倒计时报警电路设计报告.docx
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倒计时报警电路设计报告
沈阳航空航天大学
课程设计
（说明书）
倒计时报警电路的设计
班级
学号
学生姓名
指导教师
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称数字逻辑课程设计
课程设计题目倒计时报警电路的设计
课程设计的内容及要求：
一、设计说明与技术指标
要求设计一个倒计时电路，倒计时时间可从0～99s任意设定，并在倒计时时间到零时发出报警信号。
技术指标如下：
①设置外部操作开关实现启动、直接复位、暂停、继续等功能；
②用数码管显示初始时间及剩余时间；
③在直接复位时，要求数码管灭灯；
④倒计时时间到达零时，数码管不能灭灯，并同时发出5s的声光报警指示信号；
⑤设计秒脉冲产生电路。
二、设计要求
1．在选择器件时，应考虑成本。
2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。
3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
三、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。
2．进行实验数据处理和分析。
四、推荐参考资料
1．阎石主编．数字电子技术基础．[M]北京：
高等教育出版社，2006年
2．赵淑范，王宪伟主编．电子技术实验与课程设计．[M]北京：
清华大学出版社，2006年
3．杨志忠主编.电子技术课程设计.[M]北京：
机械工业出版社，2008年
五、按照要求撰写课程设计报告
成绩评定表：
序号
评定项目
评分成绩
1
设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）
2
设计结果可信（例如：
系统分析、仿真结果）（15分）
3
态度认真，遵守纪律（15分）
4
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）
5
答辩（30分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2016年7月3日
一、概述
1.1了解数字电路系统的定义及组成
数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路和电源等。
输入电路主要作用是将被控信号转换成数字信号，其形式包括各种输入接口电路。
比如数字频率计中，通过输入电路对微弱信号进行放大、整形，得到数字电路可以处理的数字信号。
模拟信号则需要通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。
在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质，接口的条件，以设计合适的输入接口电路。
随着科学技术的迅猛发展和社会的日新月异，数字电子信息技术这门科学在各行各业越来越得到广泛的应用，特别是集成芯片的应运，促使现代电子产品向小体积多功能发展。
这不仅节省了原材料，降低了产品成本，还减少了很多劳动力，所以很有必要学习好这门课程。
1.2掌握时钟电路的作用及基本构成
时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。
时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。
比如555多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。
设计时钟电路，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。
通过数字电子技术课程设计，使学生较系统地、全面地掌握数字电路系统的基本设计方法，设计步骤，熟悉和掌电路参数的计算，电路元器件的选择与应用，学习数字电路原理图设计、调试、测试、故障查找和排除的方法和技巧，并在此基础上，逐步调试改进、完善电路的性能。
学会积极地按照设计任务的要求，查阅并理解相关技术文献，能进行方案的论证比较，方案的具体实施。
使学生较深入地了解与课程设计有关的知识，培养学生分析和解决实际的问题。
二、方案论证
2.1电路组成
0--99秒任意倒计时器的总体参考方案框图如图2-1所示。
它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路（简称控制电路）等五个模块组成。
其中计数器和控制电路是系统的主要模块。
计数器完成0--99秒任意倒计时器，而控制电路完成倒计时器的开始、复位、暂停、继续计时、译码显示电路的显示与灭灯、定时时间到报警等功能。
图2-10--99秒任意倒计时器系统设计框图
秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，故电路可采用555定时器组成的单稳态触发器和多谐振荡器。
2.2设计思路
倒计时电路主要由振荡器和计数器组成。
该电路设计思路如下：
1．设计一个秒脉冲发生器，这里采用555定时器来产生这个计时脉冲。
2．设计0--99秒任意倒计时器电路，由秒脉冲发生器控制其计数，每隔1秒钟，计数器减1。
3．设计译码显示电路，显示器能显示计数器的即时计数数值和显示初始设定值。
4．设计报警电路，当计数器递减计时到零时（即定时时间到，显示器上显示00），发出5S报警信号。
