多用時間控制器的設計

1、沈陽航空航天大學課 程 設 計 任 務 書課 程 名 稱 數(shù)字邏輯課程設計 課程設計題目 多用時間控制器的設計 課程設計的內容及要求：一、設計說明與技術指標設計一個多用時間控制器，技術指標如下：1. 走時精度，每日誤差小于等于1秒。2. 啟動控制時間誤差不超過1分鐘。3. 控制時間可以任意設置（如響鈴時間6秒，音樂聲30秒，電飯鍋30分等等）。二、設計要求1在選擇器件時，應考慮成本。2根據(jù)技術指標，通過分析計算確定電路和元器件參數(shù)。3畫出電路原理圖（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。三、實驗要求1根據(jù)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(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料 1

2、.童詩白，華成英主編模擬電子技術基礎M北京：高等教育出版社，2006年 2.閆石主編，數(shù)字電子技術基礎（第五版）M北京：高等教育出版社，2006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(chuàng)新性（15分）2設計結果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結果）（15分）3態(tài)度認真，遵守紀律（15分）4設計報告的規(guī)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(yōu)、良、中、及格、不及格評定）指導教師簽字： 2016 年 6 月 17 日一、概述數(shù)字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電

3、路中包含的門電路或元、器件數(shù)量，可將數(shù)字集成電路分為小規(guī)模集成（SSI）電路、中規(guī)模集成MSI電路、大規(guī)模集成（LSI）電路、超大規(guī)模集成VLSI電路和特大規(guī)模集成（ULSI）電路。 數(shù)字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。應用的仿真工具Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真，通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣

4、一個完整的綜合設計流程。三位數(shù)字顯示計時定時器是用來計時定時報警的，發(fā)射一個脈沖信號，經(jīng)過74LS160D計數(shù)器來實現(xiàn)分秒的計時。顯示器由6個LED數(shù)碼管組成，來顯示分和秒的。通過設置兩個開關，來實現(xiàn)計時定時器的任意啟停以及復位。通過用74HC154的片子進行譯碼，這樣就可以比較方便的設計出合理的電路，用與門和非門來實現(xiàn)計時定時器在特定的時間點聲光報警，此裝置可以用于各種計時器以及不同類型的報警定時裝置，如鬧鐘，計時器，數(shù)碼家電等等各個行業(yè)，用途十分廣泛。二、方案設計 本課題的基本思路是在設計出一個時鐘的基礎上，利用儲存器設定時間，在設定的時間進行報警、提示等現(xiàn)象。這個裝置在日常生活中用得非常

5、廣泛。本課題的重點在存儲器、定時單元和執(zhí)行單元。技術指標及要求：1走時精度，每日誤差1秒。2啟動控制時間誤差不超過1分鐘。3控制時間可以任意設置（如鈴響時間6秒，音樂聲30秒，電飯鍋30分）整個思路的框圖如下圖1所示。將標準秒信號送入“秒”計數(shù)器，累計60秒發(fā)出一個“分”脈沖信號，送到“分”計數(shù)器中；分計數(shù)器累計60分發(fā)出一個“時”脈沖信號，該信號將被送到“時”計數(shù)器?！皶r”計數(shù)器采用24進制計數(shù)器，實現(xiàn)對一天24小時的顯示。D存儲電路是根據(jù)計時系統(tǒng)輸出狀態(tài)，產生一脈沖信號，然后去觸發(fā)D存儲器實現(xiàn)定時打鈴。定時執(zhí)行器中的定時單元是數(shù)字的定時電路。只要適當?shù)馗淖儭芭c非”門的接法和計數(shù)器的位數(shù)，就

6、可以改變定時長短，執(zhí)行單元通過集電極開路“與非”門的輸出端，直接接負載繼電器控制電子器件的正常運行。圖1 電路總體方框圖1. 時、分、秒電路的設計（1） 秒信號發(fā)生器的設計本實驗要求每日誤差1秒。我選用1HZ的標準脈沖。 本設計采用555集成定時器組成多諧振蕩器產生1Hz的標準脈沖電路圖（如圖2所示）。555定時器與兩個電阻和一個電容產生負脈沖序列，得到秒脈沖的信號的電路波形圖（如圖2）。令R1=43k，R2=50k，C10uF,產生周期T為1秒的脈沖信號。（2） 時、分、秒計數(shù)器的設計本實驗采用74LS160分別構成60進制和24進制計數(shù)器分別作為分秒和時。1）60進制計數(shù)器。先將2片芯片連

