数显声响式定时器.docx
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数显声响式定时器
电子技术综合课程
设计
课程：
电子技术综合课程设计
题目：
数显声响式定时器
所属院（系）电气工程学院专业班级
姓名学号：
指导老师
完成地点物电学院实验室
2014年07月9日
任务书
数显、声响式定时器
一、任务和要求：
设计并制作一个数显、声响式定时器，要求如下：
1、用压控陶瓷蜂鸣器作为电声元件，电路具有15秒定时功能；
2、用一只数码管及一个发光二极管表示时间计时，格式如下：
初始时LED及数码管均不亮，按开始键后数码管显示5同时二极管亮。
然后开始倒计时计数；
3、具有最后3秒报时功能。
要求响半秒、停半秒共三下；
4、电路应具有开机复位或手动复位功能；
5、自制1秒信号源及制作本电路所用直流稳压电源，用AC220V供电。
一、提示和参考文献：
《数字电子技术实验任务书》实验四
《数字电子技术实验任务书》实验六
直流电源见参考资料P23
前言
电子技术课程设计是一个重要实践环节，主要让学生通过自己设计并制作一个实用电子产品，巩固加深并运用在“数字电子技术”和“模拟电子技术基础”课程中所学的理论知识。
在本次电子技术课程设计中我的题目为数显、声响式定时器。
它是一种在生活中非常常见的电子设备，在许多场合中都能见到它的身影。
现在市面上的定时器非常多，这些设备虽然在外形上各有不同，但在功能上主要还是为了实现倒计时以及在设定时间到来时完成提示工作，所以对这些设备的研究与了解对于我们来说是非常有必要的，再加上它里面所涉及的内容绝大多数都和我们所学习的专业基础课程有关，所以此次课程设计是对我们将所学知识运用到实际生产生活中的一次能力检验。
1.方案论证
1.1方案一
如图1.1所示，直接由555定时器产生平率我1Hz占空比为50%的方波信号，由74LS192主控倒计数，JK触发器控制LED和74LS192的复位，与非们控制计数停止。
图1.1
1.2方案二
如图1.2所示，信号先由555定时器产生频率为10HZ的矩形脉冲，再经过十分频，输出频率为1Hz，占空比为50%的方波信号，由74LS192主控倒计数，JK触发器控制LED和74LS192的复位，与非门控制计数停止。
图1.2
1.3确定方案
从准确角度来说方案二要优于方案一，因为方案二时钟信号经过十分频，误差更小、占空比更准确，但单就任务书而言，方案一就足够了，并且方案一所使用的芯片少，简单、实用，因此我们选择方案一。
2.理论设计
2.1电源电路的设计
如图2.1所示，电源是任何一个电路的能源基础，所以一个电路电源的设计在电路的总体设计中是十分重要的，电源的好坏直接影响着电路能否正常工作。
此次我们采用AC220V供电，通过变压器TRAN-2P2S降压后经过整流桥DF005M整流，再由滤波电容滤波后通过三端稳压芯片7805稳压，最后在用滤波电容滤波后输出5V直流电。
图2.1
2.2信号源的设计
如图2.2所示，由任务书的要求电路要具有15秒的定时功能，并且最后3秒有报时功能，要求响半秒、停半秒共三下。
所以信号源因是周期为1秒占空比为50%的方波信号。
周期的计算公式为：
T1=R1CLn2、T2=R2CLn2、T=（R1+R2）Ln2。
2.3显示电路的设计
如图2.3所示，显示电路是主要负责用来显示定时时间的部分。
使用74LS192进行减法计数，74LS47芯片的BI/RBO、RBI、LT管脚接高电平，QA到QG的7个管脚分别对应连接7段显示数码管。
74LS192芯片的TCD管脚通过反相器连接74LS112（U1:
B）芯片的CLK管脚，74LS112（U1:
B）芯片的S管脚接复位信号，R管脚接高电平，Q管脚接LED。
当电路复位时显示数码管显示5，
图2.2
LED亮。
当计数按钮按下后电路开始倒计时计数，当计数从10变到9的过程中74LS192芯片的TCD管脚输出一个低电平的借位信号，再由反相器反相后变为高电平，当计数变到9后TCD管脚的借位信号消失变为高电平由反相器反相后变为低电平，这样就给74LS112（U1:
B）的CLK管脚输入了一个下降沿，这时Q管脚由原来的输出高电平变为低电平LDE熄灭，当再按下复位开关后电路复位数码管再次显示5、LED亮。
