1、沈陽航空航天大學課 程 設 計（說明書）倒計時報警電路的設計班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 沈陽航空航天大學課 程 設 計 任 務 書課 程 名 稱 數字邏輯課程設計 課程設計題目 倒計時報警電路的設計 課程設計的內容及要求：一、設計說明與技術指標要求設計一個倒計時電路，倒計時時間可從099s任意設定，并在倒計時時間到零時發出報警信號。技術指標如下：設置外部操作開關實現啟動、直接復位、暫停、繼續等功能；用數碼管顯示初始時間及剩余時間； 在直接復位時，要求數碼管滅燈； 倒計時時間到達零時，數碼管不能滅燈，并同時發出5s的聲光報警指示信號；設計秒脈沖產生電路。二、設計要求1在選擇器

2、件時，應考慮成本。2根據技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數。3畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規范化）。三、實驗要求1根據技術指標制定實驗方案；驗證所設計的電路，用軟件仿真。2進行實驗數據處理和分析。四、推薦參考資料1閻石主編數字電子技術基礎M北京：高等教育出版社，2006年2趙淑范，王憲偉主編電子技術實驗與課程設計M北京：清華大學出版社，2006年3楊志忠主編. 電子技術課程設計. M北京：機械工業出版社，2008年五、按照要求撰寫課程設計報告成績評定表：序號評定項目評分成績1設計方案正確，具有可行性，創新性（15分）2設計結果可信（例如：系統分析、仿真結果）（15分）3態度認真

3、，遵守紀律（15分）4設計報告的規范化、參考文獻充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評定成績（以優、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字： 2016 年 7 月 3 日目錄一、 概述11.1了解數字電路系統的定義及組成11.2掌握時鐘電路的作用及基本構成1二、方案論證22.1電路組成22.2設計思路22.3設計方案2三、電路設計43.1多諧振蕩器產生秒脈沖信號電路43.3譯碼和數碼顯示電路63.4報警電路73.5控制電路8四、性能的測試104.1多諧振蕩器產生脈沖信號電路104.3電路整體性能測試12設置倒計時間功能12直接復位滅燈功能12倒計時功能13暫停、繼續功能13報警

4、功能14五、結論15參考文獻15附錄I 總電路圖16附錄II 元器件清單17一、 概述1.1了解數字電路系統的定義及組成數字電路系統一般包括輸入電路、控制電路、輸出電路、時鐘電路和電源等。輸入電路主要作用是將被控信號轉換成數字信號，其形式包括各種輸入接口電路。比如數字頻率計中，通過輸入電路對微弱信號進行放大、整形，得到數字電路可以處理的數字信號。模擬信號則需要通過模數轉換電路轉換成數字信號再進行處理。在設計輸入電路時，必須首先了解輸入信號的性質，接口的條件，以設計合適的輸入接口電路。隨著科學技術的迅猛發展和社會的日新月異，數字電子信息技術這門科學在各行各業越來越得到廣泛的應用，特別是集成芯片的

5、應運，促使現代電子產品向小體積多功能發展。這不僅節省了原材料，降低了產品成本，還減少了很多勞動力，所以很有必要學習好這門課程。1.2掌握時鐘電路的作用及基本構成時鐘電路是數字電路系統中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統都在它的控制下按一定的規律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如555 多諧振蕩電路，數字頻率計中的基準時間形成電路等都屬于時鐘電路。設計時鐘電路，應根據系統的要求首先確定主時鐘的頻率，并注意與其他控制信號結合產生系統所需的各種時鐘脈沖。通過數字電子技術課程設計，使學生較系統地、全面地掌握數字電路系統的基本設計方法，設計步驟，熟悉和掌電路參數的計

6、算，電路元器件的選擇與應用，學習數字電路原理圖設計、調試、測試、故障查找和排除的方法和技巧，并在此基礎上，逐步調試改進、完善電路的性能。學會積極地按照設計任務的要求，查閱并理解相關技術文獻，能進行方案的論證比較，方案的具體實施。使學生較深入地了解與課程設計有關的知識，培養學生分析和解決實際的問題。二、方案論證2.1電路組成0-99秒任意倒計時器的總體參考方案框圖如圖2-1所示。它包括秒脈沖發生器、計數器、譯碼顯示電路、報警電路和輔助時序控制電路（簡稱控制電路）等五個模塊組成。其中計數器和控制電路是系統的主要模塊。計數器完成0-99秒任意倒計時器，而控制電路完成倒計時器的開始、復位、暫停、繼續計

