东北大学数电课设报告word

1东 北 大 学课程设计报告课程设计名称: 数字电子技术课程设计 专题题目： 百进制倒计时显示报警器 指导教师： 杨丹 学生姓名： 罗艺博 学号：20154377 专 业： 计算机科学与技术 班级： 1507 设计日期: 2018 年 7 月 3 日 2018 年 7 月 7 日1摘要“倒计时”这一短语来源于 1927 年德国的幻想故事片月球少女 ，在这部影片中，导演弗里兹为了增加艺术效果，扣人心弦，在火箭发射的镜头里设计了“9、8、7、3、2、1”点火的发射程序。这个程序得到火箭专家们的一致赞许，认为它十分准确清楚科学地突出火箭发射的时间越来越少，使人们产生火箭发射前的紧迫感。此后“倒计时”被普遍采用，而且超越了使用范围，成为一个适用性极强，适用范围极广的词语。时钟电路是数字电路系统中的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。比如多路可编程控制器中的 555 多谐振荡电路，数字频率计中的基准时间形成电路等都属于时钟电路。本设计是采用 555 定时器，74LS192 计数器，74LS47 数码管译码器为核心元件，利用 74LS47 显示倒计时剩余时间。当计数到达 100 时，会自动触发报警器，报警器为声光报警器，报警持续时间为 10 秒。报警器报警时间由 555 定时器控制。这样一个 100 进制倒计时报警器系统可运用到日常的倒计时工作中，方便人们规划时间，而且，它还能被运用到很多更大规模的电路系统中，从而实现更多功能。因此倒计时报警器系统的设计有很大的现实意义。关键词：计数器，译码器，555 定时器，触发器1目录摘要2第 1 章 概述 4第 2 章 课程设计任务及要求2.1 设计任务.52.2 设计要求.5第 3 章 系统设计3.1 方案论证63.2 系统设计3.2.1 结构框图及说明63.2.2 系统原理图及工作原理73.3 单元电路设计3.3.1 单元电路工作原理.93.3.2 元件参数选择.12第 4 章 软件仿真4.1 仿真电路图.154.2 仿真过程.164.3 仿真结果.16第 5 章 结论17参考文献.18收获、体会和建议.191第 1 章 概述火箭发射倒计时、高考倒计时、电影上映倒计时“倒计时”一词常常出现在我们的日程生活中，倒计时计数器已经成为人们日常生活中必不可少的必需品，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。尽管目前市场上已有现成的数字时钟电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但专门用作倒计时报警的系统却不曾出现，因此进行倒计时报警系统的设计是必要的。数字电子技术课程设计是电子技术基础教学中的一个实践环节,它使我们通过设计和搭建一个实用电子产品雏形,巩固和加深在数字电子技术课程中的理论基础和实验中的基本技能,训练电子产品制作时的动手能力。通过该课程设计，设计出符合任务要求的电路,掌握通用电子电路的一般设计方法和步骤，训练并提高学生在文献检索、资料利用、方案比较和元器件选择等方面的综合能力,同时为毕业设计和毕业以后从事电子技术方面的科研和开发打下一定的基础。电子电路的一般设计方法和步骤是：分析设计任务和性能指标，选择总体方案，设计单元电路，选择器件，计算参数，画总体电路图。进行仿真试验和性能测试。实际设计过程中往往反复进行以上各步骤，才能达到设计要求，方便同学们灵活掌握。本次设计只是简单地应用 74LS192、74LAS47 以及 555 定时器组成的小型数字系统。1第 2 章 课程设计任务及要求2.1 设计任务本设计为实现计数报警功能。（1） 技术报警器的计数脉冲用按键产生，需要一个按键脉冲电路；（2） 计数报警器能对输入脉冲计数，最大值为 99，因此设计一个 100 进制的加法计数器；（3） 当基数达到最大值时进行 10 秒的声光报警，因此设计一个定时电路；（4） 为了能够显示数字，需要设计一个显示译码电路。2.2 设计要求独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。系统中包含的中、小规模集成电路的种类至少在六种以上。画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。系统中包含的中小规模集成电路的种类至少在六种以上。根据理论设计用 multisim 在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。1第 3 章 系统设计3.1 方案论证倒计时警报器系统中 100 进制的计数用 74LS192 可以实现，需要两片74LS192 来实现进位显示 0099，数字的显示用译码器 74LS47 和共阳极数码管组成，脉冲信号用按键控制，555 定时器可以实现 10 秒定时作用，声光报警部分用 LED 灯和蜂鸣器实现，所以此方案正确。3.2 系统设计3.2.1 结构框图及说明控制电路计数部分 定时间路1图 3.1 系统结构框图说明：本设计为实现计数报警功能，技术报警器的计数脉冲用按键产生，需要一个按键脉冲电路；计数报警器能对输入脉冲计数，最大值为 99，因此设计一个100 进制的加法计数器；当基数达到最大值时进行 10 秒的声光报警，因此设计一个定时电路；并且为了能够显示数字，需要设计一个显示译码电路。