7、接成100進制計數(shù)器，在此基礎上，用反饋清零法將高位的QB和QC分別接至倆芯片的Ro，Rl端，在第60個脈沖后，計數(shù)器輸出為01100000，高位的QB和QC同時為1，再通過一個與門使計數(shù)器立即返回到00000000狀態(tài)。2）24進制的計數(shù)器。先將2片芯片連接成100進制計數(shù)器，在此基礎上，用反饋清零法將高位的QB和低位的QC分別接至倆芯片的Ro，Rl端，在第24個脈沖后，計數(shù)器輸出為00100100，高位的QB和低位的QC同時為1，再通過一個與門使計數(shù)器立即返回到00000000狀態(tài)。（3）任意定時電路的設計 任意定時電路有由譯碼器和D觸發(fā)器組成，附帶有兩個燈泡作為鬧鐘，通過用譯碼器提前設置

8、鬧鐘的定時時間，用D觸發(fā)器構成的鎖存器將輸入的鬧鐘時間保存，然后用比較器比較計時時間與鎖存器的鬧鐘時間，若時間相等，輸出鬧鐘信號，進行鬧鐘。 圖2脈沖信號波形圖2.譯碼顯示電路的設計譯碼電路功能是將“時”、“分”、“秒”計數(shù)器的輸出譯碼進行翻譯，變成相應的數(shù)字。用于驅動LED七段數(shù)碼管的譯碼器，常用74LS47來實現(xiàn)。3. 任意定時電路的設計 定是電路設計通過74HC154的譯碼片子對信號進行譯碼顯示，這樣可以很方便的設置任意定時的控制時間，對于電路的實際運用有很大的可行性，用燈泡顯示定時時間的顯示器件，不僅效果明顯，而且經(jīng)濟可行，廉價。三、電路設計3.1計數(shù)/編碼電路加、減輸入信號經(jīng)十六進制

9、計數(shù)器后分別得到分和秒的輸出信號，然后輸入到譯碼顯示電路，十六進制計數(shù)器由三塊74LS161D（可預置BCD加/減計數(shù)器(雙時鐘) ）構成（如圖3部分）。秒的個位計數(shù)應逢十進一，秒的十位計數(shù)應逢六進一，分計數(shù)應逢十進一。74LS160是中規(guī)模集成同步十進制加法計數(shù)器，具有異步清零和同步預置數(shù)的功能。使用74LS160通過置零法或置數(shù)法可以實現(xiàn)任意進制的計數(shù)器。 異步清零：當Rd0時，Q 0Q1Q2Q30。同步預置：當0時，在時鐘脈沖CP上升沿作用下，Q 0D0，Q1D1，Q2D2，Q3D3。鎖存：當使能端時，計數(shù)器禁止計數(shù)，為鎖存狀態(tài)。計數(shù)：當使能端EPET1時，為計數(shù)狀態(tài)。對74LS160的

10、片子進行串行可制作為100進制的，對秒和分鐘的進位，個位是0-9的十位進位計數(shù)，每次逢9進一，對于十位的數(shù)字由0-5的進位關系，每次逢5進一，故通過兩個片子串行或者并行可以從0-59的60進制的計時器，符合實驗的要求設計思路，對于電路的可行性有很大的適用性。用兩片74LS160和門電路構成24進制計數(shù)器（用復位法），要求譯碼顯示，并顯示數(shù)字為0023的循環(huán)。用74LS160和門電路設計一個計數(shù)譯碼顯示電路，要求計數(shù)顯示為0-6。圖3計數(shù)/編碼電路圖3.2 譯碼顯示電路譯一般譯碼顯示電路選用顯示譯碼器和顯示器配合好的器件,使得驅動功率足夠大，邏輯電平相匹配。本電路系統(tǒng)采用共陰型LED數(shù)碼管和燈泡