7、時、譯碼顯示電路的顯示與滅燈、定時時間到報警等功能。圖2-1 0-99秒任意倒計時器系統設計框圖秒脈沖發生器產生的信號是電路的時鐘脈沖和定時標準，故電路可采用555定時器組成的單穩態觸發器和多諧振蕩器。2.2設計思路倒計時電路主要由振蕩器和計數器組成。該電路設計思路如下：1設計一個秒脈沖發生器，這里采用555定時器來產生這個計時脈沖。2設計0-99秒任意倒計時器電路，由秒脈沖發生器控制其計數，每隔1秒鐘，計數器減1。3設計譯碼顯示電路，顯示器能顯示計數器的即時計數數值和顯示初始設定值。4設計報警電路，當計數器遞減計時到零時（即定時時間到，顯示器上顯示00），發出5S報警信號。5設計外部操作開關

8、控制倒計時器的開始、復位、暫停、繼續計時。2.3設計方案分析設計任務，倒計時器和控制電路是系統的主要部分。計數器完成0-99秒任意倒計時功能，而控制電路具有直接控制計數器的開始、復位、暫停、繼續計數、譯碼顯示電路的顯示和滅燈功能。為了滿足系統的設計要求，在設計控制電路時，應正確處理各個信號之間的時序關系。在操作復位開關時，要求計數器復位，數碼顯示器滅燈。當開始開關閉合時，控制電路應封鎖時鐘信號CP，同時計數器完成置數功能，譯碼顯示電路顯示設置的數的字樣；當暫停、繼續開關撥在暫停位置上時，計數器停止計數，處于保持狀態；當暫停、繼續開關撥在連續時，計數器繼續遞減計數。三、電路設計3.1多諧振蕩器產

9、生秒脈沖信號電路 選用555定時器構成多諧振蕩器, 其引腳功能如下：1地GND，2觸發，3輸出，4復位，5控制電壓，6門限(閾值），7放電，8電源電壓Vcc。其引腳圖如圖3-1所示：圖3-1 LM555引腳圖LM555秒脈沖發生器的振蕩周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C，振蕩頻率f=1/T=1/0.7（R1+2R2）C1.43/(R1+R2)C。本實驗需要的周期是1s，計算出較為穩定的電阻電容值為：R1=48k,R2=48k, C1=0.1F ,C2=10F。LM555秒脈沖發生器由555集成定時器構成，555定時器功能表如表1所示，脈沖信號產生電路原理圖如圖3-2所示。表1 5

10、55定時器功能表輸入輸出THRTRIRSTUOT晶體管T狀態XX00道通>2/3VCC>1/3VCC10道通<2/3VCC<1/3VCC11截止<2/3VCC>1/3VCC1不變不變圖3-2 脈沖信號產生電路圖3.2計數器 本實驗中計數器選用中規模集成電路74LS192進行設計，74LS192是十進制同步加法/減法計數器，它采用8421BCD碼二-十進制編碼，其功能表如表2所示。表2 74LS192功能表輸入輸出CLRLOADUPDOWNDCBAQ3Q2Q1Q01×××××××000000

11、××dcbadcba011××××加計數011××××減計數方案中采用十進制雙時鐘加減可逆計數器74LS192芯片實現減計數功能，其邏輯符號如圖3-3，圖中：LOAD為置數端，CLR為清除端，UP為加計數端，DOWN為減計數端，CO為非同步進位輸出端，BO為非同步借位輸出端，A、B、C、D為計數器輸入端，QA、QB、QC、QD為數據輸出端。圖3-3 74LS192邏輯符號圖用兩片74LS192芯片串聯可作為0-99秒任意倒計時，第一片芯片的脈沖輸入端由第二片芯片借位輸出控制，第二片芯片脈沖輸入端

