。

1.2.6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。

本系统需要比较倒计时为2分钟、1分半钟、1分钟、30秒和倒计时为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。

1.2.7提示信号发生电路、报警电路、置零保持、暂停控制电路方案

提示信号分为2分钟及其以内每隔半分钟LED闪亮一次，倒计时为0时LED一直亮且蜂鸣器一直响。

利用从门电路比较出来的信号进行控制。

LED提示、报警电路利用门电路产生高电平使电路达到工作条件，并且使高电平作用到3个74LS160的清零端WR，使3个数码管显示一直保持在000状态。

暂停电路为在脉冲输入端加一个单刀开关，开关闭合则电路正常工作，开关打开则电路暂停工作。

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。

图2-15V电源原理图

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的计数脉冲，完成计数工作。

§2.3倒计时电路设计

表2-174LS192功能表

CPU

CPD

工作状态

清零

预置数

↑

加计数

↑

减计数

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。

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U2的CPD信号，U2的TCD端为借位信号，当U2输出为0时TCD发出信号，将此信号接在U3的CPD上就为U3的脉冲信号，实现60进制减计数功能，当计数到00时利用U7四端输入的与非门，来控制U3、U2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。

图2-4倒计时显示电路

§2.5预置时间电路设计

使用四个单刀双掷开关给U1赋初值，改值即为计时开始时的分钟数，由于两个表示秒的U2、U3的初值分别为5、9，即本电路的最小计时时间为59秒，即为1分钟，所以设定四个单刀双掷开关后，实际的计时时间要在此基础上加上1分钟。

赋初值的四个开关应在通电之前就设定好，通电前应先断开置零开关SW5，通电后之后再合上防止置零信号影响初始值的设定。

图2-5单刀双掷开关赋值电路

§2.6显示电路设计

图2-6显示电路原理图

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2-6所示，利用74LS47或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。

74LS47的输入端D、C、B、A接在计数器的输出端，74LS47的控制端均接高电平1，即可完成显示功能。

§2.7比较控制门电路设计

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，当倒计时到最后两分钟时每隔半分钟LED闪烁一次，倒计时结束时LED亮且蜂鸣器响。

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时利用门电路接入三个74LS192的清零端使数码管一直处于置零状态从而达到停止计数的效果。

用3个四输入一输出的或非门电路的输入端分别接到三个数码管，输出端接到另一个四输入一输出的与门，只有当三个数码管都为0时，S、SS、MIN端才会同时输出高电平，即U7：

B的输出端才会输出高电平，此时驱动蜂鸣器响。

比较电路需判断出数码管分别为2:

00、1:

30、1:

00、0:

30、0：

00时的五种状态。

比较可知，当第一个数码管为0或1或2，第二个数码管为0或3，第三个数码管为0时，则包含了上述五种情况。

具体电路如上图所示。

三、系统综述、总体电路图

设定有输入及暂停开关，LED灯和蜂鸣器表示工作状态。

电路原理模块分为时钟脉冲电路、倒计时电路、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、暂停控制电路等部分。

图3-1系统总体电路原理图

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。

可以完成各种简单的比赛、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，本系统输入限时时间为1-17分钟，显然时间较短，不符合实际的会议时间长度。

改进意见：

本系统在实际制作中，可以用能准确计时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。

另外，可再加一个显示十分钟的数码管，则系统的输入时间改进为60分钟。

§4.2心得体会

《数字电子技术基础》这次课程设计是对这学期数字逻辑课程所学内容的一次综合练习，从中不仅强化了我对教材中知识的理解和掌握。

而且也拓展了我在数字电子技术方面的知识，和对自己所学专业的认识。

课程设计更是一个把所学知识应用于实践的过程，它对我动手能力的提高不言而喻。

同时我从这次课设中知道：

知识不仅仅是写在书本上的文字和死板的理论，它更是指导我们实践的工具。

一些比较简单的逻辑器件，经过一定的理论知识分析，将它们组合在一起就构成了我们生活中普遍应用，几乎必不可少的电子时钟。

完成课程设计的任务以后，看到自己的成果感到很有成就感，从而加强了自己对本课程的兴趣，更加有利于对本课程方面知识的进一步拓展性学习。

在实验的实际接线过程中，也遇到了许多问题，但由于此电路是自己和同组组员一起设计的，所以遇到问题时能很快找到原因并想出解决办法。

最后，感谢指导老师的指导，也感谢同组组员的帮助。

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。

3、尹勇、李林凌编著.Multisim电路仿真入门与进阶.科学出版社.2005年版。

4、陈明义主编.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社.2002版。

5、彭介华主编.电子技术课程设计指导.高等教育出版社.1997版。

附录

元件清单

序号

名称

描述

数量

备注

双向可逆十进制计数器

74LS192D

或非门

74LS02D

四段与门

74LS21D

四段或非门

74LS25D

蜂鸣器

BUZZER686Hz

单刀双置开关

SPDT

按钮开关

PB_DPST

与非门

74LS00D

与门

74LS08D

发光二级管

LED_red

红

集成稳压

LM7805

二极管

IN4001

单刀单置开关

DIPSW1

变压器

NLT-PQ-4-12

12V3W

555定时器

555

电容

470Uf

极性

电容

10uF

极性

电容

10uF

非极性

电容

1uF

非极性

电容

0.01uF

非极性

电阻

100Ω

电阻

44KΩ

电阻

50KΩ

电阻

1KΩ

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