一、概述

這次的課程設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)可預(yù)置的定時(shí)器顯示報(bào)警系統(tǒng)。該可預(yù)置的定時(shí)器顯示報(bào)警系統(tǒng)可用于任意定時(shí)系統(tǒng)，要求是設(shè)計(jì)電路時(shí)預(yù)置30秒的時(shí)間，在這30秒內(nèi)，完成從預(yù)置的30秒減到0秒報(bào)警或是預(yù)置0秒計(jì)數(shù)到30秒報(bào)警，并且要求每隔5秒顯示一次時(shí)間，即要顯示30秒，25秒，20秒，15秒，10秒， 5秒，0秒時(shí)，同時(shí)系統(tǒng)能準(zhǔn)確地預(yù)置和清零。

本次課程設(shè)計(jì)可以采用電路仿真軟件Multisim來設(shè)計(jì)電路，或者是采用VHDL語言編寫程序，并在MAX+plusⅡ平臺(tái)中進(jìn)行仿真，下載到EDA實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證，或編寫單片機(jī)程序并在單片機(jī)上進(jìn)行仿真。綜合上面的方法，我選擇用電路仿真軟件來完成課設(shè)要求。

先用555芯片生成頻率為1HZ的脈沖信號(hào)，用這個(gè)信號(hào)接在后面需要計(jì)數(shù)的芯片上。然后用兩片74LS192級(jí)聯(lián)，來設(shè)計(jì)一個(gè)0到30的加法計(jì)數(shù)器，使之每隔一秒計(jì)數(shù)一次，再通過74LS47芯片編譯成7段數(shù)碼管所識(shí)別的高低電平，用它的輸出來驅(qū)動(dòng)共陽極數(shù)碼管，來顯示時(shí)間。最后用比較器來實(shí)現(xiàn)每隔五秒后來顯示一次。原理框圖如圖1所示：

利用VHDL語言編寫程序，生成相應(yīng)的模塊，最后在整體的電路形成中實(shí)現(xiàn)預(yù)置報(bào)警功能，相關(guān)的電路生成思路和方案一一致。

    在本次綜合課程設(shè)計(jì)中，選用方案一來實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)的要求。利用相關(guān)芯片可以降低題目設(shè)計(jì)的難度，且可以降低設(shè)計(jì)成本，并能順利實(shí)現(xiàn)電路功能。

1.脈沖產(chǎn)生電路

該脈沖產(chǎn)生電路是利用555定時(shí)器生成多諧振蕩電路，來產(chǎn)生頻率為1HZ的脈沖信號(hào)。在接入VCC之后，電容C1開始充電，當(dāng)C1兩端電壓到達(dá)2/3VCC時(shí)充電完成，并開始放電，當(dāng)C1兩端電壓降到1/3VCC時(shí)，放電完成，接下來又開始放電，周而復(fù)始不斷循環(huán)。C1充電與放電產(chǎn)生振蕩，并最終從U。端輸出脈沖信號(hào)。根據(jù)C1的充電與放電的時(shí)間可求出輸出脈沖信號(hào)的周期

充電時(shí)間：T1=(R1+R2)× C1×ln2

放電時(shí)間：T2=R1×C1×ln2

總的振蕩周期為T=T1+T2=(R2+2×R1) ×C1×ln2

利用以上公式可計(jì)算相應(yīng)的電容和電阻，其中R1=50kΩ,R2=10kΩ,C1=13.1μF，C2=10nF。脈沖電路如圖2所示：

圖2 脈沖產(chǎn)生電路

2.計(jì)數(shù)電路

計(jì)數(shù)器選用的是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74192芯片，74192芯片的引腳圖如圖3所示:

圖3 74LS192芯片引腳圖

所用的74LS192芯片，是在當(dāng)LOAD’，CLR端均為0時(shí)，計(jì)數(shù)器處在置數(shù)的位置。在CLR=1時(shí)，計(jì)數(shù)器可以清零。最終在LOAD’=1，CLR=0,UP=1時(shí)，且有上升沿脈沖加到DOWN端時(shí)，則計(jì)數(shù)器進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。 74192芯片的功能表如表1所示：

