30秒定时器设计解析

郑州科技学院

数字电子技术课程设计任务书

专业自动化班级一班学号xxxxx姓名 xxxx

一、设计题目30秒定时器

二、设计任务与要求

1. 倒计时定时器，计数时间间隔1秒。

2. 用数码管显示计数值。

3. 可以复位和暂停。

4. 计时结束后报警。

三、参考文献

[1] 江晓安，董秀峰. 数字电子技术. 西安：西安电子科技大学出版社，2008

[2] 王毓银. 脉冲与数字电路（第3版）. 北京：高等教育出版社，1999

[3] 谢自美. 电子线路设计、实验、测试，第二版. 武汉：华中科技大学出版社，2000

[4] 陈明义. 电子技术课程设计实用教程. 长沙：中南大学出版社，2010

四、设计时间

年月日至年月日

指导教师签名：

专业负责人签名：

年月日

郑州科技学院

《数字电子技术》课程设计

题目30秒定时器

学生姓名

专业班级

学号

院（系）电气工程学院

指导教师

完成时间

目录

1 设计目的 (1)

2 设计思路 (1)

3 设计过程 (1)

3.1 方案论证 (1)

3.2 电路设计 (2)

4 系统调试与结果 (10)

5 心得体会 (11)

6 参考文献 (12)

附录1 原理图 (13)

附录2 实物图 (14)

附录3 元器件清单 (15)

1 设计目的

（1）熟悉集成电路的引脚安排。

（2）掌握芯片的逻辑功能及使用方法。

（3 ）了解电路板结构及其接线方法。

（4）了解30秒定时器的组成及工作原理。

（5）熟悉30秒定时器的设计与制作。

2 设计思路

本次设计电路需要设计一个具有30秒倒计时功能的电路，计数时间间隔一秒，并且在倒计时过程中可以对电路进行暂停、继续和重置的功能，在倒计时结束时，即数码管显示00后，发出相应的报警信号。

我们可以用555定时电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波脉冲，将该方波脉冲信号送到计数器74LS192的CP减计数脉冲端,再通过译码器74LS48把输入的8421BCD码经过内部电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，本次电路用一个发光二极管作报警信号。

3 设计过程

3.1 方案论证

30秒倒计时的总体方框图如图3-1所示

秒脉冲发生器

译码

显示计数器

控制电路报警电路

图3-1 总体电路框图

30秒定时器主要有秒脉冲发生器、控制电路、计数器、译码显示和报警电路四部分组成。计数器完成30秒减计时功能，而控制电路是直接控制计数器的清零、启动计时、暂停/继续计数、译码显示等功能。当操作直接清零开关时能够使计数器清零并且数码显示00；当启动计数时，计数器完成置数功能，数码显示30并开始递减；当暂停开关闭合时，控制电路封锁时钟脉冲信号，计数器处于封锁状态，停止计数，当暂停开关断开时，计数器继续计数；当计数结束时，数码管显示00，报警电路接通，即发光二极管发光。秒脉冲发生器可以产生电路的时钟脉冲和定时标准的信号，用555定时电路作为秒脉冲发生器，555定时器结构简单，使用灵活，用途广泛，可以组成多种波形发生器﹑多谐振荡器﹑定时延时电路﹑单稳态触发器﹑双稳态触发器﹑报警电路﹑检测电路﹑频率变换电路等。

3.2 电路设计

(1) 计数器模块电路

计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。本实验中计数器选用中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是异步、可预置的十进制加法/减法计数器，它采用8421BCD码二-十进制编码，其功能表如表3-1所示。

由此看出,当LD=1,CR=0,CPD=1时,如果有时钟脉冲加到CPU端,则计数器在预置数的基础上进行加法计数,当计数到9时,CO端输出进位下降沿跳变脉冲；当LD=1，CR=0，CPD=1时，如果有时钟脉冲加到CPD端，则计数器在预置数

的基础上进行减法计数，当计数到0时，BO 端输出借位下降沿跳变脉冲。由此设计出三十进制减法计数器，具体电路图如图3-2所示。图中Q A ～Q D 分别接七段译码器的四个输入端。LOAD 为预置输入控制端，低电平有效 ，CLR 为异步清零端，高电平有效。由于本次电路需要计数器进行减法运算，所以74ls192中的UP 端即CPU 加计数时钟输入端需要一直处于高电平，所以UP 端直接和电源相连。图中的CLR 即为74ls192芯片的MR 清零端，所以要一直接低电平，电路中直接接地。图中预置数为（0011 0000）8421BCD =（30）10 。当低位计数器的借位输出端BO 输出借位脉冲时，高位计数器才开始进行减法计数。当计数到高、低位计数器都为零时，高位计数器的借位输出端BO 输出借位脉冲，使置数端LD=0，则计数器完成计数，相应的报警电路导通。图中第二个计数器的DOWN 即CPD 减计数时钟输入端需要连接相应的脉冲信号，以控制计数器的正常工作。

