武汉大学数字逻辑实验.docx

数字逻辑实验课程
设 计 报 告

题 目： 定时报警器设计
专业（班）： 计算机科学与技术一班
项目组成员：组长：
成员：
课程名称： 数字逻辑课程设计
任课教师：

武汉大学计算机学院
2014年 9 月
说 明

1、数字逻辑实验课程设计结束之前，每位学生都必须参与《设计报告》的撰写工作，提交小组课程设计报告和个人总结报告（设计报告的第七部分）。
2、报告要求按如下内容项目撰写，条理清晰，内容详尽，数据准确。并以组为单位上交一份报告，但每位学生需自行撰写报告的个人总结报告部分，作为报告的一部分上交。
3、报告是数字逻辑实验课程设计评价的主要依据。指导教师将主要根据报告撰写情况、平时表现及每人的个人总结报告给予学生课程评分。不上交报告的学生将得不到实验课程成绩。
4、表格可做电子档或手写，上交报告用A4纸张统一打印或填写上交。此页请双面打印。

计算机学院教研办
14年9月

设　计　报　告　内　容　目　录

一、 实验设计主题、内容、目标………………………………….1
二、 实验小组成员及分工情况…………………………………….1
三、 所需实验器材及功能描述…………………………….………1
四、 实验设计原理、 设计过程 …………………………………..4
五、 安装调试步骤…………….…………………………………..13
六、 实验结论……………………………………………………...13
七、 个人总结报告及心得体会…………………………………...13

一、 实验设计主题、内容、目标
（一）实验设计主题：
“定时报警器设计”
随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在一些限时或者危险时刻作为一个提醒的一个重要工具。本课程设计的“定时报警器定时报警器”，可用于各种电气设备的限时或报警时控制中。
（二）实验设计内容：
用中、小规模集成电路设计一个可预置数的定时报警电路，能实现以下功能：
（1）用拨码开关设定预置的时间。
（2）设计的电路能够预置00~99s之间的任意数值，并且能够进行显示。
（3）计数器进行减一计数，减到零时报警。并用LED数码管实时显示计数值。
（4）系统设置外部操作开关，控制计时器的启动和连续功能。
（三）实验设计目标
用5G555设计一个秒脉冲发生器，该秒脉冲作为计数器的时钟脉冲；预置时间用8位拨码开关控制，其输出是4位二进制编码，预置报警器的2位十进制数定时时间，作为计数器的计数初值。计数器的实时计数状态经过七段显示译码器、数码管显示，当计数器计数由预置的时间减到00时发出报警信号。
定时报警器还应该满足以下的几个原则：满足技术指标、经济性原则、安全可靠 、环境适应性强等。
二、 实验小组成员及分工情况
（1）XXX：小组的组长，负责策划分工，协调组内成员合作，参与实验设计中的各个步骤，撰写实验报告。
（2）XXX：小组的副组长，主要负责电路图的设计，操作PROTEL 99SE，优化电路图中元器件的摆放，监督电路板的焊接。
（3）XXX：主要负责电路板的焊接与调试。
（4）XXX：负责绘制电路图。
（5）XXX：完成各个操作的检查，看是否出错。
（6）XXX：负责必要文件的保存和整理工作。
三、所需实验器材及功能描述
（1）绘制原理图和绘制PCB图
此阶段的主要实验器材是PROTEL 99SE。
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件。Protel 99 SE主要由原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作

（2）焊接电路板
此阶段所需器材及功能概述如下：
开关：控制电路的通断
拨码开关：设置预定时间
发光二极管：显示拨码开关的输入
555定时器：用于产生秒脉冲
74LS11：与门
74LS28：或非门
74LS02：或门
7段数码管：显示倒计时
74LS48：译码
74LS192：计数
蜂鸣器：报警
电烙铁、松香、焊锡：焊接
电阻、电容、电解电容等。

四、实验设计原理、 设计过程
（一）原理图的设计
1.总设计思路
用5G555设计一个秒脉冲发生器，该秒脉冲作为计数器的时钟脉冲；预置时间用8位拨码开关控制，其输出是4位二进制编码，预置报警器的2位十进制数定时时间，作为计数器的计数初值。计数器的实时计数状态经过七段显示译码器、数码管显示，当计数器计数由预置的时间减到00时发出报警信号。

2.功能电路设计
（1）秒脉冲发生器
用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供时钟秒脉冲。
555定时器应用为多谐振荡电路时，为获得周期为1秒的振荡，由公式计算：T1=(R1+R2)Cln2;T2=R2Cln2;
振荡周期T = T1+T2=0.7 ( R1 + 2R2) C =1
若取C=2.2微法，结合实际选取电阻为R1=15K,R2=25K。

（2）数据预置电路
为了方便控制操作，灵活更改预制数值，实验设计采用了SW-DIP8开关。右下角是启动关闭转换开关。当其断开时，不尽行计数，此时，拨动微码开关输入预定的时间。当其闭合时 ，脉冲信号送入计数器的输入端，进行减一计数。
（3）减零电路
判断减一计数是否到0,结果输送到报警电路，判断是否产生报警。

