课程设计倒计时.doc

<<30秒倒计时计数器>>
课程设计报告

题 目：30秒倒计时计数器课程设计
专 业：电气工程及其自动化
年 级：09级
学 号：
学生姓名：xxx
联系电话：1897xxxx
指导老师：李x

完毕日期：2023年7月13日

基于30秒倒计时计数器设计

摘 要

本设计是一个由外部操作开关控制的倒计时计数器。显示30秒倒计时功能，系统设立外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在清零时，数码管显示器所有显示为“0”；计时器为30秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。
在许多领域中计时器均得到普遍应用，如在体育比赛、定期报警器、交通信号灯等等，由此可见计时器在现代社会中何其重要。
整个电路的设计借助Multisim 10.0.1仿真软件和数字逻辑电路相关只是，并在Multisim 10.0.1下设计和进行仿真，得到了预期效果。

关键字：计时器；数码显示器；Multisim

目 录
摘 要 II
1 设计规定及方案选择 1
1.1 设计规定 1
1.2 方案选择 1
2 理论分析与设计 3
2.1 30秒倒计时计数器电路的分析及设计 3
2.1.1计数电路 4
2.1.2报警电路 4
2.1.3脉冲电路 5
2.1.4控制电路 6
2.1.5译码显示电路 7
3 电路设计 9
3.1 硬件电路的设计 9
3.2 软件的设计 10
3.3 电路PCB排布 11
4 系统测试 12
4.1 调试所用的基本清单 12
4.2 调试结果 12
4.3 测试结果分析 13
5 总结 14
参考文献 15

1 设计规定及方案选择

1.1 设计规定
（1）具有显示30秒计时功能。
（2）设立外部操作开关：控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续功能。
（3）计时器为30秒递减计时，计时间隔为1秒。
（4）直接清零时，规定数码显示器灭灯。
（5）计时器递减到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。

1.2 方案选择
本设计中，我和我的同组人提出了两个脉冲信号发生电路的方案，方案如下：
方案一是采用555构成的多谐振荡电路（即脉冲产生电路），其电路原理图如下图1-1。

图1-1　方案一的秒脉冲发生电路
方案二是用555构成的多谐振荡器直接产生频率为1Hz的秒脉冲，原理图见图1-2：

图1-2 方案二的555多谐振荡器

方案选择：
本设计对秒脉冲精度规定并不是很高，相比较之下方案一的秒脉冲会稳定些，但由于电路加入了74LS161用于异步清零法分频而使电路变得复杂许多，而本次课设都是采用软件仿真的方式来验证最后结果的，因此不会存在由于元器件的误差而使结果受到影响的情况，因此没有必要用复杂的电路来替代简朴电路就可以完毕的功能的电路。所以本次课程设计采用第二种方案来产生1Hz的秒脉冲。

2 理论分析与设计

2.1 30秒倒计时计数器电路的分析及设计
总体思绪：选用2个74LS192，它是加、减十进制计数器，并且选用了555多谐振荡器，它的作用是产生一个1Hz的方波信号来作为秒脉冲，作为它的cp脉冲。又由于我们要选用2片计数器构成2位计数的状态，固要采用计数器的级联的方法，由于要加快速度的运营，我们选用的是并行进位的级联。由于每个片子以及各种元件均需要一个5V的直流电源来驱动，故我们还需要用一个5V的变压器，整流桥与一个三端稳压器来设计一个电源。由于我们要的是以秒为单位的计数器，所以我们需要的是1Hz的cp信号，这个可以由555多谐振荡器来完毕。555多谐振荡器的功能就是你可以调节它的电阻和电容来得到不同频率和不同占空比的脉冲信号。然后还需要两个74LS48译码器与两个共阴数码管来对计数器所记得数进行翻译和显示。当倒计时显示进行到00这个数字得时候就报警，以二极管光亮来表达；这个可以直接运用74ls192高位片借位输出端13输出低电平即30秒递减到0时就发出光报警达成课设题目规定。由此分析得出30秒计时器的总体参考方案框图如图2-1所示。它涉及秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和控制电路等五个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的重要模块。
计数器
译码显示
秒脉冲发生器

光报警电路
控制电路
外部
操作
开关

图2-1 系统总模块图

2.1.1计数电路
计数电路选用两片中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。两片74LS192构成预置数的三十进制递减计数器，计数器十位接成三进制，计数器个位接成十进制，置数端A、B、C、D通过开关接高低电平，若接高电平可进行其他置数；此计数器预置数为（0011 00000）2=（30）10，只有当低位端发犯错位脉冲，高位计数器才做减计数。1片74LS192构成1秒减计数电路（即个位）。74LS192的引脚图和功能表如图所示。它的计数原理是：使加计数脉冲信号引脚CPu=1，计数脉冲加入个位74LS192引脚CPD脚，当减计数到零时，个位 74LS192的端发犯错位脉冲，使十位计数器减计数，当高、低位计数器处在全零时，CPD（DWN）端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下次循环减计数。当S1闭合，S2开关接地，计数电路处在置数状态；当S1开关断开时，S2仍接地时，计数电路处在减数状态；当S2开关接电源，计数电路处在清零状态。其连接图如图2-2所示：

