一、 概述
在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，这种产品功能强，是前者的换代之物。随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。
设计一个任意预置的定时显示报警系统，运用这个系统可以实现自动控制。例如，在篮球比赛中，队员的持球时间有一定的限制，超过这个限制时间就需要报警。某电台早上无人时自动启动机组播音。在各种报警电路中，数字电路应用的非常广泛，而且报警效果通常都很好，不管是从报警时间的准确度还是电路设计的简单性都有很鲜明的优点。
按照本次课设技术指标要求，设计一个可预置的30秒显示报警系统，每隔5秒显示一次时间，当倒计时为0秒时发出声光报警。外部控制开关可以实现直接清零、预置功能。
根据任务要求，基本的设计思路如下：首先利用555定时器组成多谐振荡器产生周期为1s脉冲连接到计数器down端进行减一操作，任务中要求每5秒显示一次时间，则用数值比较器74ls85对个位数进行检测，检测到是0或5时输出高电平输送到锁存器使能端，此时使能端有效输出数据并锁存起来，且在数码管上显示出来，其他情况则不输出不显示，从而达到了每隔5秒显示一次时间。报警电路用发光二极管代替，当减到0时十位计数器的借位端输出高电平，把借位输出端与发光二极管、分压电阻串联接地即可完成要求，简单且有技巧性。
二、 方案论证
方案一：利用分立式元器件，运用数字电路技术可以设计出报警系统。电路可读性强，
逻辑关系和电路设计思路清晰，所用到的元器件比较常用，且稳定性也还可以，性价比较高，操作简单。
方案二：利用单片机做控制器，需要较少外围电路，但程序编写有一定困难度，不是
很适合大众，需要对C语言有较深的研究。
方案三：利用FPGA做控制器，运用较少的外围电路也可完成报警器的设计，系统精
度高，稳定性好，但价格较贵。
综合考虑：根据方案的性价比、成功性和简单操作性等因素考虑，方案一比较符合要
求。
1
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三、电路设计
设计主要由秒脉冲发生电路、计数电路、锁存电路、开关控制电路、译码显示电路、报警电路组成，可预置定时显示报警系统原理框图如图1所示。
报警电路 秒脉冲 计数器 锁存器 译码显示 发生器 控制电路 数值比较器
图1 可预置定时显示报警系统原理框图 秒脉冲发生器由555定时器连接成多谐振荡器产生秒脉冲信号，计数器采用74ls192同步十进制加/减计数器接成逆向计数状态，锁存器采用74ls77正脉冲锁存，译码显示部分由具有译码显示功能的数码管组成报警电路由发光二极管和分压电阻组成，数值比较器部分采用两片74ls85分别设置0和5与个位进行比较。 1.秒脉冲产生电路
该脉冲发生电路是由555定时器接成的多谐振荡电路组成，秒脉冲发生电路如图2所示。
U
图2 秒脉冲发生电路
2
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当接入VCC之后，电容C1开始充电，当C1两端电压达到2/3VCC时充电完成，并开始放电，当C1两端电压降低至1/3VCC放电完成，并开始充电，周而复始不断循环。C1充电与放电产生振荡，并最终从U端输出脉冲信号。根据C1的充电与放电的时间可求出输出脉冲信号的周期。
充电时间T=（R+R）Cln(放电时间T=RCln(
)=(R+R)Cln2
)=RCln2
因此电路的振荡周期为
T=T+T=(R+2R)Cln2,
所需产生的脉冲信号为秒脉冲，周期为1秒，即T=1s. 设R=10k,R=50k,则C=13.1uf. 2.计数电路
计数器选用的是十进制同步可逆加/减计数器74ls192，它采用8421BCD码二—十进制编码，74ls192芯片引脚图如图3所示。
图3 74ls192芯片引脚图
LOAD′为 图3中，UP为加法计数输入端，DOWN为减法计数输入端，CLR为清零端，
预置端。A、B、C和D为数据输入端，QA、QB、QC和QD为数据输出端，BO为借位输出端，CO为进位输出端，其功能表如表1所示。
表1 74ls192的功能表
UP × ↑ 1 ×
DOWN × 1 ↑ ×
LOAD′ 0 1 1 ×
3
CLR 0 0 0 1
操作 预置 加计数 减计数 清零
