數(shù)字電路30s倒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì) NE555+74LS192等芯片

設(shè)計(jì)一個(gè)30s倒計(jì)時(shí)器。滿足如下要求：

（1）具有30s計(jì)時(shí)功能；

（2）設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計(jì)數(shù)器的直接清零、啟動(dòng)和停止功能；

（3）在直接清零時(shí)，要求數(shù)碼顯示器滅燈；

（4）計(jì)時(shí)器為30s遞減計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)間隔為1s；

（5）計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，數(shù)碼顯示器不能滅燈，LED發(fā)光。

本設(shè)計(jì)的核心是一個(gè)30s計(jì)時(shí)器，根據(jù)要求要將計(jì)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)中的清零、重置、報(bào)警等各項(xiàng)要求。初時(shí)確定課題后，是沒有什么頭緒的，想法就是通過元器件以秒為單位發(fā)出脈沖，并計(jì)次顯示，如此大致思路。結(jié)合目前學(xué)習(xí)中的知識(shí)，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、7段譯碼器以及7段顯示器首先成為選擇，翻閱了數(shù)電書后，簡單繪圖大致思路即定型，方案初步可行。細(xì)節(jié)性的東西再結(jié)合以往知識(shí)來完成，設(shè)計(jì)課題大致不會(huì)有問題，借此機(jī)會(huì)加深對(duì)各個(gè)元器件的了解和運(yùn)動(dòng)，來完成課題設(shè)計(jì)。

電路系統(tǒng)應(yīng)包括幾個(gè)部分，分別為：脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示電路、控制系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)幾個(gè)主要部分來完成。其中計(jì)數(shù)顯示是電路的核心部分。計(jì)數(shù)器完成30s計(jì)時(shí)功能，而控制電路具有直接控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)計(jì)數(shù)、暫停、連續(xù)計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈功能。為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)，應(yīng)正確處理各個(gè)信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。在操作直接清零開關(guān)時(shí)，要求計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器顯示零。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)閉合時(shí)，控制電路應(yīng)封鎖時(shí)鐘信號(hào)CP，同時(shí)計(jì)數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示30s字樣；當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)斷開時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)暫停、連續(xù)開關(guān)撥在暫停位置上時(shí)，計(jì)數(shù)器的停止計(jì)數(shù)，處于保持狀態(tài)；當(dāng)暫停、連續(xù)開關(guān)撥在連續(xù)時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)遞減計(jì)數(shù)。

其設(shè)計(jì)思路及各電路單元大致如下：

由基本電源供電，通過對(duì)電源的開關(guān)選擇來達(dá)到整個(gè)計(jì)數(shù)工具的開啟與關(guān)閉。脈沖發(fā)生器以秒為單位發(fā)出脈沖信號(hào)，并配以開關(guān)控制與電源的接觸達(dá)到脈沖波的暫停與繼續(xù)。通過計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并根據(jù)計(jì)數(shù)，自動(dòng)鳴叫，閃光。通過控制電路，對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零和置數(shù)控制。計(jì)數(shù)器的數(shù)字信號(hào)，通過譯碼器以及最后的數(shù)字顯示器，達(dá)到計(jì)數(shù)顯示的最終設(shè)計(jì)目的。

555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，利用它可以方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等。555定時(shí)器具有功能強(qiáng)、使用靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。目前在儀器、儀表和自動(dòng)化控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

555定時(shí)器有TTL/COMS型兩類，它們的邏輯功能和外部引腳排列完全相同。它是雙列直插式組件，它由分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖級(jí)幾個(gè)基本單位組成。主要是通過外接電阻R和電容C構(gòu)成充放電電路，并由兩個(gè)比較器來檢測(cè)電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時(shí)電路、以及多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器等脈沖波形產(chǎn)生和整形電路。

