設(shè)計一個30s倒計時器。滿足如下要求:
(1)具有30s計時功能;
(2)設(shè)置外部操作開關(guān),控制計數(shù)器的直接清零、啟動和停止功能;
(3)在直接清零時,要求數(shù)碼顯示器滅燈;
(4)計時器為30s遞減計時,計時間隔為1s;
(5)計時器遞減計時到零時,數(shù)碼顯示器不能滅燈,LED發(fā)光。
本設(shè)計的核心是一個30s計時器,根據(jù)要求要將計時進(jìn)行實(shí)時顯示,同時達(dá)到設(shè)計任務(wù)中的清零、重置、報警等各項(xiàng)要求。初時確定課題后,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,并計次顯示,如此大致思路。結(jié)合目前學(xué)習(xí)中的知識,定時器、計數(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)合以往知識來完成,設(shè)計課題大致不會有問題,借此機(jī)會加深對各個元器件的了解和運(yùn)動,來完成課題設(shè)計。
電路系統(tǒng)應(yīng)包括幾個部分,分別為:脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼器、顯示電路、控制系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)幾個主要部分來完成。其中計數(shù)顯示是電路的核心部分。計數(shù)器完成30s計時功能,而控制電路具有直接控制計數(shù)器的啟動計數(shù)、暫停、連續(xù)計數(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)計要求,在設(shè)計控制電路時,應(yīng)正確處理各個信號之間的時序關(guān)系。在操作直接清零開關(guān)時,要求計數(shù)器清零,數(shù)碼顯示器顯示零。當(dāng)啟動開關(guān)閉合時,控制電路應(yīng)封鎖時鐘信號CP,同時計數(shù)器完成置數(shù)功能,譯碼顯示電路顯示30s字樣;當(dāng)啟動開關(guān)斷開時,計數(shù)器開始計數(shù);當(dāng)暫停、連續(xù)開關(guān)撥在暫停位置上時,計數(shù)器的停止計數(shù),處于保持狀態(tài);當(dāng)暫停、連續(xù)開關(guān)撥在連續(xù)時,計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù)。
其設(shè)計思路及各電路單元大致如下:
由基本電源供電,通過對電源的開關(guān)選擇來達(dá)到整個計數(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,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)。通過計數(shù)器進(jìn)行脈沖計數(shù),并根據(jù)計數(shù),自動鳴叫,閃光。通過控制電路,對計數(shù)器進(jìn)行清零和置數(shù)控制。計數(shù)器的數(shù)字信號,通過譯碼器以及最后的數(shù)字顯示器,達(dá)到計數(shù)顯示的最終設(shè)計目的。
555定時器是一種中規(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、儀表和自動化控制中得到了廣泛的應(yīng)用。
555定時器有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幾個基本單位組成。主要是通過外接電阻R和電容C構(gòu)成充放電電路,并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓,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定時器功能表
555為8腳時基集成電路,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),只有兩個暫穩(wěn)態(tài),也不需要外加觸發(fā)信號,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,U0跳變到低電平,放電端D導(dǎo)通,這時,電容器C通過電阻R2和D端放電,使Uc下降,降到VCC/3時,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U0的脈寬tW1、tW2、周期T的計算公式如下:
tW1=0.7(R1+R2)C
tW2=0.7R2C
T=0.7(R1+2R2)C
本次設(shè)計的核心之一便是555多頻振蕩器,設(shè)計選用555多頻振蕩器來做為計時器并以1s為周期發(fā)出的脈沖。其周期計算為:
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。
3.2 計數(shù)器計數(shù)器是一個用以實(shí)現(xiàn)計數(shù)器功能的時序邏輯部件,它不僅可以用來對脈沖進(jìn)行計數(shù),還常用作數(shù)字系統(tǒng)的定時、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/減計數(shù)器(雙時鐘),其清除端是異步的。當(dāng)清除端(MR)為高電平時,不管時鐘端(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,不管時鐘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),計數(shù)是同步的,靠CPD.CPU同時加在4個觸發(fā)器上而實(shí)現(xiàn)。在CPD,CPU上升沿作用下Q0-Q3同時變化,從而消除了同步計時器中出現(xiàn)的技術(shù)尖峰。當(dāng)進(jìn)行加計數(shù)或減計數(shù)時可分別應(yīng)用CPD或CPU。此時另一個時鐘應(yīng)為高電平。當(dāng)計數(shù)上溢出時,進(jìn)位輸出端(TCU)輸出一個低電平脈沖,其寬度為CPU低電平部分的低電平脈沖,當(dāng)計數(shù)下溢出時,錯位輸出端(TCD)輸出一個低電平脈沖,其寬度為CPD低電平部分的低電平脈沖。當(dāng)把TCD和TCU分別連接后一級的CPD,CPU,即可進(jìn)行級聯(lián)。
74LS192是雙時鐘方式的十進(jìn)制可逆計數(shù)器,如圖3-7。
CPU為加計時器時鐘輸入端,CPD為減計數(shù)器時鐘輸入端。
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
TCD 錯位輸出端(低電平有效)
TCU 進(jìn)位輸出端(低電平有效)