表1  74LS192芯片功能表

由74LS192的功能表所知，需要兩片74LS192芯片來實(shí)現(xiàn)30到0的計(jì)數(shù)功能，U1為高位片U2為低位片，具體的芯片連接電路如圖4所示：

圖4 由74LS192芯片組成的31進(jìn)制計(jì)數(shù)電路

3.預(yù)置，清零電路

當(dāng)LOAD’=0，CLR=0時(shí)，計(jì)數(shù)器處在置數(shù)狀態(tài)，因十位數(shù)和個(gè)位數(shù)計(jì)數(shù)器四位數(shù)據(jù)輸入端上的DCBA端分別為0011和0000，因此預(yù)置數(shù)為30。在CLR=0時(shí)，LOAD’=0為置數(shù)狀態(tài)，而在LOAD’=1時(shí)為計(jì)數(shù)狀態(tài)，因此當(dāng)雙擲開關(guān)接上端時(shí)，電路置數(shù)30,雙擲開關(guān)接至下端時(shí)計(jì)數(shù)器開始減數(shù)。數(shù)字減到0后，電路會(huì)默認(rèn)從99開始遞減，因此需要開關(guān)來控制它的置數(shù)端和置零端，來達(dá)到電路的功能。30秒預(yù)置數(shù)電路如圖5所示：

圖5 30秒預(yù)置數(shù)電路

將雙擲開關(guān)接至計(jì)數(shù)器的CLR端即可實(shí)現(xiàn)清零功能，當(dāng)雙擲開關(guān)接至上端，即CLR=0時(shí)，計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，在當(dāng)雙擲開關(guān)接至下端即CLR=1時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。清零電路如圖6所示：

圖6 清零電路

4.數(shù)值比較電路

74LS85芯片組成的數(shù)值比較系統(tǒng)，可以進(jìn)行數(shù)字的選取，選擇出在0到30的5的倍數(shù)，進(jìn)而觸發(fā)74LS47芯片的控制端，讓顯示器顯示相應(yīng)的數(shù)字，達(dá)到預(yù)期效果。74LS85芯片的功能表如表2所示：

表2  74LS85芯片的功能表

     數(shù)值比較電路采用兩片74LS85芯片，分別由U1設(shè)置數(shù)值“5”和U2設(shè)置數(shù)值“0”與個(gè)位數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)個(gè)位輸出5時(shí)，U1的0AEQB端輸出高電平，當(dāng)個(gè)位輸出0時(shí)，U2的0AEQB端輸出高電平，經(jīng)過或門后，一旦有高電平輸出給74LS47芯片，則將會(huì)觸發(fā)鎖存器將0到30之間的5的倍數(shù)來顯示出來，當(dāng)不是5的倍數(shù)時(shí)，顯示器不顯示數(shù)字，具體數(shù)字選擇電路如圖7所示：

圖7 數(shù)字選擇電路

5.鎖存顯示電路電路

此次所設(shè)計(jì)的鎖存顯示電路主要是由芯片74LS47芯片組成的，將數(shù)據(jù)選擇電路選擇出來的個(gè)位數(shù)和十位數(shù)再經(jīng)過芯片74LS47芯片的編譯來顯示在7段碼的數(shù)碼管上。

由74LS47芯片和共陽極數(shù)碼管顯示電路，其中U3和U1組成十位數(shù)，U4和U2組成個(gè)位數(shù)，并且為了保證電路的安全，在每個(gè)數(shù)碼顯示管上端加上限流電阻，具體的數(shù)碼顯示電路由圖8所示，以及74LS47芯片的功能表如表3所示：