（74LS32用74LS02代替）利用74LS11与门、74LS28的或非门、74LS02的或门组合判断数值是否为0。

（4）报警电路
报警电路，采用555产生1个输出频率为9.5HZ的脉冲发生器，经过74LS11的一个高电平促使蜂鸣器产生警报声音，当按了停止开关时，警报停止。

（5）计数、译码、显示电路
A.计数
74LS192十进制可逆计数器
2块芯片一起工作，完成两位十进制数的减一计数。

B.译码
74LS48是七段显示译码器。
它有BCD码的输入端；有输出端；试灯输入端LT：低电平有效。当LT＝0时，数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏；动态灭零输入端RBI：低电平有效。当LT＝1、RBI＝0、且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。本输入端用于消隐无效的0。
当RBO作为输入使用，且RBO＝0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。当RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI：当LT＝1且RBI＝0时，RBO＝0；其它情况下RBO＝1。

C.显示
2个7段数码管用于显示两位十进制的倒计时。

3.原理图的绘制
（1）建立文件（数据库）
A.启动Protel 99 SE
B.如果在此之前用户没有打开任何设计数据库，可以选择主菜单区的【File】/【New】选项 。如果在此之前已经打开了一个或多个设计数据库，可以选择主菜单区的【File】/【New Design】选项，单击鼠标或按回车键即可。
完成后如下图：

C.双击【Document】图标，执行菜单命令【File】/【New】。或者在空白处单击鼠标右键，选择【New】。然后单击【Schematic Document】图标，选中原理图编辑器图标，单击【OK】按钮或双击该图标就可以完成新的原理图文件的创建。

（2）加载库文件
A.首先，打开原理图管理浏览器。在工作窗口为原理图编辑器窗口的状态下，单击设计管理器顶部的【Browse Sch】标签即可打开原理图管理浏览器窗口。单击【Add/Remove】按钮，出现添加/删除元件库对话框。

B.本设计需要Miscellaneous Devices.ddb、alarm.Lib、PCB2数码管封装图-OK.lib等库文件，这些都需要添加进来。
（3）添加元器件
A.在【Browse】选项的下拉式选框中，选中【Libraries】项。然后单击列表框中的滚动条，找出元件所在的元件库文件名，单击鼠标左键选中所需的元件库；再在该文件库中选中所需的元件。
B.具体的实现方法有下面4种。
· 执行菜单命令【Place】/【Part】。
· 直接单击鼠标右键，在浮动菜单上选择“Place Part”。
· 直接点击电路绘制工具栏上的按扭。
· 使用快捷键【P】/【P】。
C.输入所需元件的名称，然后单击【OK】按钮或按【Enter】键确认，即可出现相应的元件跟随光标的移动而移动的情形。在创建好的原理图上单击即可把原件放在对应位置。
（4）绘制原理图
A.放置电源及接地符号
电源元件及接地元件有别于一般的电气元件，它们必须通过菜单【Place】/【Power Port】或电路图绘制工具栏上的按钮来调用，这时，工作区中会出现随着十字光标移动的电源符号，按【Tab】键，会出现属性对话框。
本设计中的电源外接，用CON4
B.画导线
执行画导线命令的方法可以有以下几种。
●单击画原理图工具栏中的画导线按钮。
●执行菜单命令【Place】/【Wire】，如图2-26所示。
●按快捷键【P】/【W】。
利用导线将放置好的器件连接起来
（5）修改原理图
A.元件的删除
可以执行菜单命令【Edit】/【Delete】，当光标变为十字形状后，将光标移到想要删除的元件上，单击鼠标左键，即可将该元件从工作平面上删除。
选中所要删除的多个元件，然后执行菜单命令【Edit】/【Clear】。
B.元件移动方法
●直接用鼠标拖动。
●执行菜单【Edit】/【Move】/【Move】 命令，再用鼠标移动。
●用鼠标单击选中再移动。
●用鼠标拖动选择多个元件，再移动。
●用【Edit】/【Move】/【Move Selection】 命令移动。
C.元件方向的调整
· 【Space】键（空格键）：每按一次，被选中的元件逆时针旋转90°。
· 【X】键：使元件左右对调。
· 【Y】键：使元件上下对调。
D.最后，千万不要忘记保存！
4. 打印原理图
要想打印出Protel 99 SE环境下的原理图，首先要设置打印机，设置打印机的方法为执行菜单命令【File】/【Setup Printer】。或者直接在主工具栏中单击按钮。之后，会弹出打印机设置对话框。
设置好打印机后用户就可以打印输出了。用户可以执行菜单命令【File】/【Print】，或者在设置打印机的对话框中单击【Print】按钮，程序就会按照上述设置进行打印。
5.已绘制的完整原理图