5．设计外部操作开关控制倒计时器的开始、复位、暂停、继续计时。
2.3设计方案
分析设计任务，倒计时器和控制电路是系统的主要部分。
计数器完成0--99秒任意倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的开始、复位、暂停、继续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。
为了满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。
在操作复位开关时，要求计数器复位，数码显示器灭灯。
当开始开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示设置的数的字样；当暂停、继续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停、继续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。
三、电路设计
3.1多谐振荡器产生秒脉冲信号电路
选用555定时器构成多谐振荡器,其引脚功能如下：
1地GND，2触发，3输出，4复位，5控制电压，6门限（阈值），7放电，8电源电压Vcc。
其引脚图如图3-1所示：
图3-1LM555引脚图
LM555秒脉冲发生器的振荡周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C，振荡频率f=1/T=1/﹝0.7（R1+2R2）C﹞≈1.43/﹝（R1+R2）C﹞。
本实验需要的周期是1s，计算出较为稳定的电阻电容值为：
R1=48kΩ,R2=48kΩ,C1=0.1μF,C2=10μF。
LM555秒脉冲发生器由555集成定时器构成，555定时器功能表如表1所示，脉冲信号产生电路原理图如图3-2所示。
表1555定时器功能表
输入
输出
THR
TRI
RST
UOT
晶体管T状态
X
X
0
0
道通
>2/3VCC
>1/3VCC
1
0
道通
<2/3VCC
<1/3VCC
1
1
截止
<2/3VCC
>1/3VCC
1
不变
不变
图3-2脉冲信号产生电路图
3.2计数器
本实验中计数器选用中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是十进制同步加法/减法计数器，它采用8421BCD码二-十进制编码，其功能表如表2所示。
表274LS192功能表
输入
输出
CLR
LOAD
UP
DOWN
D
C
B
A
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
方案中采用十进制双时钟加减可逆计数器74LS192芯片实现减计数功能，其逻辑符号如图3-3，图中：
LOAD为置数端，CLR为清除端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，CO为非同步进位输出端，BO为非同步借位输出端，A、B、C、D为计数器输入端，QA、QB、QC、QD为数据输出端。
图3-374LS192逻辑符号图
用两片74LS192芯片串联可作为0--99秒任意倒计时，第一片芯片的脉冲输入端由第二片芯片借位输出控制，第二片芯片脉冲输入端直接由555定时器组成的多谐振荡器产生的脉冲信号。
因为该实验实现的是0--99s内任意倒计时，所以应将两块74LS192N芯片的UP都接入高电位，实现减数的功能，课设没有要求清零功能，所以CLR清零端应接入低电位。
用四位开关控制两块芯片的输入，并把四位开关的输入端分别都接入高电平，输出端分别接入74LS192N芯片的A、B、C、D上。
对倒计设置的数可以通过四位开关来实现，当四位开关输入倒计的数后（倒计数是按二进制方式输入），将开关S3打到复位档，LOAD接入低电位，计时器复位，显示器上显示设置的倒计数，然后再打到开始档，LOAD接入高电位，计数器开始计数，直到数码管出现“00”，完成计数。
即完成设置时间的倒计计数。
3.3译码和数码显示电路
如图3-4所示，74LS48N该器件输入信号为BCD码，输出端为a、b、c、d、e、f、g共七线，另有三条控制线LT、RBI、BI/RBO。
LE端为测试端。
在BI端接高电平的条件下，当LT=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，a~g输出为高电平，使7段显示器显示“8”字型，此功能用于测试器件。
RBI端为灭零输入端。
在LT=1，BI=1条件下，当输入A、B、C、D=0000时，输出a~g全为低电平，可使共阴LED显示器熄灭。
但当输入A、B、C、D不全为零时，仍能正常译码输出，但显示器正常显示。
BI端为消隐输入端。
该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入为何值，输出端a~g为低电平，这可使共阴显示器熄灭。
另外，该端还有第二个功能——命令信号输出端，记为RBO。
当该位输入的A、B、C、D=0000且RBI=0时，此时RBO输出低电平；若改为输入的A、B、C、D不等于零，则RBO输出高电平。
若将RBO与RBI配合使用，很容易实现多位数码显示时的灭零控制。
图3-474LS48N逻辑符号图
74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需外接限流电阻。
