最新定时控制器逻辑电路设计.docx

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最新定时控制器逻辑电路设计

定时控制器逻辑电路设计

定时控制器逻辑电路设计

作者：

xxx

指导教师：

xxxxxxx

[摘要]为了能使一起在特定的时间内工作，通常需要人在场干预才能完成。

本课程设计的定时控制器，就是能使你不在时，仪器也能按时打开和关闭。

例如你想用录音机、录像机录下某一时间段的节目，而这一段时间你又有其他事要做，不在家或机器旁边，你就可以事先预置一下定时器。

在几点几分准时打开机器，到某时某刻关掉机器。

本文介绍的定时控制器由数字钟单元、定时单元和控制器单元以及继电器输出单元等几部分组成,并详细介绍了定时控制器的设计方案、功能及在设计过程中所做的改进。

[关键词]数字钟电路；定时电路；控制电路；继电器电路

一.设计任务

设计一个带数字电子钟的定时控制器逻辑电路。

二.设计要求

1.基本要求

1.1具有电子钟功能，显示为四位数字。

1.2可设定定时起动（开始）时间与定时结束（判断）时间。

1.3定时开始指示灯亮；定时结束，指示灯灭。

2.发挥部分

定时范围可以选择，能精确到分钟。

三.说明

1.时间要求：

6月29日至7月2日共1周

2.内容：

完成实际电路，总结报告。

定时控制器由数字钟单元、定时单元以及控制器单元和继电器输出单元等几部分组成。

如图3.1所示为定时控制器系统框图。

图3.1定时控制系统框图

四.方案选择与论证

1.数字中单元电路

一般而言数字钟单元的设计与制作可以采用数字电路来完成,也可以采用单片机来完成.若采用数字电路来完成,其功能主要是依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现,尽管电路复杂，但电路原理及元件连接较为简单，易于以后调试、改正;而采用单片机来设计制作,由于其功能的实现主要是通过软件编程来完成,虽然降低了电路的复杂性,但编程冗长且较难，不易完成，修改调试困难，不易于操作.本电路是以简单的数字逻辑电路为基础，来实现数字钟单元。

方案一：

采用数字电路控制，其原理方框图如图4.1.1所示。

由晶振电路经分频产生1Hz标准秒脉冲。

整个计数器电路，采用74LS系列芯片，由分计数器、时计数器串接而成。

校时电路由分频产生的1Hz脉冲输入，手动进行时和分的调整校正。

再由译码器加数码管组成译码显示部分。

显示器显示器

译码器校时电路译码器

分频器

晶振

图采用数字逻辑电路组成数字钟单元框图

方案二：

采用单片机控制。

采用单片机IO端口，及其控制功能，实现数字钟单元的显时和调时等功能。

其原理方框图如图所示。

图4.1.2采用单片机组成数字钟单元框图

2.定时器定时时间的设定

方案一：

可用逻辑开关（四个一组），分别置入0或1，再加译码、显示电路，就可知其所设定的具体值。

例如，四位开关为“1001”，显示器即显示数字“9”。

因为有译码器与数码管的组合，才能实现定时显示，故电路较为复杂。

方案二：

用8421BCD码拨码开关KS系列器件，拨码开关本身可显示数字，同时输出BCD码。

例如，拨码开关置成“6”，其8421端分别输出“0110”，并有数字“6”指示。

该方案中，只需两组开关（每组4个8421BCD码拨码开关）即可实现定时即显示，电路简单可行。

由于仿真软件Multisim10内，并无8421BCD码拨码开关，若仿真，则第二方案不可行，选择第一方案，第一方案电路复杂，尤其是译码器与数码管的组合，电线较为繁杂，本实验中将此部分不作为重点，定时时间设定电路单元省去译码器与数码管的电路，读取定时时间时，直接由逻辑开关读取置入数值，人为计算获得相应定时时间即可。

读取方法，根据8421BCD码表，将逻辑开关置入的四位二进制数转化为0—9的十进制数。

如果要将此电路做成实物成品，应当首选第二种方案，选用8421码BCD码开关，性能可靠，电路简单，成本低，容易完成。

3.控制器单元

控制器的任务是将计数值与设定值进行比较，若两者值相等，则输出控制脉冲，是继电器电路接通。

由于定时的时间有起始时间和终止时间，所以，为了区别这两个不同信号，采用交叉供电或采用三态门进行控制。

本电路采用交叉供电的方式，简单易行，只要在继电器电路中再串入一个继电器即可，由继电器的闭合与开断,来实现交叉供电，即在定时的起始时间时，该继电器闭合，给起始时间逻辑开关供电，而在定时的终止时间起作用时，继电器断开给终止时间的逻辑开关供电。