11、作為顯示電路，數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極.通過解碼一般由單片機的程序來完成電路得到的數(shù)碼接通相應的發(fā)光二極而形成相應的字,這就是它的工作原理.在Multisim中有很不同類型的LED數(shù)碼顯示管，根據(jù)每一個管子的性能可以分為共陰極和共陽極兩種，又可以通過管子的輸入端有四位輸入、七段式和八段式，相同的管子又有很多不同的顏色，此次設計中采用了四位輸入的LED數(shù)碼管，應取地址符為4位，輸出的數(shù)據(jù)為8位的，通過LED數(shù)碼管可以清楚顯示數(shù)值，這次課程設計中數(shù)碼管的主要作用是顯示數(shù)值，通過脈沖信號激發(fā)74LS160的片子以及其他的與非門制作的24小時計時器，在L

12、ED數(shù)碼管上顯示時、分、秒。LED數(shù)碼管的引腳接線從左到右依次是D、C、B、A，連接時分別與74LS160的QD、QC、QB、QA的引腳相連接，在Multisim中沒有鬧鐘，燈泡主要是任意定時的顯示器件，故用燈泡來替代鬧鐘。LED數(shù)碼管來作為任意定時的顯示部分，用高電平驅動LED數(shù)碼管時不能用普通TTL譯碼器，LED數(shù)碼管在材料的選擇方面經(jīng)濟適用，廉價，在模擬仿真中有著廣泛的運用，在我的電路圖中用u1,u2,u3,u4,u5,u6數(shù)碼管（如圖4部分）。 圖4顯示電路圖3.3 蜂鳴器與定時燈泡本電路中響鈴用蜂鳴器來報當時間為30分鐘時的報警提示裝置，蜂鳴器是一個接受信號發(fā)出聲音的器件，通過調整蜂

13、鳴器的震動頻率可以很方便的設置音量的大小，響鈴時間為2秒。x1為6秒鐘定時顯示燈泡，當仿真開始后，通過脈沖一74LS160使數(shù)碼管顯示秒脈沖，當時間為0-6之間，燈一直處于亮的狀態(tài)，由于設置的定時時間是6秒，當?shù)竭_第7秒時燈馬上熄滅。x2為30秒定時顯示器，當時間在0-30之間，一直處于燈亮的狀態(tài)，當LED數(shù)碼管秒計數(shù)顯示是31秒時，燈泡馬上熄滅，這是由于設定的定時時間為30秒通過譯碼器可以很方便的設定任意的定時時間。蜂鳴器是用來當時間為30分鐘時報警提醒的器件，通過與與門、或門等連接成定時報警裝置。3.4 開關控制電路本電路中用一個電路來控制計時的暫停，并保持計時結果。開關在任何實驗以及實踐

14、生產中有很的用途，開關既可以使電路處于導通狀態(tài)，又可以使不同的器件顯示高和低電平，再用一個開關用來開機復位。（如圖5部分）S1用來控制秒使其可以復位清零，也可用來實現(xiàn)暫停并保持計時結果。S2用來實現(xiàn)分鐘的同步加。S3用來控制小時的同步加法。圖5 控制開關圖四、性能測試4.1打開Multisim 13軟件，將電路進行仿真調試。首先在Multisim 13的交互仿真設置里設置最大初始仿真時間為2秒，最小的初始仿真時間為1秒，此操作可以使555定時器的誤差減小，同時又保證了與系統(tǒng)時間同時變化。1、從放置菜單選擇元器件或者從工具欄上選擇元器件；2、放置好元器件之后，連線，鼠標指針停留在元件管

15、腳上單擊就可以將導線引出來了，到要連接到的管腳再次單擊就可以將導線畫好；3、畫好導線之后，選擇萬用表或者示波器等儀器儀表連接到適當?shù)奈恢茫?、點擊運行就可以仿真了，雙擊儀器儀表，打開儀表界面，進行設置和觀察仿真結果。進行仿真開始進行前置S1閉合操作，以確定電路既能能正常運行，又能滿足題目的設計要求。當系統(tǒng)不加入任何輸入脈沖時（計時還未開始時）開關S1處于閉合狀態(tài)，S2與S3處于斷開狀態(tài)，燈泡X1、X2處于開啟狀態(tài)，就是燈泡全都處于發(fā)光狀態(tài)，LED數(shù)碼管均顯示0的狀態(tài)，初始的系統(tǒng)的電路顯示圖如圖6所示：圖6 初始電路圖4.2驗證6秒鐘任意定時功能。當系統(tǒng)加入開始輸入脈沖信號時，脈沖信號的產生有5