12、直接由555定時器組成的多諧振蕩器產生的脈沖信號。因為該實驗實現的是0-99s內任意倒計時，所以應將兩塊74LS192N芯片的UP都接入高電位，實現減數的功能，課設沒有要求清零功能，所以CLR清零端應接入低電位。用四位開關控制兩塊芯片的輸入，并把四位開關的輸入端分別都接入高電平，輸出端分別接入74LS192N芯片的A、B、C、D上。對倒計設置的數可以通過四位開關來實現，當四位開關輸入倒計的數后（倒計數是按二進制方式輸入），將開關S3打到復位檔，LOAD接入低電位，計時器復位，顯示器上顯示設置的倒計數，然后再打到開始檔，LOAD接入高電位，計數器開始計數，直到數碼管出現“00”，完成計數。即完成

13、設置時間的倒計計數。3.3譯碼和數碼顯示電路如圖3-4所示，74LS48N該器件輸入信號為BCD碼，輸出端為a、b、c、d、e、f、g共七線，另有三條控制線LT、RBI、BI/RBO。LE端為測試端。在BI端接高電平的條件下，當LT=0時，無論輸入端A、B、C、D為何值，ag輸出為高電平，使7段顯示器顯示“8”字型，此功能用于測試器件。RBI端為滅零輸入端。在LT=1，BI=1條件下，當輸入A、B、C、D=0000時，輸出ag全為低電平，可使共陰LED顯示器熄滅。但當輸入A、B、C、D不全為零時，仍能正常譯碼輸出，但顯示器正常顯示。BI端為消隱輸入端。該輸入端具有最高級別的控制權，當該端為低電

14、平時，不管其他輸入為何值，輸出端ag為低電平，這可使共陰顯示器熄滅。另外，該端還有第二個功能命令信號輸出端，記為RBO。當該位輸入的A、B、C、D=0000且RBI=0時，此時RBO輸出低電平；若改為輸入的A、B、C、D不等于零，則RBO輸出高電平。若將RBO與RBI配合使用，很容易實現多位數碼顯示時的滅零控制。圖3-4 74LS48N邏輯符號圖 74LS48可直接驅動共陰極LED數碼管而不需外接限流電阻。譯碼和數碼顯示電路是將數字鐘和計時狀態直觀清晰地反映出來，被人們的視覺器官所接受。如圖3-5顯示器件選用LED七段數碼管。在譯碼顯示電路輸出的驅動下，顯示出清晰、直觀的數字符號。本設計所選用

15、的是半導體數碼管，是用發光二極管（簡稱LED）組成的字形來顯示數字，七個條形發光二極管排列成七段組合字形，便構成了半導體數碼管。半導體數碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數碼管的七個發光二極管的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數碼管與共陽極數碼管相反，七個發光二極管的陰極接在一起，而陽極是獨立的。當共陽極數碼管的某一陰極接低電平時，相應的二極管發光，可根據字形使某幾段二極管發光，所以共陽極數碼管需要輸出低電平有效的譯碼器去驅動。共陰極數碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅動。圖3-5 共陰極LED數碼管3.4報警電路課設題目要求，當計數器到達零時，要發出的聲光報警指示信號，在實驗中，

16、 使用發光二極管代替聲光報警。當計數器到達零時，74LS192N芯片的BO端會同時輸入低電位，如果沒有到達零，高位的芯片會一直輸出高電位，低位的芯片輸出的點位會在高、低點位之間跳變，此時將兩塊74LS192N芯片的BO端輸出的信號接到一個與非門上，當輸入的信號同時為低電位時，與非門輸出端會輸出高電位，再將該信號輸入到由555定時器組成的單穩態觸發器的輸入端，即TRI端。由于555定時器組成的單穩態觸發器TRI端之前一直輸出的低電平，所以輸出端為高電平，因為要求只有計數器到達零時，才觸發報警器，所以此時將輸入的信號接入到一個非門上，因而不觸發報警。當計數器到零后，輸出高電位信號觸發555定時器組

17、成的單穩態觸發器輸出低電位，因為該信號經過一個非門，所以變成了一個高電位的信號，將該信號與555定時器組成的單穩態觸發器的輸入端信號異或，從而實現5s的延時報警。 圖3-6 報警電路連接圖報警電路的連接如圖3-6所示，輸入的信號為兩塊74LS192N芯片的BO端輸出的信號經過一個與非門后輸出的。3.5控制電路題目中要求設置外部操作開關實現啟動、直接復位、暫停、繼續等功能。經過認真的分析和查閱資料后，實現這些功能，通過控制輸入的信號來實現。當打開電源開關后，電路因沒有輸入的信號，所以出于停止狀態。只有設置好時間，并將開關S1撥至復位檔，使74LS192N兩塊芯片的LOAD端輸入低電位信號，實現復