3.2.2 系统原理图及工作原理译码电路 报警部分1U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U3A74LS00NU774LS47NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U874LS47NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCON TRIVCC5V510VCC5V VCCVCC5VVCC5VVCC5VR11kC21uF 27LED1U11SONALERT200Hz29U9ABCDEFGCA12131415161718VCCU10ABCDEFGCA202122232425VCCVCC5V19U12A74LS00NVCCR45005%VCC5VVCCJ2Key= SpaceGNDGNDVCC5V VCC46 3110 0VCCC1100uF 260035302U4A74LS00N2831VCC1789图 3.2 系统原理图说明：原理图如图 3-1 所示。此设计为实现计数报警器的功能，报警器的计数脉冲需用按键产生。运用两片十进制计数器 74LS192 实现 100 进制，从而完成计时。而译码部分运用 74LS47N 和共阳极数码管组成，显示计时的时间，显示从 00到 99 之间的数字。555 定时器组成单稳态触发器，能够产生 10 秒的定时，使1计数报警器工作。开始时，按键产生计数脉冲所需信号，从而使 74LS192 开始计时，当倒计时完成，即显示 99 时，LED 灯开始发光，同时蜂鸣器开始响，这样的报警形式将持续 10 秒，10 秒后停止。3.3 单元电路设计3.3.1 单元电路工作原理定时报警部分定时报警部分的设计主要运用 555 定时器，LED 灯和蜂鸣器组成，10 秒报警可以调节 555 组成的单稳态定时器中的 R2 和 C2 调节，运用公式 t=1.1RC 来计算，R2 、C2、C1 与 555 定时器组成单稳态定时器，触发输入端 UTR 作为触发输入端，将 VTD 和 R1 构成的反相器输出电压 UDIS 接至阀值输入端 UTH，并在阀值输入端 UTH 对地接入电容 C1，如图 3.3。A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIR11kC21uF27LED1U11SONALERT200 Hz 29 R45005%VCC5VVCCC1100uF260035图 3.3 定时报警部分1100 进制计数电路部分100 进制计数电路运用 10 进制 74LS192 来实现，A 、B、C、D 是并行输入端，起始状态是清零状态，所以 ABCD 输入端接地，LOAD是异步置数输入端，所以个位接高电平，十位需从个位的进位脉冲输出端经过与非门实现高电平来计数，UP 端为进位脉冲输入端，CLR 为异步清零输入端，将两个 CLK 端串联，实现 99 时清零，从新计数，十位增加两个与非门实现消除竞争冒险现象，如图3.4。U174LS192NA15B1C10D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4LOAD11 BO 13CO 12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4LOAD11 BO 13CO 12CLR14U3A74LS00NVCC5V10VCC5VU12A74LS00NVCC00VCC302U4A74LS00N2831图 3.4 100 进制计数电路部分1译码器显示部分译码器显示部分是由 74LS47 译码器和共阳极数码管组成的，ABCD 是输入端需要和 74LS192 的输出端相对应一一连接，三个控制端 LT、BI/RBO和 RBI，LT为灯测试输入端，BI/RBO为灭零输入和灭零输出端，RBI为灭零输入端，为使 74LS47 正常工作，此时三者都接高电平，数码管要想正常工作需要接一定的高电平，如图 3.5。U774LS47NA7 B1C2 D6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB12OG 14LT3RBI5 BI/RBO4VCC5VVCC VCC5VU9ABCDEFGCA12131415161718VCC图 3.5 译码器显示部分3.3.2 元件参数选择表 3.1 元件参数选择表器件 数量和规格74LS192 2 片74LS47 2 片74LS00 1 片555 定时器 1 片电阻 1K 欧 1 个 500 欧 1 个电容 100uF1 个 1uF1 个共阳极数码管 2 个发光二极管 1 个蜂鸣器 1 个导线 若干1注：74LS192：74LS192 是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：图 3.6 74LS192 引脚排列及逻辑符号74LS47：74LS47 是 BCD-7 段数码管译码器驱动器，74LS47 的功能用于将 BCD 码转化成数码块中的数字，通过它来进行解码，可以直接把数字转换为数码管的数字，从而简化了程序，节约了单片机的 IO 开销。其引脚排列及逻辑符号如下所示：图 3.7 74LS47 引脚排列及逻辑符号1555：555 集成电路是 8 脚封装，双列直插型，如图 3.7 所示，按输入输出的排列可看成如图2(B)所示。其中 6 脚称阈值端 (TH)，是上比较器的输入；2 脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3 脚是输出端(Vo) ，它有 O 和 1 两种状态，由输入端所加的电平决定；7 脚是放电端(DIS) ，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平； 5 脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8 脚是电源端，1 脚是地端。