图2.3
2.4声响电路的设计
如图2.4所示，声响电路的功能是在最后3秒钟响半秒停半秒，那么74LS192的Q0、Q1、Q2、Q3管脚的输出应为0011、0010、0001并且LED熄灭，通过真值表和卡诺图化简后就可得到图2.4用与门、或门、非门组成的逻辑电路，把逻辑电路的输出结果和74LS112（U1:
B）的Q’管脚的输出和占空比为50%的时钟信号相与，即可实现最后三秒响半秒、停半秒的报时功能。
图2.4
2.5控制电路的设计
控制电路主要可以分为复位电路和停止电路两部分。
这两部分也是整个电路中我主要负责的部分。
我设计思路就时从电路的功能出发逐步来实现具体的电路。
那么首先我来讲复位电路部分如图2.5.1所示。
在设计这部分电路时我首先分析整个电路的功能，电路要实现15秒的定时功能，初始未上电时数码管，和LED均不亮，上电后电路要自动复位，数码管显示5、LDE亮，然后按下计时按钮电路开始计时，当计时完毕后数码管显示0、LDE灭，这时按下复位按钮后电路应该能够重新变回数码管显示5、LDE亮的状态等待下一次的计时信号的到来在开始计时。
考虑到使用的方便性我决定用一个按钮来实现复位和计时的功能，所以我使用了74LS112（U1:
A）芯片，并将它的J、K管脚都接高电平从而使JK触发器变成T触发器，这样只需要通过按钮开关产生的下降沿信号就可以改变触发器的输出状态，从而实现输出复位信号和计时信号的功能。
下面来详细分析电路的接法和工作原理，首先将74LS112（U1:
A）芯片的S管脚接高电平，J、K管脚都接高电平，R1和按钮开关构成手动复位电路，CLK管脚连接在电阻R1和按钮开关之间通过按钮开关接地，C1和R2组成的积分电路构成上电复位电路，S管脚连在C1和R2之间通过C1接地。
当电路未上电时电容C1上的电压为0，由于电容的物理特性——电容上的电压不能突变，所以当电路刚上电时电容上的电压仍然保持低电平，这时R管脚低电平有效Q管脚输出低电平的复位信号，随着上电后电容充电S管脚上的电平变为高电平，Q管脚任保持低电平输出复位信号，输出复位信号时74LS192芯片的PL管脚有效74LS192芯片被置数，同时使控制LDE亮，到此上电复位的过程结束。
随后当按下按钮开关后，因为按钮开关的一端接地所以当按钮开关导通时会在74LS112（U1:
A）的CLK管脚产生一个下降沿，这时Q管脚输出的电平翻转复位信号消失74LS192芯片开始减法计数，如果在计数到0以后或在计数途中再次按下按钮开关，那么按钮开关与地导通后又会在CLK管脚产生一个下降沿，Q管脚输出的电平又会翻转再次输出复位信号。
这就是手动复位的过程。
图2.5.1
接下来我介绍停止电路电路如图2.5.2，因为74LS192芯片是十进制同步加/减循环计数器，所以如果没有停止电路74LS192芯片会不断循环计数，然而我们的电路功能要求是在显示数码管显示0、LED熄灭的时后停止，所以必须设计停止电路。
首先分析电路停止的条件，因为电路的功能是实现15秒的定时器所以电路应该在设定的时间减到0时停止。
而我设计停止电路的思路是在十位为0、个位为0时让连接74LS192芯片的DN管脚的时钟信号消失，这样74LS192芯片的计数就停止了。
图2.5.2
下面来详细分析电路的接法和工作原理，当电路计数为0时，74LS192芯片的Q0到Q3管脚都输出低电平，74LS112（U1:
B）的Q管脚输出低电平，Q’管脚输出高电平，首先我把Q3和Q2接或门U4:
A的两个输入端，把Q1和Q0接或门U4:
B的两个输入端，再将或门U4:
A和或门U4:
B的输出端接或门U4:
C的两个输入端，接着将74LS112（U1:
B）的Q’管脚接反相器后与或门U4:
C输出端接或门U4:
D的两个输入端，最后把或门U4:
D的输出结果和时钟信号接与非门U6:
A的两个输入端，把与非后的结果作为新的时钟信号作用于74LS192芯片的DN管脚。
因为与非门的特点是只要有一个输入是低电平输出就为高电平，这样当Q0到Q3管脚都输出低电平并且Q’管脚接反相器后输出低电平时或门U4:
D输出低电平，这时与非门U6:
A的输出就保持高电平不受时钟信号的影响，74LS192芯片就停止计数了。
2.6整体电路初稿