18、位功能，顯示器顯示設置的時間。因為題目要求，當直接復位時，顯示器滅燈，所以將復位的信號接入到74LS48N的BI/RBO端，從而實現當開關S1撥至復位檔時，顯示滅燈。當開關S1撥回開始檔，使74LS192N兩塊芯片的LOAD端輸入高電位信號，開始倒計時。連接方式見附錄。實現暫停、繼續功能，需在74LS192N兩塊芯片當中控制低位芯片的DOWN端輸入的脈沖信號，此脈沖信號是有555定時器組成的多諧振蕩器產生的。如果要暫停，只需要端口輸入信號即可，繼續則是接入輸入信號，所以在74LS192N低位芯片的DOWN輸入端之間加上一個單刀雙擲開關。因為在到達零狀態時，要求計數器不再倒計時，所以應控制當倒計

19、時到達零狀態時，74LS192N低位芯片的DOWN輸入端的信號。在計數器到達零狀態時，74LS192N高位芯片的BO端輸入低電位，所以將該輸出的信號與555定時器組成的多諧振蕩器產生的脈沖信號組合通過一個與門再輸入到74LS192N低位芯片的DOWN輸入端，從而實現了此功能。連接方式見附錄。四、性能的測試4.1多諧振蕩器產生脈沖信號電路 555定時器構成的多諧振蕩器如圖4-1所示。圖4-1 多諧振蕩器原理圖將示波器連接到多諧振蕩器產生的脈沖信號上，進行仿真，示波器上所觀察的波形如圖4-2所示。圖4-2 示波器輸出波形圖示波器所顯示波形的周期為994.872ms，即所設計的信號發生器的輸出信號周

20、期為994.872ms，其信號頻率非常接近1Hz，所以此信號發生器合格。4.2單穩態觸發器產生脈沖信號電路 555定時器構成的多諧振蕩器如圖4-3所示。圖4-3 單穩態觸發器原理圖將示波器連接到單穩態觸發器產生的脈沖信號上，進行仿真，示波器上所觀察的波形如圖4-4所示。圖4-4 示波器輸出波形圖示波器所顯示波形的周期為4.991s，即所設計的信號發生器的輸出信號周期為4.991s，其信號頻率非常接近5Hz，所以此信號發生器合格。4.3電路整體性能測試設置倒計時間功能將U1、U2的A都接入高電位、其余的B、C、D都接入低電位，即完成任意置數功能，置數為11，此時U7、U8兩塊LED顯示器會顯示剛

21、才所設置的數字，如圖4-5所示。 圖4-5 任意置數功能直接復位滅燈功能將開關S3撥至復位檔，U1、U2接入低電位，U5、U6兩塊顯示器滅燈，如圖4-6所示。圖4-6 直接復位滅燈功能倒計時功能將開關S3撥至開始，兩塊74LS192N都接入高電位，此時電路開始倒計時，如圖4-7所示。圖4-6 倒計時功能暫停、繼續功能將開關S4撥至暫停檔，切斷輸入的信號，計數器停止倒計時，如圖4-8所示。圖4-7 暫停功能將開關S4撥至繼續檔，接入輸入信號，計數器開始倒計時，如圖4-8所示。圖4-8 繼續功能報警功能當倒計時達到零時，此時U1、U2兩塊芯片的BO端都輸出低電位，觸發555定時器組成的單穩態，從而

22、驅動報警，報警時間持續5s，如圖4-9所示。圖4-9 報警功能五、結論 根據實驗要求，本設計方案圓滿完成了設計要求和各項技術指標。電路結構較為簡單，條理清晰，準確度較高。計數器使用的是74LS192N來完成0-99s內任意設定時間，通過對芯片的準確來接，實現了此功能。脈沖發生器使用的是555定時器組成的多諧振蕩電路，通過對器件參數的調整，使其精度和穩定程度都有較高保證。延時5s報警使用555定時器組成的單穩態觸發器來實現的，在實現的過程中，輸出端總是給出高電平，通過反復的查閱資料和實驗，終于實現了5s的延時報警，并得到了預期的效果。 通過此次課程設計，使我們所學到的知識得到了充分的鞏固和練習，讓我們在實驗中運用所學的知識