段数字显示时间继电器论.docx
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段数字显示时间继电器论
第一章概述
第一节设计目的与技术要求
第二节框图与电路介绍
第三节集成电路元件块介绍
第二章单元电路介绍
第一节电源部分
第二节脉冲发生部分
第三节时间设定部分
第四节计数、译码、显示部分
第五节放大输出部分
第三章整机电路
第一节电路原理图
第二节元件清单
第三节电路的改进
第四节总结
第五节参考文献
第一章概述
1-1设计目的与技术要求
目前市场上能买到的时间继电器大部分都是采用电子控制的继电器，其已经取代了曾经风靡一时的气囊阻尼继电器，采用电子控制的继电器定时时间长，延时误差小，定时时间方便，恢复时间短，其综合性及可靠性适应当今高速发展的社会要求，所以我们设计这种产品来适应社会发展的需求。
1.学习目的
（1）综合运用数字电路和模拟电路，巩固所学知识。
（2）学会秒脉冲形成电路和数字显示电路的设计方法。
（3）掌握CD4518.CD4553.CD4511等常用数字电路和BCD拨码开关.可控硅的应用。
（4）了解数字显示电路的扩展应用。
（5）了解产品设计的基本思路和方法。
（6）掌握常用电子元件的选择方法和元件参数的计算。
（7）加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力。
2.设计要求如下：
（1）电源电压AC220V
（2）时间精度小于0.01秒
（3）定时范围0-999秒
（4）显示部分无闪烁，稳定，清晰
（5）输出具有两常开、两常闭，到达定时值后常开触点闭合，常闭触点断开，输出驱动能力达到AC220V/2A
（6）电路结构简单、体积小、成本低、稳定性好、可商品化生产。
1-2框图与电路介绍
一、电路的设计框图
二、电路介绍
输入电源220V，经过变压器得10V电压左右，通过V1～V4整流，经C1滤波。
CW7809三端稳压器的1脚为输入，二脚为接地，三脚为输出端，输出为9V电压，为整个电路提供工作电压。
电源部分的C2为二次滤波，使直流波形更平滑，以提供更稳定的直流电压。
R1、R3为限流电阻。
CD4060与晶振产生2Hz的脉冲，经3脚输出（14分频，32767/16384=2Hz），给CD4518，由CD4518内部的一个分频器二分频（2/2=1Hz），由11脚输出1Hz的秒脉冲。
该秒脉冲一部分送至计数锁存器CD4553，一部分送至比较电路。
1Hz秒脉冲送同步加计数器CD4518的个位、十位、百位与编码器比较计数。
另一部分1Hz秒脉冲送至CD4533的秒脉冲输入端12脚，使9脚、7脚、6脚、5脚产生一个8421BCD码，并将此8421BCD码送至CD4511的7脚、1脚、2脚、6脚，经内部译码产生段选信号a、b、c、d、e、f、g、h，并输出至显示器。
相应的笔段输出为高电平，驱动数码管显示与8421BCD码所对应的十进制数字。
但数码管的显示与CD4553的位选位2脚、1脚、15脚有关，它们产生与8421BCD码相对应的数，从而控制位选通。
如当显示个位时，二脚为低电平，使V11导通，点亮个位，1脚、15脚为高电平，V9、V10截止，，使十位、百位灭，由于每秒扫描25帧，人眼难以辨别，所以个位百位看上午去也是一直亮的。
1-3集成电路元件块介绍
一、CD4553（三位BCD码分时并行输出计数器）
1．CD4553的结构
2．CD4553工作原理
CD4553是含三位数字计数器、锁存器、多路复位器等电路的多功能记数芯片。
记数脉冲输入4553的12脚，3、4脚产生1KMz扫描信号，经多路复合器后，从2
、1、15脚分别输出与个位、十位、百位相对应的时序负脉冲。
如Q3Q2Q1Q0端送出个位数据时，
为低电平，送出十位数据时，
为低电平，送出百位数据时，
为低电平。
由于数据是按时序交替输出的且变化速度快，达到每秒25桢，人的眼睛无法感觉到其变化。
输出个位数据时，4511对其译码后输出七段（a～g）驱动信号加到数码管上，此时4553只有
=0，VT3饱和时导通数码管LDN1的公共端COM1经VT3的ec接地而显示出这个数字，同理4553输出十位、百位数据时，分别由数码管LDN1，LDN2，LDN3显示出来。
3．各个引脚的功能
1脚、2脚、15脚——
、
、
是数据选择输出端，作为分时输出同步控制信号，从而形成动态显示方式，该三只脚低电平有效。
、
、
只有一个低电平时，通过多路转换器Q1-Q4分别输出个位计数器、十位计数器、百位计数器的记数值。
在任一时刻，
、
、
只有一个低电平，并作周期性循环，形成个三位时序信号.