表3-1 555定時(shí)器功能表

555為8腳時(shí)基集成電路，各腳主要功能：

1 接地GND          2 低觸發(fā)端TR

3 輸出端OUT        4 復(fù)位端R

5 控制電壓CV       6 高觸發(fā)端TH

7 放電端DC         8 電源電壓VCC

用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器電路如圖3-2，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，也不需要外加觸發(fā)信號(hào)，利用電源VCC通過R1和R2向電容器C充電使Uc逐漸升高，升到2VCC/3時(shí)，U0跳變到低電平，放電端D導(dǎo)通，這時(shí)，電容器C通過電阻R2和D端放電，使Uc下降，降到VCC/3時(shí)，U0跳變到高電平，D端截止，電源VCC又通過R1和R2向電容C充電。如此循環(huán)，振蕩不停，電容器C在VCC/3和2VCC/3之間充電和放電，輸出連續(xù)的矩形脈沖。

輸出信號(hào)U0的脈寬tW1、tW2、周期T的計(jì)算公式如下：

tW1=0.7（R1+R2）C

tW2=0.7R2C

T=0.7（R1+2R2）C

本次設(shè)計(jì)的核心之一便是555多頻振蕩器，設(shè)計(jì)選用555多頻振蕩器來做為計(jì)時(shí)器并以1s為周期發(fā)出的脈沖。其周期計(jì)算為：

0.7（R1+2R2）C=T=1s=0.7(4.4kΩ+2*5kΩ)100uf

得出多頻振蕩器各輔助器件參數(shù)R1=5.1kΩ，R2=5.1kΩ，C=100uf，連接電路，多頻振蕩器即脈沖發(fā)生器完成。

計(jì)數(shù)器是一個(gè)用以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能的時(shí)序邏輯部件，它不僅可以用來對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，還常用作數(shù)字系統(tǒng)的定時(shí)、分頻和執(zhí)行數(shù)字運(yùn)算以及其他特定的邏輯功能。

74ls192為可預(yù)置的十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器（雙時(shí)鐘），其清除端是異步的。當(dāng)清除端（MR）為高電平時(shí)，不管時(shí)鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，即可完成清除功能；預(yù)置是異步的，當(dāng)置入控制端（PL）為低電平時(shí)，不管時(shí)鐘CP的狀態(tài)如何，輸出端（Q0-Q3）即可預(yù)置成與輸入端（P0-P3）相一致的狀態(tài)，計(jì)數(shù)是同步的，靠CPD.CPU同時(shí)加在4個(gè)觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)。在CPD,CPU上升沿作用下Q0-Q3同時(shí)變化，從而消除了同步計(jì)時(shí)器中出現(xiàn)的技術(shù)尖峰。當(dāng)進(jìn)行加計(jì)數(shù)或減計(jì)數(shù)時(shí)可分別應(yīng)用CPD或CPU。此時(shí)另一個(gè)時(shí)鐘應(yīng)為高電平。當(dāng)計(jì)數(shù)上溢出時(shí)，進(jìn)位輸出端（TCU）輸出一個(gè)低電平脈沖，其寬度為CPU低電平部分的低電平脈沖，當(dāng)計(jì)數(shù)下溢出時(shí)，錯(cuò)位輸出端（TCD）輸出一個(gè)低電平脈沖，其寬度為CPD低電平部分的低電平脈沖。當(dāng)把TCD和TCU分別連接后一級(jí)的CPD,CPU，即可進(jìn)行級(jí)聯(lián)。

74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，如圖3-7。

CPU為加計(jì)時(shí)器時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端。

LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。

CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。

C0為進(jìn)位輸出端，1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。

B0為借位輸出端，0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。

引出端符號(hào)

TCD           錯(cuò)位輸出端（低電平有效）

TCU            進(jìn)位輸出端（低電平有效）

CPD            減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端（上升沿有效）

CPU           加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端（上升沿有效）

MR            異步清除端

P0-P3                    并行數(shù)據(jù)輸入端

PL            異步并行置入控制端(低電平有效)