以此来区别起始时间信号和终止时间信号。

4.继电器电路

继电器的通、断,受控制器输出控制，当“开始定时”设定值到达时，继电器应该接通。

而当“定时结束”设定值到达时，继电器应断开。

其定时波形如图4.4所示。

继电器的触点可接交流、直流或其他信号。

继电器接通

定时开始定时结束

图4.4定时波形图

五.电路的功能单元设计

1.数字钟单元

1.1秒脉冲发生器

秒脉冲发生器是数字钟单元的核心部分，它的精度和稳定度决定数字钟的质量。

通常用晶体震荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。

如晶振为32768Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出。

本电路由U1CD4060分频器及U274LS112触发器将32768Hz的晶振进行分频，获得1Hz秒脉冲。

电路图如图所示，开关S1处输出1Hz脉冲。

图秒脉冲发生器

1.2分、时计数器

这一部分电路均使用中规模集成电路74LS系列实现分、时的计数。

其中分为六十进制，时为二十四进制。

U3，U5,U7,U8均为74LS90十进制计数器，U4,U6均为74LS92十二分频计数器。

秒脉冲通过U3,U4,U5和U6进行分频。

其中U3和U5为74LS90十进制计数器，以“除六”方式工作。

U3,U4,U5和U6的输出方波频率分别为1/10,1/60,1/600,1/3600Hz。

U7和U8为二十四进制，其时间显示从00到23。

其电路图如图所示。

图分、时计数器电路

1.3译码显示

所有计数器的译码显示均采用BCD-七段译码器，显示器采用共阴或共阳数码管。

U5-U8输出的BCD码被分别接到U9-U12。

U9-U12均为74LS48BCD-七段译码器电路，由它驱动七段共阴LED数码管。

四个数码管给出从00：

00到23：

59的时间显示，而D1和D2为发光二极管显示，用来显示秒脉冲。

电路图如图所示。

图译码显示电路

1.4校正时间电路

在刚刚开机接通电源时，由于时分为任意值，所以，需进行调整。

置开关在手动位置，分别对时、分进行单独计数。

计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。

在本电路中，开关S1用来预置时间，当它置于位置A时，数字钟处于正常状态；当他置于位置B时，给出1Hz的脉冲到分计数器U5；当它置于位置C时，它给出1Hz的脉冲到小时计数器U7。

2.定时器定时时间的设定

定时器控制的功能是将数字钟的时间与预置的开、关时间进行比较，并完成相应的开关动作。

在定时器预置开关电路中，有两组开关——其实定时时间开关和终止定时时间开关。

每组有四个开关（逻辑开关J1-J8，J1-J4为其实定时时间开关，J5-J8为终止定时时间开关开关）。

根据需要设置的定时时间，由8421BCD码表，将0—9的十进制数转化为四位0-1二进制数，分别置入逻辑开关即可。

例如定时时间为“09：

30”即在4个逻辑开关相应依次输入“0000”，“1001”，“0011”，“0000”。

3.控制器单元

控制器的任务是将计数值与设定值进行比较。

U8-U5数字中输出和定时逻辑开关输出是通过异或门74LS86（电路图中U18-U21）进行一位一位的比较，当定时开关时间到，即所有的值全相等时，在74LS30与非门（图中U23）输出端输出一个负脉冲，使控制触发器74LS112（图中U24）变为高电平。