4脚、3脚为CA和CB，主要是外接定时电容，作为芯片内部扫描震荡器的内部时钟，在使用内部时钟是，C一般取100pf。
5、6、7、9脚为Q3-Q0，是BCD码输出端。
10脚为LE锁存控制端，高电平有效。
LE=0时，将BCD计数器输出的记数的结果进行传送LE=1时，接口进行锁存。
11脚为Dis，是时钟输入控制端。
当Dis=0时，允许时钟脉冲输入，当Dis=1是禁止时钟脉冲输入。
12脚为CL，是时钟脉冲的输入端。
CD4553内部设置了整形电路，对输入时钟计数脉冲的边沿没有要求。
13脚为MR是复位端，当MR=1时，扫描震荡被禁止，
——
均输出高电平，使得显示器消隐，同时三组BCD计数器全部清零。
14脚为O.F是数据溢出端，当三位BCD计数器的计数由999到1000时，O.F输出一个正脉冲，可为CD4553多级级联带来方便。
8脚为接地端VSS，16脚为电源端VDD。
二、CD4511（4线—七段锁存译码器/驱动器）介绍
1、工作原理
CD4511是BCD—7段锁存译码驱动器，在同一单片结构上由MOS逻辑器件和N—P—N双极型晶体管器件构成。
这些器件组合，使CD4511具有低静态耗散和高抗干扰及源电流高达25mA的性能。
由此可直接驱动LED及其它显示部件。
LT为电路测试段端，BI为消隐端，LE为允许输入端。
、
、LE输入端可分别检测显示、亮度调制、存贮或选通一BCD码等功能。
当使用外部多路转换电路时，可多路转换和显示几种不同的信号。
2．CD4511的引脚功能
1、2、6、7脚分别代表BCDA，为8421BCD的输入端。
3脚代
，为测试输入端，当
=1，
=0时，译码输出全为1，不管输入BCDA状态如何，七段均发亮，显示“8”，它主要用来检测数码管的好坏。
4脚为
，是消隐输入控制端，当
=0时不管其他输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭状态，无数字显示。
5脚为LE，是锁存控制端，当LE=0时，允许译码输出。
当LE=0时，译码器是锁存保持状态，译码器被输出保持在LE=0时的数值。
9脚——15脚分别代表e、d、c、b、a、g、f，为译码输出端，输出高电平“1”有效。
8脚为接地端Vss，16脚为电源Vdd
三、CD4518（双十进制同步计数器）介绍
CD4518是一片CMOS十进制加法计数器，由两个相同的同步4级计数器构成。
计数器为D型触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿和下降沿加计数，在单个单元运算中，EN输入保持高电平，且在CP上升沿进位，CR线为高电平时，计数器清零，Q0—Q3是四位二进制输出端，Q0是最低位、Q3是最高位、CR是清零端。
1．各个引脚的定义：
1脚、9脚分别代表1CP和2CP是时钟的输入端
7脚、15脚分别代表1CP和2CP是清除端
2脚、10脚分别代表1EN和2EN是计数允许控制端
3脚、6脚分别代表1Q0-1Q3是计数器的输出端
11脚、14脚分别代表2Q0-2Q3是计数器的输入端
8脚是VSS代表接地、16脚是VCC代表电源
2．工作原理：
CD4518为BCD加法计数器，由两个相同的同步4级计数器构成，计数器级为D触发器，具有内部可交换CP和EN线，用于在时钟上升沿或者下降沿加计数，在单个单元运算中，EN输入保持高电平，并且在CP上升沿进位，CR线为高电平，计数器清零。
计数器在脉动模式下可级联，通过将Q3连接至下一计数器的EN输入端可实现级联，同时后者的CP输入保持低电平。
如果要用时钟的上升沿触发计数，则信号由CP端输入，并EN端接高电平，如果要用时钟的下降沿触发器计数，则信号由EN端输入并使CP端保持为低电平，Q0-Q3是4位二进制输出端，Q0是最低位Q3是最高位，CR是清零端，当在CR端加高电平时为正脉冲。
加法计数时Q0-Q3以状态0000到1001（十进制0-9）变化并循环，由1001变为0000时Q4由高变低，产生一个下降沿脉冲，所以Q3可作多级计数器级联时上一级输出，因为是下降沿有效，所以Q4应与高计数器的EN端两连。
四、CD4060（14位二进制串行计数器）芯片的简介
1、4060结构
2．各个引脚功能
1脚、2脚、3脚分别为Q12、Q13、Q14，7、5、4、6、14、13、15脚分别为Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10，它们均为计数器的输出端。
它们的分频系数分别为24、25、26……214,最大值214=16384。
9脚为φ0是震荡输出;10脚为
0,是震荡输入;11脚为震荡反馈,控制输出入,12脚为R,是复位端,”1”有效.