Q0-Q3                    輸出端

因其本質(zhì)即十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，清零置數(shù)減法等功能完善符合設(shè)計(jì)要求，故選用兩片74LS192芯片對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。兩片芯片分別計(jì)數(shù)十位和個(gè)位，置數(shù)端，個(gè)位置數(shù)為0，十位置數(shù)為3，即30S倒計(jì)時(shí)開始。DN端接入555多頻振蕩器的脈沖信號(hào)，UP端接高電平，TCD端空接來達(dá)到減計(jì)數(shù)的效果。Q端信號(hào)輸出給譯碼器進(jìn)行譯碼顯示。TCD端借位信號(hào)接入十位片的DN端進(jìn)行十位的減法計(jì)數(shù)，兩片互相配合完成兩位數(shù)30S的計(jì)數(shù)。兩片芯片PL端同接入控制電路置數(shù)開關(guān)進(jìn)行控制，兩個(gè)MR端同接入控制電路清零開關(guān)進(jìn)行清零控制。

用數(shù)碼管來顯示數(shù)字，這種數(shù)碼管的每個(gè)線段都是一個(gè)發(fā)光二極管，因此也稱LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的是BCD碼，要想在數(shù)碼管上顯示十進(jìn)制數(shù)，就必須把BCD碼轉(zhuǎn)換成7段字形數(shù)碼管所要求的代碼。我么們能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)輸出的BCD碼轉(zhuǎn)換成7段字型代碼，并使數(shù)碼管顯示出十進(jìn)制數(shù)的電路稱為“七段字型譯碼器”，其功能表如表3-10。因此在本次的設(shè)計(jì)中我們采用了常用的74ls48。

表3-8數(shù)碼管功能表

如前所述，分段式數(shù)碼管是利用不同發(fā)光段組合的方式顯示不同數(shù)碼的。因此，為了使數(shù)碼管能將數(shù)碼所代表的數(shù)顯示出來，必須將數(shù)碼經(jīng)譯碼器譯出，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的段。例如，對(duì)于8421碼的0011狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為3，則譯碼驅(qū)動(dòng)器應(yīng)使a、b、c、d、g各段點(diǎn)亮。即對(duì)應(yīng)于某一組數(shù)碼，譯碼器應(yīng)有確定的幾個(gè)輸出端有信號(hào)輸出，這是分段式數(shù)碼管電路的主要特點(diǎn)。

74LS48為4線-七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器(BCD輸入。有上拉電阻)，其輸出端為高電平有效，可驅(qū)動(dòng)燈緩沖器或共陰極VLED。當(dāng)要求輸出0-15時(shí)，消隱輸入（BI）應(yīng)為高電平或開路，對(duì)于輸出為0時(shí)還要求脈沖消隱輸入（RBI）為高電平或者開路。當(dāng)BI為低電平時(shí)。不管其他輸入端狀態(tài)如何，Ya-Yg均為低電平。當(dāng)RBI和地址端均為低電平，并且燈測(cè)試輸入端（LT）為高電平時(shí)，Ya-Yg為低電平，脈沖消隱輸出（RBO）也變?yōu)榈碗娖健．?dāng)BI為高電平或開路時(shí)，LT為低電平可使Ya-Yg均為高電平。48與248的引出端排列、功能和電特性均相同，差別僅在顯示6和9,248所顯示的6和9比48多出上杠和下杠。

引出端符號(hào)：

A-D  譯碼地址輸入端

BI/RBO  消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效）

LT  燈測(cè)試輸入端（低電平有效）

RBI  脈沖消隱輸入端（低電平有效）a-g段輸出

將兩個(gè)芯片的使能段同接入高電平使兩組譯碼顯示能夠正常運(yùn)行工作，實(shí)時(shí)傳遞計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信號(hào)，達(dá)到30s可視計(jì)數(shù)的效果。

當(dāng)計(jì)數(shù)器74LS192的清零端MR=1有效時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路清零；而當(dāng)清零端無效，置數(shù)端PL=0有效時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的置數(shù)；通過開關(guān)對(duì)555脈沖發(fā)生器輸入端電源的進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行暫停計(jì)時(shí)，為減小開關(guān)按鍵產(chǎn)生的機(jī)械抖動(dòng)對(duì)計(jì)時(shí)電路的影響，應(yīng)接-RS鎖存器；當(dāng)十位計(jì)數(shù)器74LS192的借位輸出端有效時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