图2-2 74LS192连接图
2.1.2报警电路
当1计数器递减数到零（即定期时间到）时，控制电路发出报警信号，使计数器保持零状态不变，同时报警电路工作。如图2-3所示，

图2-3 光报警电路
当计数到零时，两计数器借位端输出为低电平（0），故本设计将高位片借位反馈到二极管腹肌性端，此时+5v电源经1k电阻是法官二极管发出光报警信号，完毕报报警功能，而在递减计数时，端输出为高电平（1），二极管不报警。

2.1.3脉冲电路
为了给计数器74LS192提供一个时序脉冲信号,使其进行减计数,本设计采用555构成的多谐振荡电路(即脉冲产生电路),其基本电路如图3.4所示.
其中555管脚图图2.1所示.由555工作特性和其输出周期计算公式可知,其产生的脉冲周期为: T=0.7(R1+2R2)C 。
因此,我们可以计算出各个参数通过计算拟定了R1取15k欧姆,R2取68k欧姆,电容取C为10uF、C1为0.1uF,.这样我们得到了比较稳定的脉冲,且其输出周期为近1秒。
仿真显示，结果显示周期接近1秒，，即信号频率为1Hz。该电路完毕功能：输出频率接近1Hz的正弦波脉冲信号。工作图形如图2-4所示

图2-4 555脉冲多谐振荡器及仿真图
2.1.4控制电路
为了保证系统的设计规定 , 在设计控制电路时 , 应对的解决各个信号之间时序关系。从系统的设计规定可知 , 控制电路要完毕以下四项功能 :
① 作“直接清零”开关时 , 规定计数器灭灯。
②闭合 “启动” 开关时 , 计数器应完毕置数功能 , 显示器显示 30 秒字样 ; 断开“启动”开关时 , 计数器开始进行递减计数。
③当 “暂停 / 连续”开关处在 “暂停”位置时 ,控制电路封锁时钟脉冲信号 CP , 计数器暂停计数 , 显示器上保持本来的数不变 ，“暂停 / 连续” 开关处在“连续”位置时 , 计数器继续累计计数。
④当计数器递减计数到零 ( 即定期时间到 ) 时 , 控制电路应发出报警信号 , 使计数器保持零状态不变 , 同时报警电路工作。
当计数到零时,两计数器借位端输出多为低（0）,故本设计将高位片借位反馈到二极管负极性端,此时+5V电源经1k电阻使发光二极管发出光电报警信号,完毕报警功能,而在递减计数时,端输出为高（1）,二极管不报警.

图 2-5 辅助时序控制电路图（时钟信号控制电路）

接 74LS192 的预置数控制端, 当开关 合上时 , =0,74LS192 进行置数 ; 当 断开时,=1,74LS192 处在计数工作状态 , 从而实现功能②的规定，当然本设计只要将启动信号直接加到置数端，见图3.2。图3.5是时钟脉冲信号 CP 的控制电路 ,控制 CP 的放行与严禁。当定期时间未届时 ,74LS192 的借位输出信号路 , =1, 则 CP 信号受 “暂停 / 连 续” 开关的控制 , 当处在“暂停” 位置时 ,门 输出 0, 门 关闭 , 封锁 CP 信号 , 计数器暂停计数 ; 当 处在 “连续”位置时 , 门 输出 1, 门 打开 , 放行 CP 信号 , 计数器在 CP 作用下 , 继续累计计数。
当定期时间届时 =0, 门 G2 关闭, 封锁 CP 信号, 计数器保持零状态不变。
从而实现了功能③、④的规定。注意 ,是脉冲信号 , 只有在 保持为低电平时,输出的低电平才干保持不变。至于功能①的规定, 可通过控制 74LS192 的异步清零端CR 实现

2.1.5译码显示电路
此模块重要是由74LS48译码器和共阴极七段LED显示器组成，通过计数器加到译码器，运用译码器将二——十进制（BCD）码转换成七段信号，在驱动器的作用下驱动显示器的a、b、c、d、e、f、g七个发光段，推动发光数码管（LED）进行显示。从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数显示功能。其电路图如图2-6所示：

图2-6 译码显示电路

3 电路设计

3.1 硬件电路的设计

图3-1 系统总电路图

总电路图工作原理说明：
对整个电路进行启动，即拨动“启动”开关，整个电路开始运营工作。启动开关处在断开状态是开始工作；开关S1处在闭合时，处在复位状态。在倒计时过程中，可以通过暂停开关进行暂停和连续，同时也可以通过清零开关进行清零（清零时要重新赋初值比启动开关S1电路才干重新开始工作）。当倒计时间届时，高位74LS192芯片的13脚BO2借位端输出低电平0时表达定是信号到，时钟信号脉冲被封锁，定期器停止工作，显示器显示00保持不变警器发出声音和光信号。
3.2 软件的设计