16、55定時器完成，每秒跳動一次，這是由于事先設定計算好的，數(shù)碼管的顯示跳動時間與實際系統(tǒng)顯示的時間完全一樣，跳動的CLK時鐘脈沖信號進入了由74LS160組成的計時器中，通過LED數(shù)碼管顯示跳動的時間信號。打開開關S1進入計時，當時間為6秒鐘時X1燈滅，此時的定時時間為6秒鐘，X2燈仍然處于發(fā)光開啟狀態(tài)，X2的定時時間為30秒鐘。在此時的LED數(shù)碼管秒顯示管顯示06，符合實驗的要去以及設計指標，達到了實驗預期的目標，實驗的運行結果顯示電路圖如圖7所示。圖7 開始6秒定時圖4.3驗證任意設定的時間為30秒。當系統(tǒng)加入開始輸入脈沖信號時，通過提前設定的時間可以看到與4.2相似的實驗現(xiàn)象，打開開關S1

17、進入計時，當時間為30秒鐘時X2燈滅，此時的定時時間為30秒鐘。在此時的LED數(shù)碼管秒顯示管顯示30，符合實驗的要去以及設計指標，達到了實驗預期的目標，實驗的運行結果顯示電路圖如圖8所示。實驗現(xiàn)象完全符合設計的理論要求。圖8 開始30秒定時圖4.4驗證30分鐘任意定時。當系統(tǒng)加入開始輸入脈沖信號時，打開開關S1進入計時，當時間為30秒鐘時X2燈滅，此時的定時時間為30秒鐘。在此時的LED數(shù)碼管秒顯示管顯示30，符合實驗的要去以及設計指標，達到了實驗預期的目標，實驗的運行結果顯示電路圖如圖8所示。實驗現(xiàn)象完全符合設計的理論要求。（如圖9部分）。圖9 開始30分鐘定時圖五、總結這個實驗的難度比較大

18、。這個實驗有前面部分我們可以已經(jīng)利用學過的知識去做，而且芯片的種類可以選擇很多，我選擇了74LS160構造時鐘，因為這個芯片我以前用過，雖然有雙10進制的芯片，但是我不怎么了解它的功能，所以還是選擇了74LS160和74HC154的片子。而后面部分只能靠我們自己去找資料去自學。通過一個星期的努力，我用Multisim成功模擬出三位數(shù)計時定時器的功能來。中途遇到很多的困難，像是一開始連安裝這個軟件安裝不成功，最后通過找到適合自己系統(tǒng)版本才成果安裝，讓我知道什么叫做萬事開頭難?？墒请y的何止是這個開頭，接著就是要學習這個軟件的使用方法，好在這個軟件上手比較容易，但是還是要用掉我一個晚上的時間用來操作

19、。懂的操作就是開始制作我們的題目“三位數(shù)計時定時器”，但是實際操作中還是遇到了很多問題。秒的十位顯示的是十進制，報警器不亮等，最后通過不斷地反復學習驗證，一點一點的解救問題。實踐是檢驗真理的唯一標準這句話你不得不信，看起來復雜的電路經(jīng)過細心的分析就知道原來是如此的簡單，同理看起來很簡單的電路認真分析你還是分析不出來原理。但是實踐有一個好處就是有時你并一定要知道他的原理是什么，只要知道他有什么用就行了。參考文獻1 閻石主編. 數(shù)字電子技術. M北京：高等教育出版社，2006年2 陳振官等編著. 新穎高效聲光報警器. M北京：國防工業(yè)出版社，20053張欽雙.實用電子電路200例.M北京：機械工業(yè)出版社，2003年4常華 仿真軟件教程.M北京：清華大學出版社，2006年5Joan H.Dava.An IEEE Design Base and Practices,20066John F.Wakerly.DigitalDesign Principles and Practices,20017M.Morris Mano,DigitalDesign,3rd ED.,Prentice