8脚为接地端Vss,9脚为电源端Vdd。
3．CD4060为14位二进制串行计数器/分频器/振荡器，CD4060内部由两部分组成，一部分是14级分频器，其最高分频数为214，另一部分由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成振荡频率为32768Hz的振荡器。
4．555电路常用于短时间的，精度要求不太高的电路中，而晶振电路较555电路精确性较高，且设定的时间越高，精确度越高，该课题要求设定范围为0——999秒，精度要求不大于0.5%恢复时间不大于0.1%。
5．10脚、11脚为内部电路中的反相器组成的一个晶体振荡器，R2为偏置电阻，为反相器提供工作电压，与200pf的电容和晶振组成JK型反馈网络，若把其中一个电容变为可变电容，可以使振荡频率准确的调整。
晶体振荡器频率为32768的脉冲信号，经过14级2分频（2Hz），所以在第三脚Q14段输出的便是2HZ的变频信号。
CD4060为上电复位芯片，C3为上电复位电容，C3充电时电容相当于断路，12脚上的压降很高，CD4060复位，当C3充电完毕时，电容相当于短路，12脚压降很小，不能复位。
整个电路的脉冲由CD4060提供振荡器较放大器无需外加信号，就能自动产生一定频率、一定振幅和一定波形的交流信号。
五、CW7809三端稳压器的简介
1、CW7809的结构
2、CW7809的简介
集成稳压器有多种类型。
按稳压原理不同，可分为串联调整式、并联调整式、开关调整式；按引出端数不同，可分三端集成稳压器和多端稳压器；按封装形式不同，可分金属装和塑料装。
此次所选为固定式三端稳压器。
LM7809内部就是一个串联型晶体管稳压电路，除了基准、取样、比较放大和调整外，还有较完整的保护电路。
稳压器只有输入端1脚，输出端2脚，公共端3脚，三个引出端。
次产品是正电压输出。
电容C12200uF为输入端的滤波电容，电容C20.33uF用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，同时又能滤除高频杂波。
为了保证稳压器正常工作，输入与输出电压之间至少相差2～3V。
稳压器最大输入电压一般不能超过40V。
六、单相可控硅（MCR100-6）
单相可控硅——SCRS器件型号MCR100-6封装形式：
TO-92package→脚位排列：
C-G-A，
主要参数：
电流——IT（RMS）：
0.8A；电压——VDRM：
≥400V；触发电流IGT：
10～30/30-609（mA）。
第二章单元电路介绍
2-1电源部分
一、电源部分
1．电路图
2、电源部分电路分析
在电源、放大控制电路原理图中，框图内为电源部分电路，电源220V交流电经过变压器变压，降压后，由变压器次级输出9.5V的交流电压，经过V1-V4整流后再经过电容C1滤波，经7809的1脚，由3脚输出，测得2脚电压为9V，电容C2是用来抵消输入端的电感效应，滤波后的直流电压虽已变得比较平滑，但不能确保它是稳定的，故加此电容进行二次滤波。
电源这块因为经整流变化时，就会引起输出电压的变动，为了保证输出电压的稳定，通常在整流电路之后再加上稳压电路。
电子设备中所用的直流稳压电源，通常都是由电网所提供的交流电经过变压、整流、滤波和稳压以后得到的。
整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路可减小脉动使直流电压变得平滑，稳压电路的作用是使直流电源的输出电压稳定，基本不受电网电压或负载变动的影响。
2-2脉冲发生部分
1．电路图
2．脉冲部分的电路分析
脉冲电路由CD4060与外接晶体振荡器及外部电路共同组成。
CD4060为14位二进制串行计数器，同时也为分频器。
它的最高分频十脚输出的Q14，为214=16384Hz，而外接晶体振荡器与电阻及电容共同构成频率为32768Hz的外接振荡器。