译码和数码显示电路是将数字钟和计时状态直观清晰地反映出来，被人们的视觉器官所接受。
如图3-5显示器件选用LED七段数码管。
在译码显示电路输出的驱动下，显示出清晰、直观的数字符号。
本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。
半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。
共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。
共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。
当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。
共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。
图3-5共阴极LED数码管
3.4报警电路
课设题目要求，当计数器到达零时，要发出的声光报警指示信号，在实验中，使用发光二极管代替声光报警。
当计数器到达零时，74LS192N芯片的BO端会同时输入低电位，如果没有到达零，高位的芯片会一直输出高电位，低位的芯片输出的点位会在高、低点位之间跳变，此时将两块74LS192N芯片的BO端输出的信号接到一个与非门上，当输入的信号同时为低电位时，与非门输出端会输出高电位，再将该信号输入到由555定时器组成的单稳态触发器的输入端，即TRI端。
由于555定时器组成的单稳态触发器TRI端之前一直输出的低电平，所以输出端为高电平，因为要求只有计数器到达零时，才触发报警器，所以此时将输入的信号接入到一个非门上，因而不触发报警。
当计数器到零后，输出高电位信号触发555定时器组成的单稳态触发器输出低电位，因为该信号经过一个非门，所以变成了一个高电位的信号，将该信号与555定时器组成的单稳态触发器的输入端信号异或，从而实现5s的延时报警。
图3-6报警电路连接图
报警电路的连接如图3-6所示，输入的信号为两块74LS192N芯片的BO端输出的信号经过一个与非门后输出的。
3.5控制电路
题目中要求设置外部操作开关实现启动、直接复位、暂停、继续等功能。
经过认真的分析和查阅资料后，实现这些功能，通过控制输入的信号来实现。
当打开电源开关后，电路因没有输入的信号，所以出于停止状态。
只有设置好时间，并将开关S1拨至复位档，使74LS192N两块芯片的LOAD端输入低电位信号，实现复位功能，显示器显示设置的时间。
因为题目要求，当直接复位时，显示器灭灯，所以将复位的信号接入到74LS48N的BI/RBO端，从而实现当开关S1拨至复位档时，显示灭灯。
当开关S1拨回开始档，使74LS192N两块芯片的LOAD端输入高电位信号，开始倒计时。
连接方式见附录Ⅰ。
实现暂停、继续功能，需在74LS192N两块芯片当中控制低位芯片的DOWN端输入的脉冲信号，此脉冲信号是有555定时器组成的多谐振荡器产生的。
如果要暂停，只需要端口输入信号即可，继续则是接入输入信号，所以在74LS192N低位芯片的DOWN输入端之间加上一个单刀双掷开关。
因为在到达零状态时，要求计数器不再倒计时，所以应控制当倒计时到达零状态时，74LS192N低位芯片的DOWN输入端的信号。
在计数器到达零状态时，74LS192N高位芯片的BO端输入低电位，所以将该输出的信号与555定时器组成的多谐振荡器产生的脉冲信号组合通过一个与门再输入到74LS192N低位芯片的DOWN输入端，从而实现了此功能。
连接方式见附录Ⅰ。
四、性能的测试
4.1多谐振荡器产生脉冲信号电路
555定时器构成的多谐振荡器如图4-1所示。
图4-1多谐振荡器原理图
将示波器连接到多谐振荡器产生的脉冲信号上，进行仿真，示波器上所观察的波形如图4-2所示。
图4-2示波器输出波形图
示波器所显示波形的周期为994.872ms，即所设计的信号发生器的输出信号周期为994.872ms，其信号频率非常接近1Hz，所以此信号发生器合格。
4.2单稳态触发器产生脉冲信号电路
555定时器构成的多谐振荡器如图4-3所示。
图4-3单稳态触发器原理图
将示波器连接到单稳态触发器产生的脉冲信号上，进行仿真，示波器上所观察的波形如图4-4所示。
图4-4示波器输出波形图
示波器所显示波形的周期为4.991s，即所设计的信号发生器的输出信号周期为4.991s，其信号频率非常接近5Hz，所以此信号发生器合格。
4.3电路整体性能测试
⑴设置倒计时间功能
将U1、U2的A都接入高电位、其余的B、C、D都接入低电位，即完成任意置数功能，置数为11，此时U7、U8两块LED显示器会显示刚才所设置的数字，如图4-5所示。
图4-5任意置数功能
⑵直接复位灭灯功能
将开关S3拨至复位档，U1、U2接入低电位，U5、U6两块显示器灭灯，如图4-6所示。
图4-6直接复位灭灯功能
⑶倒计时功能
将开关S3拨至开始，两块74LS192N都接入高电位，此时电路开始倒计时，如图4-7所示。
图4-6倒计时功能
⑷暂停、继续功能
将开关S4拨至暂停档，切断输入的信号，计数器停止倒计时，如图4-8所示。
图4-7暂停功能
将开关S4拨至继续档，接入输入信号，计数器开始倒计时，如图4-8所示。
图4-8继续功能
⑸报警功能
当倒计时达到零时，此时U1、U2两块芯片的BO端都输出低电位，触发555定时器组成的单稳态，从而驱动报警，报警时间持续5s，如图4-9所示。
图4-9报警功能
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