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由表1可以看出，当LOAD′=0，CLR=0时，计数器处于置数状态。当CLR=1时，计数器处于清零状态。当LOAD′=1，CLR=0，UP=1时，当有脉冲加到DOWN端，则计数器进行减法计数，上升沿有效，当减到0时，在下一个上升沿到达时BO端输出低电平，减计数电路连接图如图4所示。
图4 减计数电路连接图
当计数未减为00时，BO端输出高电平，多谐振荡器输出的秒脉冲跟BO高电平相与后还是秒脉冲输入到DOWN端，此时计数器进行减一操作，当计数减到0时，BO输出低电平，相与后始终为低电平输入到DOWN端，计数将停止在00状态。 3.预置清零电路
当LOAD′=0，CLR=0时，计数器处于置数状态，因十位数、个位数计数器四个数据输入端DCBA分别为0011和0000，故预置数为30.预置电路如图5所示。
图5 30秒预置电路
4
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由于74ls192采用的是8421BCD代码，，因此应预置为00110000.根据74ls192功能表可知，当LOAD’=0时为置数状态，LOAD’ =1为计数状态。因此当S1接至1端时，电路置数00110000，译码显示在数码管上的数为“30”。当S1接至2端时，计数器开始递减计数。 4.清零电路
将双掷开关接至计数器的CLR端即可实现清零功能，清零电路如图6所示。
图6 清零电路 3 4 当双掷开关S2接至3端时，计数器进行递减计数；接至4端时，计数器清零。 5.数值比较电路
数值比较电路采用两片74ls85，分别设置数值“0”和“5”与个位数进行比较，只要个位上数值等于其中一个，则输出高电平，锁存器导通并在数码管上显示出来，以实现每隔5秒显示一次时间。74ls85芯片引脚图如图7所示。
图7 74ls85芯片引脚图
在图7中，A3～A0为字A输入端，B3～B0为字B输入端，AGTB为A>B级联输入端，AEQB为A=B级联输入端，ALTB为A 沈阳航空航天大学综合课程设计 表2 74ls85的功能表 比较输入 A3 B3 A2 B2 A3>B3 A3 A1 B1 × × × × A1>B1 A1 级联输入 A Y H L H L H L H L H L L L L H 输出 Y L H L H L H L H L H L L L H Y L L L L L L L L L L H H L L A3=B3 A2>B2 A3=B3 A2 U EN QD1 QC1 QB1 QA1 图8 数值比较电路图 6 沈阳航空航天大学综合课程设计 6.锁存电路 锁存电路中采用两片四输入的74ls77分别对十位和个位上的数据进行锁存，芯片74ls77各引脚图如图9所示。 图9 74ls77的引脚图 在图9中，D3～D0为数据输入端，Q3～Q0为数据输出端，EN0～1、EN2～3为数据使能端，当使能端有效时允许数据通过。锁存电路连接图如图10所示。 2Q0 EN QA2 2Q1 QB2 2Q2 QC2 2Q3 QD2 1Q0 QA1 1Q1 QB1 1Q2 QC1 1Q3 QD1 图10 锁存电路连接图 7 沈阳航空航天大学综合课程设计 7.译码显示电路 译码显示电路采用具有译码和显示两个功能的译码显示器。译码显示的管脚图如图11. 译码显示电路由两个带有译码功能的数码管组成，分别接至十位和个位数据锁存器的输出端， 当锁存器使能端有效时，数码管将显示此刻的计数。 8.报警电路 报警电路接至74ls192的BO’端，当显示为00时，BO’端输出低电平，LED发光，从而起到报警作用，报警电路如图12所示。 2Q3 2Q2 2Q1 2Q0 图11 译码显示器 图12 报警电路 1Q3 1Q2 1Q1 1Q0 BO 三、 性能测试 1.秒脉冲产生电路的测试 将示波器接在秒脉冲产生电路的输出端，可以观察到产生的秒脉冲信号如13所示。 8 沈阳航空航天大学综合课程设计 图13 秒脉冲产生电路输出波形测试 从示波器波形可以看出，秒脉冲周期为T=1.009s. 2.电路整体性能测试 将双掷开关S2接至3端、S1接至1端，译码显示器显示“30”字样，置数完成，30秒置数如图14所示。 图14 30秒置数测试 9 沈阳航空航天大学综合课程设计 将开关S1接至2端时，计数器开始进行减一操作，如图15所示。在图15中，当计数至28时，因个位上数不是0和5，故不输出此时的数据，继续锁存30。 