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
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
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
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。
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
1
双向可逆十进制计数器
74LS192D
3
2
或非门
74LS02D
1
3
四段与门
74LS21D
2
4
四段或非门
74LS25D
2
5
蜂鸣器
BUZZER686Hz
1
6
单刀双置开关
SPDT
6
7
按钮开关
PB_DPST
1
8
与非门
74LS00D
1
9
与门
74LS08D
1
10
发光二级管
LED_red
1
红
11
集成稳压
LM7805
1
12
二极管
IN4001
4
13
单刀单置开关
DIPSW1
1
14
变压器
NLT-PQ-4-12
1
12V3W
15
555定时器
555
4
16
电容
470Uf
1
极性
17
电容
10uF
1
极性
18
电容
10uF
2
非极性
19
电容
1uF
2
非极性
20
电容
0.01uF
4
非极性
21
电阻
100Ω
4
22
电阻
44KΩ
2
23
电阻
50KΩ
2
24
电阻
1KΩ
4