由于555电路在长时间定时的精确性不是太高，而CD4060与外接晶振组成的电路适用于长时间定时电路。
CD4060的10脚与11脚的内部电路中的反相器组成一个晶体振荡器，R2为偏置电阻，为反相器提供工作电压，与电容和晶振组成JK型反馈网络。
晶体振荡器产生的32768Hz的脉冲信号由3脚分频输出2Hz的脉冲信号送给下一个工作点。
此电路是采用上电复位形电路。
在电路接通电源时，电源给电容充电，在充电瞬间，由于电容通交隔直的特性，电容两端的电压很高，使CD4060的12脚呈现高电平，此时电路复位。
随着充电的进行，电容两端的压降下降，使CD4060的12脚呈现相对的低电平，从而使整个电路工作在正常状态。
2-3时间设定部分
1．电路图
2、时间设定部分电路分析
时间设定部分由两片CD4518构成计数部分，有三个BCD拨码开关对时间进行设定，CD4518的计数信号是由脉冲发生部分输出的2HZ信号，信号输入第一个CD4518的9脚，经过再次分频为1HZ信号从11脚输出，一路供给计数、译码电路，另一路接自身2脚，开始计数，2Q3端为二进制BCD码计数器的高位Q3端，在十进制计数中只有8、9，即Q3、Q2、Q1、Q0为二进制1000和1001是Q3为高电平，当下一个脉冲到来时Q3、Q2、Q1、Q0为0000，Q3刚好发生翻转为低电平，送入另一个CD4518的第一位EN2端10脚也就是十位，十位开始计数，这也正好是个位的进位脉冲信号。
当十位计数达到9时，也同上述一样，从1Q3端6脚输出一个低电平，给第二位一个脉冲信号，使百位开始计数。
CD4518的7、15脚为复位端，接R5上的上电复位信号，三位BCD拨码开关的8、4、2、1脚接CD4518的Q3-Q0脚，因为二极管的单向导电性，计数器的计数信号不能反串到拨码开关，而拨码开关的设定信号可以传到计数器，使R5左端的电位降低，所以当计数器的数值达到设定值时，12个二极管全部截止，在R5左端这里产生一个高点平信号来驱动放大电路的三极管V7（9013），如果计数的数值与设定值不同时，12个二极管至少有一个会导通，R5的左端就不会有高电平产生，从而也就驱动不了V7（9013）。
2-4计数、译码、显示部分
1．电路图
2．计数、译码、显示部分电路分析
从图中可以看出此电路主要由DC4553计数、锁存、多路复合器、CD4511译码驱动电路以及共阴极LED显示三部分组成。
1Hz信号由CD4518的11脚送入CD4553的12脚，从9脚、7脚、6脚、5脚产生8421BCD端控信号。
而电容经3脚、4脚与内部振荡电路产生一个1Hz扫描信号（位选通信号）分别送给15脚、1脚、2脚，再由这三个脚输出相应的信号去控制V9、V10、V11导通与否。
该位选通信号为固定信号。
CD4511经7脚、1脚、2脚、6脚接受段控信号经过内部译码分别送给LED的a、b、c、d、e、f、g,从而使LED显示相应的数字。
三个LED管并联接在电路中，所以CD4511送出的信号同时给三个LED数码管，使它们显示同样的笔段。
但由于位控，使得每个时刻只有一个LED数码管显示笔段。
而我们看到它们同时亮，是因为人眼很难辨别25帧/秒的显示速度
2-5放大输出部分
1、电路图
2、放大输出部分电路
（1）栓锁信号：
当计数值达到设定值时，由时间设定电路中比较部分产生一个高电平信号。
（2）驱动信号送入V7（9013）三极管的基极，当数值达到导通电压时，V7（9013）进入饱和状态，从发射极取出信号经限流电阻R1、R2进入可控硅V6、V8，V6导通驱动继电器动作，常开闭合，常闭断开，接通外部电路，由于继电器显感性，为电能元件，所以在V6动作频率高的情况下，为了缩短继电器的恢复时间，加一个续流二极管V5。
之所以将继电器放在稳压电源7809的前面，是为了减小稳压电源7809的负载。
V8导通是将取得的信号送到计数器CD4553的10脚进行锁存，使显示器显示停止在设定数值上。