CPD 減計數(shù)時鐘輸入端(上升沿有效)
CPU 加計數(shù)時鐘輸入端(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)制計數(shù)器,清零置數(shù)減法等功能完善符合設(shè)計要求,故選用兩片74LS192芯片對脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。兩片芯片分別計數(shù)十位和個位,置數(shù)端,個位置數(shù)為0,十位置數(shù)為3,即30S倒計時開始。DN端接入555多頻振蕩器的脈沖信號,UP端接高電平,TCD端空接來達(dá)到減計數(shù)的效果。Q端信號輸出給譯碼器進(jìn)行譯碼顯示。TCD端借位信號接入十位片的DN端進(jìn)行十位的減法計數(shù),兩片互相配合完成兩位數(shù)30S的計數(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)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管,因此也稱LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。因?yàn)橛嬎銠C(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嬎銠C(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)動器點(diǎn)亮對應(yīng)的段。例如,對于8421碼的0011狀態(tài),對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為3,則譯碼驅(qū)動器應(yīng)使a、b、c、d、g各段點(diǎn)亮。即對應(yīng)于某一組數(shù)碼,譯碼器應(yīng)有確定的幾個輸出端有信號輸出,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)動器(BCD輸入。有上拉電阻),其輸出端為高電平有效,可驅(qū)動燈緩沖器或共陰極VLED。當(dāng)要求輸出0-15時,消隱輸入(BI)應(yīng)為高電平或開路,對于輸出為0時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。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,并且燈測試輸入端(LT)為高電平時,Ya-Yg為低電平,脈沖消隱輸出(RBO)也變?yōu)榈碗娖。?dāng)BI為高電平或開路時,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:
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)時傳遞計數(shù)器的計數(shù)信號,達(dá)到30s可視計數(shù)的效果。
3.4 控制及警告電路當(dāng)計數(shù)器74LS192的清零端MR=1有效時,即可實(shí)現(xiàn)對電路清零;而當(dāng)清零端無效,置數(shù)端PL=0有效時,即可實(shí)現(xiàn)對電路的置數(shù);通過開關(guān)對555脈沖發(fā)生器輸入端電源的進(jìn)行控制,即可實(shí)現(xiàn)對整個電路進(jìn)行暫停計時,為減小開關(guān)按鍵產(chǎn)生的機(jī)械抖動對計時電路的影響,應(yīng)接-RS鎖存器;當(dāng)十位計數(shù)器74LS192的借位輸出端有效時,即可實(shí)現(xiàn)報警。
具體實(shí)施如下:
啟動/暫停:通過對電源的控制,進(jìn)行電路總啟動停止的控制。
暫停/繼續(xù):通過對555多頻振蕩器的電源控制,達(dá)到對脈沖的暫停/繼續(xù)控制。
清零:通過按鈕開關(guān)將兩片計數(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),將兩片計數(shù)器的PL置數(shù)端接地達(dá)到低電平清零效果。報即鳴叫,閃光,歸零。當(dāng)TCD輸出借位信號,即表示計數(shù)完畢,為使示數(shù)停留00并發(fā)出警報,接入一JK鎖存器,鎖存TCD借位信號并將jK端高電平信號傳達(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)為下一次計數(shù)報警做準(zhǔn)備,通過按鈕開關(guān)的清零效果也可以達(dá)到翻轉(zhuǎn)jk鎖存器為下次警報做準(zhǔn)備的效果.
如圖3-11。啟動電路后,當(dāng)電路中的數(shù)碼管的示數(shù)顯示為00時,D1開始閃爍并且報警器發(fā)出滴滴的報警聲。
如圖3-12。啟動電路后,電路在運(yùn)行過程中時,數(shù)碼管是示數(shù)一直在減小,當(dāng)你將SW1開關(guān)打開時,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,當(dāng)打開SW2后開始進(jìn)行倒計時。
如圖4-2,電路在運(yùn)行的過程中,當(dāng)打開SW1時,數(shù)碼管的數(shù)字停止不動,起到暫停作用,當(dāng)關(guān)閉SW1后,電路繼續(xù)進(jìn)行倒計時。
如圖4-3,當(dāng)電路運(yùn)行的數(shù)碼管顯示00時,即表示計數(shù)完畢,為使示數(shù)停留00并發(fā)出警報,接入JK鎖存器,鎖存TCD借位信號并將jK端高電平信號傳達(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)為下一次計數(shù)報警做準(zhǔn)備,通過按鈕開關(guān)的清零效果也可以達(dá)到翻轉(zhuǎn)jk鎖存器為下次警報做準(zhǔn)備的效果.
通過自己選題,找材料,分析,設(shè)計等,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。整個設(shè)計實(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,我最大的收獲是提高了自己的動手能力,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)計中,我充分應(yīng)用我們所學(xué)的知識,例如:集成電路74ls系列、定時器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)計所用的工具是Proteus,仿真比較方便,使設(shè)計的質(zhì)量得到了保證。
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