图 3-2 模拟原理图
3.3 电路PCB排布

图 3-3整体PCB

4 系统测试

4.1 调试所用的基本清单

软件：Multisim Protel
电阻 ：1K 1个 ；15K 1个；68K 1个；10K 4个
共阴极七段数码管 2片
单刀双置开关 3个
变压器 2个
发光二几个 2个
整流桥 1个
电容 4.7uf 1个，1000uf 1个；100uf 1个；10f 1个；0.1uf 1个
仪器：数字万用表、示波器
芯片：78LS10 1 片；74LS00 2片； 74LS04 1片；NE555 1片； 74LS48 2片；74LS192 2片

4.2 调试结果

在这次课程设计中，我们通过查资料、比较各种方案、讨论，最终拟定了比较完整的方案，然后用mulitisim进行仿真，一切正常。领取组件后，我负责电路板上元器件的排版和部分模块电路的焊接，我同组人重要负责电路检查和其它部分电路的焊接。在我们努力下，我们花了一周时间将电路焊接完毕，但是由于我们初次接触课程设计，经验局限性，加上焊接电路板的时候没有对单元电路进行检测，导致调试过程中，我们还是碰到很多问题，比如数码管不显示，发现由于焊接时间太长，温度过高至使芯片555被烧坏，无脉冲信号输出，换了以后，信号输出正常；搞错了数码管的阴阳极性，导致数码管管脚的接错，数码管主线不亮。所以我们重新焊接，这一次我们细心了，还认真询问其他同学。这让我们明白焊接过程中要绝对细心，头脑要清醒。通过这次焊接之后计数终于恢复了正常。基本电路完毕之后，我们开始灭灯电路的焊接和各个暂停开关的焊接。这两部分比较简朴，焊接时正常。
最后做整体电路的检测，各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现基本功能。我们基本完毕本次课程设计的任务。

4.3 测试结果分析

（1）控制电路检查
在电路所有焊接完毕后，改变各开关的闭、合状态，电路的启动、连续、暂停清零等功能均得以实现，电路控制部分没有问题。
（2）显示电路检查
当将显示电路的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管不亮，说明电路连接不对的。
解决办法：1）接入电源，用万用表检查电路是否焊接好且没有虚焊，把问题部分焊接好。
2）进一步检查电源与地的接入是否接反。
3）若以上两种情况都没出现则对照各芯片的管脚，检查管脚是否接错。
（3）计时电路检查
计数器电路接触正常，置数正常。
（4）555脉冲发生电路检查
我们将555的输出端3接到示波器上观测的波形为一脉冲波，其频率近似为1秒。基本符合所需信号规定。
（5）报警电路检查
将秒信号接入计时电路，按下启动电路，观测计数为0时发光二极管工作情况，发现数码显示为00时发光二极管发光，说明报警电路发光报警功能已经实现。

5 总结

本次课程设计是理论与实践相结合的最佳方式，设计完毕过程中规定制作者要有坚实的理论基础和动手能力。此过程我们通过自主查数据资料，能接触到很多新鲜的东西，也能激发我们学习的爱好。从中我们也才真正了解到自己做一个电子产品多么艰难。里面的过程规定我们要细心，头脑清醒，一点马虎都不能。想要设计制作出实用的产品，规定你动手能力要强，芯片理论功底也要厚，因此我们不得不翻阅这方面很多书籍，也收获很多。初次接触课程设计，过程是艰难的，当你把产品做出来能感觉到很强的成就感。当然我们除了翻阅书籍，也借助着其别人的帮助指导，特使是我的指导老师，李姮老师对我们的耐心指导与帮助，使得我们在设计过程省去很多麻烦。尚有其他同学的帮助，我们能过顺利完毕设计。
在实际动手过程中，我觉得焊接最重要。我自身也是负责焊接的，它能直接决定电路胜负，元器件的替换，开关的选择，焊接点的牢固及最后的调试，每一环都是很重要的。我发现焊接也是需要技术的，焊接点美的话也能给人赏心悦目的感觉。
总之，通过本次课程设计，从设计到焊接到调试成功，都是我们不断进步的过程，不断学习的过程，我觉得我从中学得很多。通过亲身体验才知道有些在仿真软件中能行得通在实际操作过程中不一定能行。所以我们的选择非常重要。我们的专注度也很重要。要时刻保持细心的态度，清醒的头脑。

参考文献

[1] 阎石. 数字电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2023年.
[2] 彭华林等编. 数字电子技术. 长沙：湖南大学出版社，2023年.
[3] 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，2023年.
[4] 侯建军. 数字电路实验一体化教程[M]. 北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2023年.
[5]康华光. 电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，1999年.