图15 计数测试 当计数到25时，此时个位上数值为5满足锁存条件，故输出此时的数据25，如 图16所示。 图16 个位为5锁存测试 10 沈阳航空航天大学综合课程设计 当计数到20时，此时个位上数值为0满足锁存条件，故输出此时的数据20，如图17所示。 图17 个位为0锁存测试 在计数过程中，U3、U4两个数码管依次显示30、25、20、15、10、05、00。当计数减到00时，此时计数器U2的BO’端输出低电平，发光二极管点亮，实现报警。如图18所示。 图18 报警电路测试 11 沈阳航空航天大学综合课程设计 当双掷开关S2接至4端，此时计数清零端有效，实现清零，清零测试如图19所示。 图19 清零测试 四、 结论 根据以上实验仿真测试结果，秒脉冲产生的脉冲周期为1秒，计数器可以实现预置、清零、每隔5秒显示一次时间、计数结束后报警四个功能。设计方案基本完成了设计的要求，总体来说比较可行，电路也比较简单，思路也很清晰。但也存在一点问题，在计数到满足锁存条件的数据时，不会马上输出显示数据，而是有一定延迟，但是是在数字变化之前输出，需进一步改善。 五、 性价比 该电路总体设计比较简单，报警电路用发光二极管代替，成本低，效果也不错。综合各种因素来看，该方案所设计的电路比较经济实惠。该电路中的元件价格低廉，但电路的总体性能比较稳定，操作也很方便。 六、 课设体会及合理化建议 刚接到课设题目时，自己头脑里就有一定的思路，感觉不是很难，于是开始寻找资料，要连接好电路图必须需要了解你所用的芯片的各个管脚的功能，及其它的功能表，于是漫长的查找资料时间开始了，了解芯片之后，就是根据课设要求连接电路图并进行软件仿真。555定时器组成的多谐振荡器产生秒脉冲电路和30秒倒计数电路连接仿真都很成功，在验证锁存电路以实现每隔5秒显示一次时间时遇到了难题，没有很好的锁存住所需要的数据，例如需要显示25秒时，不仅显示25秒还显示24 12 沈阳航空航天大学综合课程设计 秒，这就是未能成功锁存住数据，在这个问题上我也尝试了多种方法也没有成功解决了这问题，后来在经过与做同一题目的同学交流了好一段时间才给以解决了。 通过本次课设，我对数字电路知识有了更深的了解，更加熟练地把所学到知识运用到实际应用中，在设计过程中，遇到了很多的问题，但都一一解决了，稍有成就感。通过课设，我在分析问题，解决问题等方面的能力得到了很大的提升。作为一名学电子专业的学生，必须养成谨慎的态度，不能粗心大意，这样在设计电路的同时才能尽可能地减少不必要的错误，注重细节，细节决定成败，在课设过程有很好的体现。最后感谢徐老师在这过程给予我的帮助和指导，还有希望学校尽可能增加课程设计的次数，让我们所学到的知识能够得以运用，毕业后更容易地融入到社会中。 参考文献 [1] 阎石主编.数字电子技术.[M]北京：高等教育出版社，2006年 [2] 康华光编.电子技术基础（数字部分）.[M]北京：高等教育出版社，2000年 [3] 陈振官等编著.新颖高效声光报警器.[M]北京：国防工业出版社，2005年 [4] 朱定华主编.电子电路测试与实验.[M]北京：清华大学出版社，2004年 [5] 余孟尝主编.数字电子技术基础简明教程（第三版）.[M]北京：高等教育出版社，2006年 13 沈阳航空航天大学综合课程设计 附录I 总电路图 14 沈阳航空航天大学综合课程设计 附录II 元器件清单 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 编号 U1 U2 U3 U6 U7 U8 U9 U4 U5 U10A U14A U12A S1 S2 U15A R1 R2 R3 C1 C2 U10 名称 555定时器 十进制加/减计数器 锁存器 数值比较器 译码显示器 与门 或门 单刀双掷开关 非门 电阻 电阻 电阻 电容 电容 发光二极管 型号 LM555CN 74LS192D 74LS77W 74LS85D DCD_HEX_BLUE 74LS08D 74LS32D SPDT 74LS04D 10K 50K 20Ω 13.1uf 0.01uf LED1 数量 1 2 2 2 2 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 15 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容