（二）PCB设计
1.建立PCB文件
A.新建一个PCB图文件可以进入设计文件夹“【Document】”，执行菜单命令【File】/【New】或在工作区内单击鼠标右键，选择【New】选项，会弹出选择文件类型的对话框。
B.双击该对话框中的【PCB Document】图标，即可创建一个新的印制板电路图文件，默认的文件名为“PCB1.PCB”。在工作窗口中该文件的图标上单击、或在设计浏览器中该文件的文件名上双击鼠标左键，即可进入印制电路板编辑器。
2．元器件封装
A.【Attributes】选项卡中的内容较为常用
其中的Footprint：封装形式，应该输入该元件在PCB库里的名称。
根据封装的规则设置封装如下：
二极管：封装属性为diode-0.4(小功率)diode-0.7(大功率)
三极管：常见的封装属性为to-18（普通三极管）to-22(大功率三极管)to-3(大功率达林顿管)
电阻：AXIAL0.3-AXIAL0.7　　其中0.4-0.7指电阻的长度，一般用AXIAL0.4
瓷片电容：RAD0.1-RAD0.3。　　其中0.1-0.3指电容大小，一般用RAD0.1
电解电容：RB.1/.2-RB.4/.8 其中.1/.2-.4/.8指电容大小。一般<100uF用RB.1/.2,100uF-470uF用RB.2/.4,>470uF用RB.3/.6
无极性电容：cap; 封装属性为RAD-0.1到RAD-0.4
发光二极管：RB.1/.2
3.版面设计、板层设计
A.版面设计
设计的版面大小为12cm*14cm
B.板层设计
信号层（Signal layers）:信号层主要是用来放置元件（顶层和底层）和导线的。
内部电源/接地层（Internal plane layers）:内部电源/接地层主要用来放置电源线和地线。
禁止布线层（Keep Out Layer）:禁止布线层用于定义放置元件和布线区域的。
C.首先设定当前的工作层面为【Keep Out Layer】。单击下方的【KeepOutLayer】标签即可将当前的工作层面切换到Keep Out Layer层面。在该层面上确定电路板的电气边界位置。即画出一块12cm*14cm的区域。
4.更新原理图，生成PCB
点击【Design】的更新原理图【Update PCB…】

5.电源线的处理
对电源线和地线要进行特殊的处理（如图）：

6.元器件的调整与布局
元件的布局要考虑以下几个方面的问题。
●元件布局应便于用户的操作使用。
●尽量按照电路的功能布局。
●数字电路部分与模拟电路部分尽可能分开。
●特殊元件的布局要根据不同元件的特点进行合理布局。
●应留出电路板的安装孔和支架孔以及其他有特殊安装要求的元件的安装位置等。

7.自动布线
自动布线是指Protel 99 SE程序根据用户设定的有关布线参数和布线规则，按照一定的算法，依照网络表所指定的连接关系，自动在各个元件之间进行连线，从而完成印刷电路板的布线工作。

布线完成之后，显示共有151条导线。
8.检查
检查PCB图是否与SCH图一致。
如果发现错误及时修改。
注意，SCH中有时候会自动多出几条导线出来，影响设计的正确性。
9.完整PCB图

五、安装调试步骤
（1）按照电路板把所有的原件焊接好，使彼此之间相互连通，
焊接时要尽量避免“虚焊”，这样线路表面上看起来使电器元件与电路板连接了，实际上并没有完全连在一起。这样接触效果不好，容易出现断路现象，增加最后检测的难度。于是这就要求我耐心处理每一个接口，仔细看着每个小孔被液态焊锡填满以后才移开电烙铁使之凝固。这里还有一个技巧，焊完一个点之后，先移走焊锡，再移走电烙铁，然后焊下一个点。这样可以防止焊锡过快凝固使得焊锡与线路板连在一起了；
（2）把芯片安装到插槽中，一定注意不要把芯片的插脚弄弯，技巧是先让引脚对齐之后再用力把芯片插好插牢；
（3）正确插入电源，不能把电源接反；
（4）拨开关，设置时间为最大值99秒；
（5）启动开关进行计时；
（6）看数字是否显示正常，依次递减，中间有没有缺失数字；
（7）倒计时0的时候是否报警。

故障及查找、解决过程：
此实验出现的问题主要有数据不显示或显示不正确。
解决过程：检查电源是否接反、芯片是否插牢、芯片是否安装反了、检查有无虚焊。根据相应的可能发生的错误采取相应对策。如：正确插入电源、按紧芯片、倒转芯片、重新焊接等。重新焊接时，要把焊锡吸掉，在把焊锡吸掉的过程中，左手拿这吸锡器，右手拿着电烙铁，先把电烙铁与焊盘接触，加热焊锡，再将吸锡器靠近焊锡，按下吸锡器的按钮，就可以把焊锡吸掉，重复多次，就可清除焊盘上的焊锡。
六、实验结论
拨码开关设定预置的时间，显示器正常显示数值。
报警器能够预置00~99s之间的任意数值，并且能够进行显示。
计数器进行减一计数，并用LED数码管实时显示计数值。
倒计时为0的时候，蜂鸣器报警。
可知，报警器设计成功。

七、个人总结报告及心得体会