双下降沿JK触发器74LS112，在时钟脉冲CP的后沿（负跳变）发生翻转，它具有置0、置1、计数和保持功能。

JK触发器的状态方程如式所示。

74LS112引脚排列如图。

功能如表所示。

公式JK触发器状态方程

J和K是数据输入端，是触发器状态更新的依据，若J、K有两个或两个以上输入端时，组成“与”的关系。

Q与为两个互补输出端。

通常把Q＝0、

的状态定为触发器“0”状态；而把Q＝1、

定为“1”状态。

图JK触发器74LS112引脚图

JK触发器一般都有异步置位、复位端，作用是预置触发器初态。

当不使用时，必须接高电平（或接到电源+5V上），不允许悬空，否则容易引入干扰信号，使触发器误动作。

表5.3.374LS112功能表

输入

输出

D

D

CP

J

K

Qn+1

n+1

0

1

×

×

×

1

0

1

0

×

×

×

0

1

0

0

×

×

×

φ

φ

1

1

↓

0

0

Qn

n

1

1

↓

1

0

1

0

1

1

↓

0

1

0

1

1

1

↓

1

1

n

Qn

1

1

↑

×

×

Qn

n

4.继电器电路

由控制电路作用，使控制触发器74LS112（图中U24）变为高电平,即Q为高电平，使得继电器RL1和RL2接通，定时器开始定时。

RL1的接通，使得+5V从加入“起始定时开关”而转加到“终止定时时间开关”上。

由于控制触发器74LS112（图中U24）中Q=1（

=0），使定时器的“定时开始指示灯”亮。

当时间运行到“终止时间”设定值时，74LS30与非门（图中U23）输出端又一次输出一个负脉冲，使得控制触发器74LS112（图中U24）翻转，即Q=0。

U24的低电平使T1和T2关断，RL1继电器释放，又回到定时前的工作状态。

同时Q=0又使“定时结束指示灯”亮。

继电器RL1输出端，一端接起始定时时间逻辑开关，另一段接终止定时时间逻辑开关，由此来实现交叉供电，即在定时的起始时间时，该继电器闭合，给起始时间逻辑开关供电，而在定时的终止时间起作用时，继电器断开给终止时间的逻辑开关供电。

RL2用于外接所需控制的仪器。

按下S3，可以去掉预先存在的“定时”设定。

继电器部分电路如图5.4所示。

图5.4继电气部分电路

六、收获体会和改进意见

课程设计终于完成，在这个过程中我遇到了很多困难，知识的缺乏，对画图和仿真软件的不熟悉等等，这其中得到了指导老师的很多帮助，同时也给我提供了一些建议和意见。

这个课题用到了数字电路方面的知识，通过这次课程设计，使我对TTL74系列、CMOS系列元器件以及其他集成电路有了一定的了解，平时课上的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，所以通过这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

刚拿到课程设计的题目，起初不知该从何下手，经过老师指导设计和对材料的讲解，再到图书馆和网上查找大量资料，才慢慢了解课程设计。

在资料和电脑前思考的过程是苦涩的，在图书馆中查找资料的过程是也是艰辛的，但当课程设计完成时，那感觉是舒服的，才真正理解到没有付出就不会有回报的真正含义，一份耕耘一份收获，有付出才会有回报，这个过程中我也学会了怎样去更有效地学习，怎样和他人探讨，学会了怎样快速高效的搜集自己所需的资料。

其次，通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。

而且，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次课程设计必将成为我学习生涯上一个非常美好的回忆！

只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

我们应该把定时控制器这一项技术学的更透彻一些，能实际的应用到每一个生活角落，不仅仅是这一项，实际生活中有很多对定时器的应用。

我对相关知识还有待提高，自身的不足对生活中的应用有很大的阻碍，我要加紧对自身的提高进行学习，努力做到在对专业知识的掌握和熟练运用。

以后我会主动参加一些实践活动，进一步增强自己的动手能力。

这次课程设计我懂得要具备严谨，大胆，勇于创新的精神。

我从中获益匪浅，学到了小心谨慎，实事求是的态度，也得到了老师和同学的大力帮助和支持，对大家表示由衷的感谢。

本电路是以简单的数字逻辑电路为基础，来实现定时控制功能。

其功能主要是依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现,性能可靠，操作简单，成本低等特点。

但也有不足，比如由数字电路来实现数字钟单元，电路较复杂，电线容易搭接错误，不好修改，以后应多尝试用单片机编程来实现，以此来总体简化电路。

参考文献

[1]李维.数字电路课程设计及实验[M].大连理工大学出版社，2008.

[2]刘午平，刘建清.数字电子技术从入门到精通[M].国防工业出版社，2006.

[3]余孟尝，清华大学电子学教研组.数字电子技术基础简明教程[M].高等教育出版社，2006.

[4]童诗白，华成英，清华大学电子学教研组.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006.

[5]孟涛.电工电子EDA实践教程[M].机械工业出版社，2009.

附录A1：

硬件总图,软件仿真图