如图2.6所示，把所有的单元电路按照逻辑关联方式联系在一起，电路便可以从15开始倒计时，并且后三秒半秒响半秒停半秒，开机或按钮开关可复位。
74LS192的借位端控制发光二极管在74LS192从5到0时发光，所以借位端接JK触发器的CLK端，使其每一次从0到9变化时，都有一次反转来控制二极管；蜂鸣器要求在后三秒半响半停，使用与门电路即可实。
图2.6
3.仿真调试
3.1软件介绍
Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
②支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
ARM7（LPC21xx）、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。
③提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2、MPLAB等软件。
④具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大
Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。
此系统受益于15年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“TheRoutetoPCBCAD”。
Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。
用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
其功能模块：
—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARESPCB设计。
PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUSVSM:
便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。
此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型.
1.支持许多通用的微控制器，如PIC,AVR,HC11以及8051；
2.交互的装置模型包括：
LED和LCD显示,RS232终端,通用键盘；
3.强大的调试工具；包括寄存器和存储器,断点和单步模式；
4.IARC-SPY和KeiluVision2等开发工具的源层调试；
5.应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件。
3.2调试方法与步骤
首先把每个小组成员设计好的的单元电路输入仿真软件中，先对单元电路进行调试，并使用仿真软件中的电源、时钟信号、电压表、示波器等工具检测单元电路是否能够正常运行，确保能够正常运行后再将单元电路与以检测的其他单元电路相连，如果存才故障应先解决故障在接入电路中。
当所有单元电路的故障都排除后将所有单元电路连接成整体电路再用仿真软件进行测试并排除故障。
3.3故障及其处理
在仿真调试中主要发现并排除了三个故障，首先是在反相器芯片的选取上，因开始没有认真查看芯片的说明书所以在选择反相器时过于随便的选择了7406芯片，导致电路在仿真时多处出现灰点，后来在指导老师的帮助和提示下，经过查找资料我们将反相器换位了更为常用的74LS04，问题得到了解决。
第二个问题是在最初的设计中没有加U5:
B这个反相器，导致当个位计数值从0变到9时产生了周期并非1秒的跳变，随后在认真分析和查阅了74LS192芯片更能说明书了解了74LS192芯片的TCD管脚输出借位信号的具体方式后在74LS192芯片的TCD管脚与74LS112（U1:
B）的CLK管脚间安装了反相器后计数恢复正常，问题得到解决。
小结
经过两周的努力，我们终于完成了课程设计任务。
在做课程设计的过程中我与小组成员合作的非常融洽，这让我体会到了合作的重要性，在未来的工作中我们还会遇到更为复杂电路设计，如果都由一个人来完成的话那工作量将会是非常大的而且效率也会非常低，因此我们采用了模块化的设计方式，将整个电路分成了4大部分，分别是段元电源部分、信号源部分、控制部分、数显声响部分，这4部分分别由小组4个成员来完成，在制作前我们先沟通和讨论确定各个部分之间的接口连接问题，在建立了统一的接口标准后大家分别制作自己的部分，通过仿真调试成功后将各个部分组装起来构成完整的电路。