表3  74LS47芯片的功能表

圖8 顯示電路

四、性能的測(cè)試

1.電路清零測(cè)試

圖9 電路清零測(cè)試

在清零電路測(cè)試中，左邊為0到30每個(gè)數(shù)字均顯示的電路表示，右邊的是0到30的5的倍數(shù)的電路表示，當(dāng)電路給出清零信號(hào)后，兩邊的數(shù)碼管均顯示0，因此由圖可知，清零電路可以順利實(shí)現(xiàn)它的功能。

2.置數(shù)電路測(cè)試

圖10置數(shù)電路測(cè)試

在置數(shù)電路測(cè)試中，左邊為0到30每個(gè)數(shù)字均顯示的電路表示，右邊的是0到30的5的倍數(shù)的電路表示，當(dāng)電路給出置數(shù)信號(hào)后，兩邊的數(shù)碼管均會(huì)顯示30，并且會(huì)自動(dòng)進(jìn)入數(shù)字減得狀態(tài)。

3.總體功能測(cè)試

在測(cè)試電路的整體新能時(shí)，需要通過對(duì)0到30之間的普通數(shù)字的測(cè)試，還需要對(duì)5的倍數(shù)數(shù)字的測(cè)試，應(yīng)該出現(xiàn)的結(jié)果是在除5的倍數(shù)之外的數(shù)字左邊的數(shù)碼顯示管顯示0到30之間的數(shù)字，而右側(cè)的數(shù)碼管并不顯示數(shù)字。只有當(dāng)出現(xiàn)5的倍數(shù)時(shí)，兩邊的數(shù)碼顯示管會(huì)顯示數(shù)字，且顯示的數(shù)字是一樣的，圖11和圖12分別顯示了兩種不同的情況，具體內(nèi)容如圖11和圖12所示：

圖11 非5的倍數(shù)的測(cè)試

圖12 5的倍數(shù)的測(cè)試

五、結(jié)論

這是一次綜合性很強(qiáng)的課程設(shè)計(jì)，畢竟是大學(xué)生涯中最后一次課設(shè)，綜合了很多以前所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，一個(gè)題目可以通過電路仿真，單片機(jī)語言設(shè)計(jì)以及VHDL語言來實(shí)現(xiàn)，這次我選擇了電路仿真來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。同時(shí)通過上面的功能測(cè)試，也可以知道該電路在設(shè)計(jì)思路沒有明顯問題，但在設(shè)計(jì)的過程中，所遇見的問題并不少，我通過查找書籍和資料，解決很多問題。通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了很多解決問題的方法，同時(shí)對(duì)專業(yè)課相關(guān)知識(shí)有了新的認(rèn)識(shí)，并有了更深的了解和把握。

六、性價(jià)比

    該電路設(shè)計(jì)的成本較低，沒有特別昂貴的芯片和部件，總體電路設(shè)計(jì)的并不繁瑣，沒有通過簡(jiǎn)化電路可以減掉的芯片和與非門。同時(shí)，電路設(shè)計(jì)之初本著簡(jiǎn)化的思想，因此可以通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)要求的功能和要求�？傮w電路設(shè)計(jì)的性價(jià)比還是比較高的。

七、課設(shè)體會(huì)

這個(gè)課程設(shè)計(jì)的題目是我自己選取的，當(dāng)時(shí)只是感覺這個(gè)題目是利用相關(guān)芯片，就可以實(shí)現(xiàn)，并起初就有了一定的想法和思路，但在用仿真軟件進(jìn)行仿真之后才發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程并沒有那么容易實(shí)現(xiàn)，在連接電路后才知道針對(duì)法光二極管在沒有連接阻值較小的電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生仿真錯(cuò)誤，同時(shí)7段數(shù)碼管的開啟電壓為5伏而你的VCC也是5伏，那你的數(shù)碼管是無法發(fā)光的。在解決這些問題時(shí)，耗費(fèi)了我大量的時(shí)間，不過能夠獨(dú)立解決這些問題，這個(gè)過程給予我很大的信心，并最終完成這次課設(shè)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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附錄I  總電路圖

附錄II  元器件清單

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2018-5-16 21:26 上傳

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