可控硅不仅具有硅整流器的特性，还能以小功率信号来控制大功率系统，可作为强电和弱电的接口，高效的完成对电能的变换和控制，它主要应用于可控整流、逆变电源、交流调压、斩波器和无触点开关这几个方面，本电路中可控硅做无触点开关作用。
第三章整机电路
3-2元件清单
序号
代号
名称
型号规格
数量
备注
单价（元）
1
R1
电阻
3M
1
0.10
2
R2
电阻
2M
1
0.10
3
R9～R9，R13
电阻
680Ω
8
0.10
4
R10～R12
电阻
10K
3
0.10
5
R14
电阻
200K
1
0.10
6
R15、R17
电阻
100K
2
0.10
7
R16、R18
电阻
20K
2
0.10
8
C1
电容
2200uf
1
1.50
9
C2
电容
100uf
1
0.60
10
C3
电容
103
1
元片
0.01
11
C4、C5
电容
201
2
元片
0.01
12
C6
电容
100pf
1
元片
0.01
13
V1～V5
二极管
1N4007
5
0.50
14
V6
三极管
9013
1
NPN
0.30
15
V7、V8
晶闸管
MCR100-6
2
1.00
16
V9～V11
三极管
9012
3
PNP
0.30
17
V12～V23
二极管
1N4148
12
0.50
18
IC16
底座
16脚
5
0.20
19
K
继电器
JRF4078
1
2.00
20
IC1、IC2
计数器
CD4518
2
2.50
21
IC3
计数器、锁存多路复合器
CD4553
1
7.00
22
IC4
译码器
CD4511
1
3.00
23
IC5
14分频器
CD4060
1
2.00
24
IC6
三端稳压器
CW7809
1
1.00
25
X
晶振
32768HZ
1
0.25
26
SB
按钮开关
常闭
1
0.50
27
SK1～SK3
拨码开关
3
2.00
28
LED
显示器
TBC5613H
1
共阴极
3.00
3-3电路的改进
在调试维修电路中每次拨码开关重新赋值时都要断掉电源，我们可以在电源部分加一个开关SB来控制，当拨码开关重新赋值时只要按下开关SB即可。
在整机电路已体现。
3-4总结
通过这个课题的设计，让我对数字电路及模电有了进一步的了解，并使我的知识面有了一定的扩展，更重要的是将这些知识融会贯通，并在实践中进一步对所学的知识进行论证。
学院通过课题设计让我们对以前所学的理论知识得到验证的机会，更重要的是锻炼一个人独立思考、独立操作、独立完成的能力，也学到了对待一个新事物怎么去一步一步的把它化整为零，再运用所学的知识去解决它，也启发了我的创造能力，告诉我不要拘于在现成，要创新，使所研究的东西越发完善，功能越发齐全，并不断的提出自己更为先进的构思来给大家研究。
在本课题设计学习中，我掌握了常用电子元器件选择方法和设计计算过程，模拟电路和数字电路的综合运用，提高了自己独立完成设计方案、产品调试的能力，能正确运用Protel99绘制电路原理图。
在设计过程中，我不但了解了数字电路的奥妙，而且能通过数码管显示出确切计时的数字以及秒脉冲的产生过程，设定时间与计时时间之间是怎样比较、栓锁的，以及译码驱动是怎样实现的。
特别是对译码驱动有了更多的了解，在译码驱动部分我们选用CD4511，它是将BCD（二一十进制码）译成七段码（a一g），驱动三位共阴极LED数码管，在电路板的制作过程中我和我的组员虽然遇到了一些故障，但我们都一一排查了，同时也积累了一些排除故障的经验。
3-5参考文献
1．《电子电路基础》，中国劳动社会保障出版社；
2．《数字逻辑电路》，中国劳动社会保障出版社；
3．《常用数字集成电路手册》，清华大学出版社；
4．《常用数字集成电路原理与应用》，人民邮电出版社。
（注：
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