图3-2 计数器电路

74LS192的管脚图和功能如图3-3所示

图3-3 74ls192管脚排列及逻辑符号

U7

74LS192D

经查阅资料得：CPU等同于在Multisim软件中的UP端，即表示加计数时钟输入端；CPD等同于在Multisim软件中的DOWN端，即表示减计数时钟输入端。PL表示预置输入控制端，异步预置，等同于LOAD端。TCU为进位输出，等同于CO；TCD为借位输出，等同于BO。

（2）秒脉冲发生器

秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，秒脉冲信号输入到计数器的减计数时钟输入端，完成计数的功能。秒脉冲可以由555定时器电路组成的多谐振荡器提供。555定时器是一种模拟和数字相混合的集成电路，其结构简单，使用灵活，用途广泛，可以组成多种波形发生器﹑多谐振荡器﹑定时延时电路﹑单稳态触发器﹑双稳态触发器﹑报警电路﹑检测电路﹑频率变换电路等。通常只需在555定时器外接几个阻容元件就可以很方便的构成施密特触发器和多谐振荡器。

用555定时器构成多谐振荡器电路如图3-4a所示，多谐振荡电路是一种无稳态电路，它在接通电源后不需要外加触发信号，电路状态能够自动地不断变换，产生矩形波的输出，如图3-5所示的示波器输出。电路中有两个暂稳态,利用电源V CC通过R1和R2向电容器C充电,使u O逐渐升高,升到2V CC/3时,u O跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容器C通过电阻R2和D端放电,使u O下降,降到V CC/3时,u O跳变到高电平,D端截止,电源V CC又通过R1和R2向电容器C充电。如此循环,振荡不停, 电容器C在V CC/3和2V CC/3之间充电和放电,输出连续的矩形脉冲,其波形如图3-4b所示。

图3-4 555 构成的振荡电路及其波形

图3-5 555定时器发出的矩形波

输出信号u O 的脉宽t W1、t W2、周期T 的计算公式如下:

t W1＝0.7(R 1＋R 2)C (3-1)

o

u u V 32V 3

1（a ）

（b ）

t W2＝0.7R2C (3-2) T＝t W1＋t W2＝0.7(R1＋2R2)C (3-3) 根据要求，该系统中要使555构成的多谐振荡电路产生10Hz的脉冲，因此我们可以令R1= 47kΩ，R2= 47kΩ，C= 0.1uF，得到周期T=0.7(47+2X47)X0.01=0.987 S，按照图3-6连接的电路就可以产生10Hz的方波脉冲，即时间为一秒。

图3-6 秒脉冲发生器电路

在实际电路中我们用NE555定时器芯片，其管脚排列图如图3-7所示

图3-7 NE555定时器芯片管脚图

经查阅资料可得图中各引脚代表为：1地GND 2触发3输出4复位5控制电压6门限(阈值）7放电8电源电压Vcc 。

（3）控制电路

控制电路即要满足对电路的启动、暂停、继续、重置的功能，其中电路的启动和重置要结合74ls192的预置端，当预置端LOAD接低电平时，电路时钟输入封锁，完成预置，显示30，所以此时秒脉冲对计数器无效，只有LOAD为高电平时，74ls192才接受脉冲，开始减数。利用这一特性，用一个单刀双掷开关即可完成电路的预置和启动的功能。另一部分，在电路运行过程中，要对电路进行暂停和继续的操作，也就是说不影响秒脉冲的产生，而只是暂时让计数器接受不到传过来的秒脉冲。由此可以想到用一个与门电路连接秒脉冲的输出和控制电路，当执行暂停操作时，控制电路输出低电平，则与门输出为低电平，此时计数器接收不到脉冲信号而停止工作；当执行继续操作时，控制电路输出高电平，与门输出则为高电平，计数器接受脉冲信号，继续进行计数工作。由于由与非门构成的基本RS触发器有直接置零端和直接置一端，因此可以用基本的RS触发器来完成本部分的控制电路。电路连接图如图3-8所示，74ls00为与非门，74ls08为与门，Q点即为基本RS触发器的输出端。此时也需要一个单刀双掷开关，控制两个输入端。

图3-8 暂停/继续控制电路

（4）译码显示电路

计数器的计数结果要通过译码显示电路才能显示出来，译码显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分构成。本次电路中我们用发光二极管（LED）组成字型数码管来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此

也称LED数码管或LED七段显示器。因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成7 段字型数码管所要求的代码。我们把能够将计算机输出的BCD码换成7 段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”。因此我们采用了常用的74LS48作为电路中的译码器。图3-9是74LS48的外部管脚图

图3-9 74ls48管脚图

由于七段显示译码器74ls48输出高电平有效，所以用共阴极数码管。该七段显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。其中BI/RBO为灭灯输入端，当BI=0时，无论输入什么电平，所有字段均不显示；LT是试灯输入端，当LT=0时，BI/RBO是输出端，且BI/RBO=1，所有各段输出a～g均为1，显示字形8。RBI为动态灭灯输入，当LT=1，RBI=0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形8熄灭，故称“灭零”;RBO 为动态灭零输出，BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT＝1且RBI ＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

