三位数显示计时器定时器数电课程教学设计.doc

.\ 沈阳航空航天大学 课 程 设 计 三位数字显示计时器定时器设计 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 电子线路课程设计 课程设计题目 三位数字显示计时器定时器设计 课程设计的内容及要求： 一、设计说明与技术指标 设计一个三位数字显示计时器、定时器电路，技术指标如下： ① 计时、定时能够任意启停，保持计时、定时结果； ② 开机自动复位； ③ 最大显示时间为9分59秒； ④ 设置时间，定时报警； 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. 童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006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 12月 31日 一、概述 此次课设题目为及时定时系统，计时器和定时器在人们日常生活中有着广泛的应用， 本次课程就是设计利用555定时器以及数字逻辑芯片和数码管实现数字电子计时器和定时器功能，能够满足基本的功能要求，电路要求由可控脉冲发生器、计数电路，显示数码管电路以及报警电路组成。旨在通过这次课程设计实现知识的活学活用，能够将知识运用到实践中去，数字电路分为组合电路和逻辑电路，而本次课设则是基于对逻辑同步或者异步知识的掌握，能够根据题目选用相应的芯片，设计相应的电路，是本次实验最大的目的。 二、方案论证 方案一：使用数字电路的原理设计本方案，方案一利用555定时器以及数字逻辑芯片和数码管实现数字电子计时器和定时器功能，电路要求由可控脉冲发生器、计数电路，显示数码管电路以及报警电路组成。使用555多谐振荡器产生脉冲信号，使用数字芯片进行计数，通过LED进行报警最后使用显示译码器显示计数。所以一共有四部分组成。 图1 总体电路的原理框图 方案二： 方案二采用单片机编程进行设计实现计时器或者定时器的设计。 本设计采用的是方案一，由于本学期只掌握了数字电路的学习，对于单片机的知识有生疏，所以采取方案一实现计时器定时器的设计。 3、 电路设计 3.1电路设计总体方案 3.1.1设计基本思路 本次设计功能为计时器与定时器，对于计时器来说，可以认为是一个计数器的应用，通过脉冲源产生方波信号，让信号作用于计数芯片实现计数功能，同时，为了满足三位数显示计时器，需要用到数码管，为了实验电路的简单可操作性，采用自带译码器功能的显示数码管，通过计数器的串行连接以及对于进制的设置实现最大输出9：59。控制电路采用简易开关控制脉冲的接入，可以随时暂停，启动。报警系统采用发光二极管实现，通过高低电平实现对于二极管亮暗的控制。定时器在报警电路，脉冲源，控制电路中使用相同的元器件，但是计数功能发生改变，通过使用74LS192实现减法计数器的功能，用置数法实现最大值9:59的设置。 3.1.2 设计总流程图 图2 总体电路的原理框图 3.2 555多谐振荡器，74LS160，74LS192介绍 3.2.1 555多谐振荡器 555多谐振荡器采用555芯片，通过电阻和电容的计算周期，使之产生周期脉冲，555多谐振荡器的3引脚为脉冲输出口，将之引入计数器脉冲端，从而实现计数功能。 图3 555多谐振荡器电路框图 3.2.2 74LS160 160为可预置的十进制计数器，共有54/74160 和54/74LS160 两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如表3-1(不同厂家具体值有差别): 74LS160的主要电器特性 异步清零端/MR1 为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。 160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。 3.2.3 74LS192 192为十进制可逆加减法计数器，通过使能端的控制，实现加减法控制，通过555脉冲加入脉冲端实现计数，从而控制显示译码器产生十进制数。 定时器电路采用的是双时钟方式的十进制可逆计数器74LS192，其中74LS192的VCC与分别为电源、地引脚；P0、P1、P2、P3为并行数据输入端；Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端；CPD为减法计数脉冲输入端；PL为异步预置输入控制端（低电平有效）；MR为异步清零复位输入控制端（高电平有效）；TCU为进位输出端（低电平有效）；TCD为借位输出端（低电平有效）。 3.3 数字逻辑控制，脉冲信号产生，计数器计数和数码管显示模块 3.3.1报警系统模块 计时器运用的报警原理为：本次报警实现的是60s报警的任务，计时器为从0:00开始计时，当计时器计时到8:59时，根据进位要求，接下来的状态为9:00，即当分位显示为9是，即为00到59的60s计时，故只要满足分位为9即可满足60s计时的报警功能，分位为9即1001，当输出为1001是与门输出为高电平，发光二极管阴极接地，阳极为高电平，导通，发光报警。 图4 计时器报警电路的框图 定时器同样实现的最后60s报警的功能，由于定时器为从9:59开始倒计时，故当分位显示为0时候，后两位为59，即可实现从59-00的倒计时功能，当分位为0是，二进制为0000，输出为0，通过反相器呈现高电平，加到二极管的阳极，阴极接地，二极管导通，故发光报警。 图5 定时器报警电路的框图 3.3.2脉冲信号产生模块 多谐振荡器为自激振荡电路，可以利用自身的作用产生脉冲信号，常被用作信号源使用。 