除了团队合作的体会外，本次的课程设计还让我学会了很多，我较熟练的掌握了使用仿真软件Proteus，学会了如何在网上查找和阅读各种芯片的功能和使用说明书，对本学期学习的“数字电子技术”和上学期的“模拟电子技术基础”进行了巩固和复习。
体会的了实验的乐趣，对74LS192、74LS47、74LS112、7805芯片和各种或门、与门、反相器、与非门等芯片有了更清楚的认识，并学会了如何正确的使用它们。
这次课程设计还让我把书本上所学的知识运用到了实际中来，这让我深刻的体会到了理论与实践相结合的重要性。
比如在制作周期为1秒占空比为50%的方波时钟信号时按照课本的公式（R1+R2）Cln2=1且R1=R2计算，当C=10uf时R大约等于72.5K欧，但是将计算参数输入仿真软件中测试时通过示波器检测到555定时器产生的时钟信号周期大于1秒，实际周期为1.1秒左右存在误差所以还需要对理论值进行调试，当调试到R1=R2=67K欧时通过示波器测试得了周期为1秒占空比为50%的方波信号。
从而保证了信号的准确性，减小了定时的误差。
最后，还要感谢我们指导老师的悉心指导和同学的帮忙，在本次课程设计中我通过查阅资料以及与同学的交流，并向老师请教等方式，使自己学到不少知识。
所以这次课程设计的过程是快乐的，从设计到查找资料，再到连接电路，每一步都是愉快合作的。
俗话说台上一分钟，台下十年功，我感触更深了，本次课程设计受益匪浅。
附录1整体电路图
附录2元件清单
名称
规格
数量
电容
1uF（2个）、1000uF、100uF、10uF、10nF、0.1uF
7
电阻
67K67K1k1k
4
电位器
10K
1
二极管
2
555振荡器
1
7805
1
74LS192
1
74LS47
1
74LS112
1
74LS04
1
74LS32
1
74LS21
1
7400
1
蜂鸣器
1
LED发光二极管
1
7段数码显示管
共阳
1
变压器
1
整流桥
1
附录3器件管脚与功能说明
74LS192
功能表如下
74LS47
74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字。
74LS47为低电平作用。
74LS47真值表
/
DCBA
abcdefg
说明
0
X
1
XXXX
0000000
试灯
X
X
0
XXXX
1111111
熄灭
1
0
0
0000
1111111
灭零
1
1
1
0000
0000001
0
1
X
1
0001
1001111
1
1
X
1
0010
0010010
2
1
X
1
0011
0000110
3
1
X
1
0100
1001100
4
1
X
1
0101
0100100
5
1
X
1
0110
1100000
6
1
X
1
0111
0001111
7
1
X
1
1000
0000000
8
1
X
1
1001
0001100
9
555定时器
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
低触发端TR。
3脚：
输出端Vo
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
高触发端TH。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
555定时器的功能表
清零端
高触发端TH
低触发端TR
Q
放电管T
功能
0
x
x
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
74LS112
74LS112为双J-K触发器
引脚功能描述:
CLK1,CLK2:
时钟输入端（下降沿有效）
J1,J2,K1,K2:
数据输入端
Q1,Q2,/Q1,/Q2:
输出端
CLR1,CLR2:
直接复位端（低电平有效）
PR1,PR2:
直接置位端（低电平有效）
其余芯片管脚图
74LS21
7432
74LS04
7400
升级会员 