具體實(shí)施如下：

啟動(dòng)/暫停：通過對(duì)電源的控制，進(jìn)行電路總啟動(dòng)停止的控制。

暫停/繼續(xù)：通過對(duì)555多頻振蕩器的電源控制，達(dá)到對(duì)脈沖的暫停/繼續(xù)控制。

清零：通過按鈕開關(guān)將兩片計(jì)數(shù)器MR清零端接入高電平達(dá)到清零效果

置數(shù)：通過單刀雙擲開關(guān)，將兩片計(jì)數(shù)器的PL置數(shù)端接地達(dá)到低電平清零效果。報(bào)即鳴叫，閃光，歸零。當(dāng)TCD輸出借位信號(hào)，即表示計(jì)數(shù)完畢，為使示數(shù)停留00并發(fā)出警報(bào)，接入一JK鎖存器，鎖存TCD借位信號(hào)并將jK端高電平信號(hào)傳達(dá)至MR端達(dá)到清零效果以及LED/喇叭端達(dá)到閃光鳴叫的報(bào)警效果，并通過JK鎖存器的翻轉(zhuǎn)效果，使得Q和非兩輸入端電平的恢復(fù)為下一次計(jì)數(shù)報(bào)警做準(zhǔn)備，通過按鈕開關(guān)的清零效果也可以達(dá)到翻轉(zhuǎn)jk鎖存器為下次警報(bào)做準(zhǔn)備的效果.

如圖3-11。啟動(dòng)電路后，當(dāng)電路中的數(shù)碼管的示數(shù)顯示為00時(shí)，D1開始閃爍并且報(bào)警器發(fā)出滴滴的報(bào)警聲。

如圖3-12。啟動(dòng)電路后，電路在運(yùn)行過程中時(shí)，數(shù)碼管是示數(shù)一直在減小，當(dāng)你將SW1開關(guān)打開時(shí)，數(shù)碼管的示數(shù)將停止變化。

如圖4-1，當(dāng)SW2關(guān)閉后數(shù)碼管顯示為30并穩(wěn)定不動(dòng)，當(dāng)打開SW2后開始進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。

如圖4-2，電路在運(yùn)行的過程中，當(dāng)打開SW1時(shí)，數(shù)碼管的數(shù)字停止不動(dòng)，起到暫停作用，當(dāng)關(guān)閉SW1后，電路繼續(xù)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。

如圖4-3，當(dāng)電路運(yùn)行的數(shù)碼管顯示00時(shí)，即表示計(jì)數(shù)完畢，為使示數(shù)停留00并發(fā)出警報(bào)，接入JK鎖存器，鎖存TCD借位信號(hào)并將jK端高電平信號(hào)傳達(dá)至MR端達(dá)到清零效果以及LED/喇叭端達(dá)到閃光鳴叫的報(bào)警效果，并通過JK鎖存器的翻轉(zhuǎn)效果，使得Q和非兩輸入端電平的恢復(fù)為下一次計(jì)數(shù)報(bào)警做準(zhǔn)備，通過按鈕開關(guān)的清零效果也可以達(dá)到翻轉(zhuǎn)jk鎖存器為下次警報(bào)做準(zhǔn)備的效果.

通過自己選題，找材料，分析，設(shè)計(jì)等，也掌握了一些軟件的操作方法，這為以后的學(xué)習(xí)做了鋪墊。整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從單一的理論學(xué)習(xí)到解決實(shí)際問題的轉(zhuǎn)變。通過本次的設(shè)計(jì)，我最大的收獲是提高了自己的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了我的尋求解決問題的能力和團(tuán)隊(duì)精神也增強(qiáng)了我其他方面的能力。在設(shè)計(jì)中，我充分應(yīng)用我們所學(xué)的知識(shí)，例如：集成電路74ls系列、定時(shí)器555等元器件的使用。這次事件使我受益匪淺，在摸索該如何設(shè)計(jì)電路使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維增強(qiáng)了我的實(shí)際操作能力。增強(qiáng)了我的實(shí)際操作能力。這次設(shè)計(jì)所用的工具是Proteus，仿真比較方便，使設(shè)計(jì)的質(zhì)量得到了保證。

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