其中根据公式T=（R1+2*R2）*C*ln2以及秒脉冲的周期T=1s可以算出电阻R1=R2=47K，电容C=10uF。 图6 555多谐振荡器电路的波形图 3.3.3计数器计数模块 计数器计时通过74LS160实现十进制加法计数，后两位为60进制计数器，通过置零法加入与非门实现60进制，然后进位输出给第一位实现9:59的最大计时。计时器运用置零法，计时器为从0：00开始到9:59为止，首先秒需要实现60进制，所以运用置零法，将第二个芯片变为0-5循环，原本的74LS160为十进制加法计数器，从0开始计数，接受到第6个脉冲之后变为0110，产生置零信号加入RD端，重新返回0即可实现0-5循环。 图7 计时器计数电路的原理框图 计数器定时通过74LS192可逆十进制加减法计数器实现定时，忽略加法计数功能，实现减法计数器的功能。后两位同样为60进制，进位输出到第一位最后实现0:00的定时功能。计数器：计数器初态为0101，选择串行进位法，当进入1001状态下译出LD=0的信号加到置数端，下一个CLK到来前置入0101信号，从0101-1001进行循环，进制为5*10+10=60进制。 图8 定时器计数电路的原理框图 3.3.4 显示器模块 在显示译码器部分在仿真的时候采用带有译码功能的显示器进行计数，但是在硬件连接过程中发现没有实际物件，所以在硬件连接部分采用74LS47译码器驱动数码管进行显示。数码管的驱动电路所采用是共阳极的七段译码器74LS47，可以直接与共阳极的数码管连接。其中74LS47的OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG脚为输出端分别接到数码管的A、B、C、D、E、F、G脚上。 图9 译码器显示电路仿真图 四、性能的测试 1.计时器测试：当启动时，打开开关，脉冲进入，显示数码管开始从0:00开始计时，直到显示9:59计时停止，性能良好，可以完美的显示所要的功能，当剩60s时，发光二极管亮灯，启动报警装置，通过开关实现开机复位以及随时暂停启动的功能。 图10 定时器9:59停止电路仿真图 2.定时器测试：当启动时，打开开关进行置数，显示数码管从9:59开始定时，直到显示为0:00停止，性能良好，当倒计时60s时启动发光二极管实现报警装置，通过开关配合实现开机自动复位以及暂停启动功能。 图11 定时器0:00停止电路仿真图 3.多谐振荡器测试 表1多谐振荡器电路测试数据表 R1（KΩ） R2（KΩ） C1（uf） C2（uf） 频率（Hz） 周期(s) 47K 47K 0.01 10 1 1 五、结论 计时器电路有脉冲产生电路，计数电路，报警电路，控制电路四部分组成，有555多谐振荡器产生脉冲信号加到计数器芯片上，当开关闭合即为启动，加入方波信号，输入最后一个芯片中，从0-9开始循环，当最后一个芯片到达9后串行进位输入到第二个芯片中，芯片从0-5开始循环，到达五之后，秒进制变为60进制，分为第三个芯片开始启动从0变为1，显示译码器显示输出的数字即可。 定时器电路有脉冲产生电路，计数电路，报警电路，控制电路四部分组成，有555多谐振荡器产生脉冲信号加到计数器芯片上，当开关闭合即为启动，加入方波信号，输入最后一个芯片中，由于是减法计数器，初始状态为9，加入脉冲以后，从9开始减法计数，当从9-0循环结束后，，启动第二个芯片，第二个芯片从初始值的5开始减法计数变为0，然后传到第一个芯片开始启动。 6、 性价比 本次设计主要采用74LS160及74LS192芯片，相对而言，价格比较便宜，通过本次设计可以实现现实生活中的计时器与定时器功能，并且性能良好，可以随意控制，所以设计性价比优，可以广泛使用。 七、课设体会及合理化建议 整个设计通过了软件和硬件上的调试，我想着对于自己以后的学习和生活都会有很大的帮助，在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上的理论性的东西与实际操作还是有一定的出入，所以这些问题不但要深入的理解，而且还要不断的更正之前错误的思维，一切问题必须靠自己一点一滴的解决，而且在解决中你会感觉到自己飞速的提升。通过这次课设我也发现自己的不足之处，虽然理论方面存在优势，但是在实践操作上还是有所差距。 参考文献 [1] 阎石主编. 数字电子技术. [M]北京：高等教育出版社，2006年 [2] 陈振官等编著. 新颖高效声光报警器. [M]北京：国防工业出版社，2005年 [3] 童诗白编著，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年 [4] 王连英等编著，姜三勇主编．Multisim12电子线路设计与实验．[M]北京：高等教育出版社，2015年 [5] 贾鹏编著，石会主编．数字电路与系统设计．[M]西安：西安电子科技大学出版社，2016年 [6] 孙梅生编著．电子技术基础课程设计．[M]北京：高等教育出版社，2000年 附录I 总电路图 附录Ⅱ 硬件实物图 附录III 元器件清单 序号 编号 名称 型号 数量 1 U2 加法计数器 74LS160 3 2 U3 可逆计数器 74LS192 3 3 U5 显示数码管 DCD-HEX 6 4 U9A 集成与门 74LS08 5 5 U8A 集成与非门 74LS00 2 6 U13A 集成与非门 74LS10 1 7 U1 信号源脉冲 LM555CM 2 8 U10A 集成非门 74LS04 1 9 R1&R2 电阻 680Ω 6 10 C1 电容 0.01uf 2 11 C2 电容 10uf 2 12 S1 开关 单刀开关 3 13 LED1 发光二极管 LED1 2