译码显示部分的电路如图3-10所示，数码管为共阴极，在数码管的公共接地端串联一个稳压二极管，以达到保护数码管的作用。按图示电路连接好数码管和译码器的各个对应引脚，完成译码显示的部分电路设计。

图3-10 译码显示电路

（5）报警电路

当计数器递减计数到零时, 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，如图3-11所示。当计数到零时,两计数器借位端输出多为低,故本设计将高位片借位BO反馈到二极管负极性端,此时+5V电源经电阻使发光二极管发出光电报警信号,完成报警功能,而在递减计数时,高为片借位端输出为高电平,二极管不报警。

图3-11 报警电路

4 系统调试与结果

按照设计好的电路图，先在Multisim软件中进行电路仿真，调节好各部分的参数，仿真成功后，进行元器件的选择，然后焊接电路。焊接时以单元电路为基准，一部分一部分的焊接，特别注意各个芯片引脚之间的焊接。

单元电路焊接好后，应该先认真的进行通电前的检查。检查电路中元器件是否接错，电源对地是否短路，芯片驱动电源是否连接，连线是否正确。确认无误后方可通电。

实验经仿真软件Multisim仿真无误后，经过一天的电路焊接，初步检查无误，然后通电，第一次发现电路短路，于是用万用表测量单元电路，找到短路的部分后进行修改，修改后电路接通，但是数码管显示的数正好与预置的数译码后对应相反，即本来显示00，结果显示--，于是猜测数码管接反。经对74ls48输出端测量后，发现其输出高电平，对应的数码管应该为共阴极。而我们焊接在电路中的数码管经测量为共阳极。这是由于购买元器件的时候一时疏忽，没有注意到这个问题。后经调换安装后，数码管只能显示两种状态，一个是预置的数30，一个是结束的时候显示00，并且二极管发光。也就是说，电路没有中间的状态，即计数器接收不到秒脉冲发出的脉冲信号。于是提出猜测计数器能够置数，且二极管能够导通，证明计数器和译码电路没有错。只有可能是控制电路和555定时器电路有问题。经过测量555输出有方波，且RS触发器能正常输出。这就不对了，我们测量的电路没有问题，电路连接也不错，可为什么就是不能正常工作呢？带着这些疑问，我们找到了老师，经过和老师的探讨和检查测量以后，发现用于置数的输入端A B端，本来应该AB端连接在一起和两个计数器的UP端串联后一直接高电平，即直接接到电源正极，而我们的电路却经过了单刀双掷开关，导致开关按下显示00，按上则置数30. 后经过修改后，又陆续更改了几处错误后，电路终于正常工作了。

5 心得体会

数字电子技术是电子类专业的一门非常重要的专业基础课，本周进行的数字电子技术课程设计不仅是对课本上理论知识的巩固和加深，同时也是对我们专业技能的一种提升。为期一周的课程设计，让我们深深的认识到了自己的不足，我们动手能力的欠缺，对知识的掌握不深，以及对实际电子元器件的不了解。当我们面对选题的时候，觉得都没有什么难度，利用所学的知识很容易实现。比如，我们的选题为30秒定时器的设计，看到这个题目，我立马想到了数字电子技术课上老师讲到的计数器，可以用一个计数器和译码显示电路将电路设计出来。可是当我真正接触到这个电路的设计时，才了解实际远比我想象的要复杂得多，先说计数器要选择具有减法功能的可逆计数器，然后是译码电路，要根据所选译码器的型号配对合适的数码管，比如74ls47要连接共阳极的数码管，而74ls48则要连接共阴极的数码管，千万不能搞错，还有脉冲信号、控制电路等好多细节问题要解决。因此，整个课程设计过程中显得时间非常紧张，有大量的工作要做。我们小组有四个人，大家合理分工，有负责查阅资料的，有负责分析电路的，有负责购买元器件的，还有负责焊接电路的。最后大家齐心协力，在规定时间内完成了电路的仿真，焊接，调试等过程，期间也遇到了很多问题，比如仿真不稳定、购买不到所需元器件、电路仿真成功但焊接后不工作等等。总之，这一周我们虽然很忙，但我们有条不紊的完成好每一步，充实的度过每一天，不但学到了很多知识，还加深了自己与老师和同学之间的关系。

6 参考文献

[1] 江晓安，董秀峰，等.数字电子技术（第3版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[2] 王友仁，陈则王，等.数字电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 杨力.电子技术课程设计[M].北京：中国电力出版社，2009.

[4] 杨志忠，卫桦林.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5] 唐小华，杨怿菲.数字电路与EDA实践教程[M].北京：科学出版社，2010.

[6] 李学明，孙东卫.数字电子技术仿真实训教程[M].北京：清华大学出版社，2012.

[7] 袁宏，李忠波.数字设计与仿真技术（第二版）[M].北京：机械工程出版社，2010.

[8] 曹祥，张校铭.电子元器件检修与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[9] 宋竹霞，闫丽.数字电路实验[M].北京：清华大学出版社，2011.

[10] 杨萍，张旭东.数字电路和数字系统实验与课程设计实训教程[M].北京：人民邮电出版社，2009.

附录1 原理图

附录2 实物图

附录3 元器件清单