图 3.7 555 引脚排列及逻辑符号1第 4 章 软件仿真4.1 仿真电路图U174LS192NA15 B1C10 D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4LOAD11 BO 13CO 12CLR14U274LS192NA15 B1C10 D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4LOAD11 BO 13CO 12CLR14U3A74LS00NU774LS47NA7 B1C2 D6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG 14LT3 RBI5 BI/RBO4U874LS47NA7 B1C2 D6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG 14LT3 RBI5 BI/RBO4A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5V510VCC5VVCCVCC5VVCC5VVCC5VR11kC21uF27LED1U11SONALERT200 Hz 29U9ABCDEFGCA12131415161718VCCU10ABCDEFGCA202122232425VCCVCC5V19U12A74LS00NVCCR45005%VCC5VVCCJ2Key = SpaceGNDGNDVCC5VVCC4631100VCCC1100uF260035302U4A74LS00N2831VCC1789图 4.1 仿真电路图在各单元电路设计的基础上，用 Multisim 软件把各单元电路连接起来，画出符合软件要求的系统整体逻辑电路图。系统整体电路设计完成后，对系统整体进行仿真，验证设计的正确性。1进入仿真状态后，当按动脉冲开关时，数码管可以显示 00 至 99 之间的所有数值，当数码管显示 99 时，LED 灯发光，并且持续亮 10 秒，所以电路的设计是正确的。如图 4.1 电路仿真图。4.2 仿真过程仿真软件开关打开后，按下空格键（即打开开关 Key，如图 4.1 左下侧所示） ，电路接通，计时部分开始工作，并可以看到数码管开始显示数字（如图 4.1右上侧所示） ，即此时计时部分正常工作，此数字为计时所显示时间，待到数码管显示 99 时，也即是计够 100 时，报警部分（如图 4.1 右下侧）开始工作，LED 灯开始亮，并且蜂鸣器开始鸣响，此过程将持续 10 秒，10 秒后结束。再次按开关键，整个电路停止工作。4.3 仿真结果在仿真的过程中，出现的结果基本符合要求，计数器的工作也很理想，蜂鸣器正常响起，指示灯动作也很好，倒计时结束时，自动进行下一次倒计时，并且开关也能正常控制整个系统的控制。唯一不足的是，整个系统只能进行100 进制的倒计时，若想更改进制数，需要重新连接电路，可能并不能满足用户多个进制倒计时计数的要求，使计数有些局限，但整个系统还是可以满足日常多数情况下的需求。除此之外，报警系统的时间也并不能有多重选择，时间仍是取决于电路连接和电容电阻选择，但同样，10 秒也能满足大部分情况的需要。不过，总的来说，从电路的设计，画图，原件的选择到电路的连接的过程感觉还是很顺利的，基本没有遇到过多问题，而且仿真结果还是比较令人满意的，比较成功。11第 5 章 结论此 100 进制倒计时报警器可以顺利完成所预期的任务，系统开始运行之后，正常倒计时，并在计时到 100 时出发报警系统，LED 灯亮起，蜂鸣器开始报警。而且整个系统的关闭也能正常执行。数码管显示数字 计数和显示部分正常工作LED 灯亮，蜂鸣器响 报警部分正常工作并且，通过这次对数字钟的设计与制作，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次数字电子钟的课程设计，我们才把学到的知识与实践相结合。从而对我们学的知识有了更进一步的理解，使我们进一步加深了对所学知识的记忆。1参考文献1 秦长海，张天鹏，翟亚芳数字电子技术（第一版）M北京：北京大学出版社，20122 邱关源，罗先觉电路（第五版）M北京：高等教育出版社，20063 谷树忠Altium Designer 教程M北京：电子工业出版社，2010.4 童诗白模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社，2005.1收获、体会和建议本次课程设计，上交时间刚好是考试之后的第二天，虽然时间很紧张，但我依旧花了很多时间去认真完成。一开始，我并没有什么思路，因为觉得并没有什么电路是市场上没有的，就算是市场上没有在网上也能找到很多相关文献。忽然想到了自己的键盘有计时功能，而刚好发现并没有很多倒计时与报警系统结合的系统，于是就决定做这个选题。在设计电路时，主要问题是在倒计时系统方面，一方面要完成倒计时功能，一方面要与数码管连接，此外还需满足传给报警系统信号的功能。刚开始想用74LS160 完成，发现很难实现，于是自己去图书馆查资料，但依然没找到相符合的资料，后来通过在网上进行相关的搜索，找到了解决方案，于是决定采用两个 74LS192 完成倒计时的功能。虽然此次设计过程课程设计耗费了我许多时间，但是它使我对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解，也让我认识到，实践对于我们的学习的重要性。如果没有此次实践过程，也许我的动手能力将远远低于我现在。当完成了原件的挑选，开始做仿真时，又遇到了许多麻烦，由于自己选了一些平时没有用到过元件，因此，在使用 multisim 软件时，由于都是英文专业词汇，而平时做实验时都是老师讲过怎么找所需要的元件，而这次是自己找元件，因此，想找到自己想用的元件并非一件容易的事，有时会遇到费劲找到的元件发现不对的情况。这真的不是一件让人愉快的事情。但真正当自己完成仿真后，就会有一种我平时制作模型结束时的成就感。除此之外，它让我对课本知识进行了融会贯通，毕竟，要设计一个完整的电路，单靠某一章节或某一部分的知识是不够的，要在整本书中找自己需要的东西，简单的说，就要做到学以致用。在考虑问题时，不要指望一次就能把问题考虑成熟，要做好不断否定并不断修改的准备。在没有做课设之前，我对课本知识是很模糊的学习也是为了应付一下期末考试，现在让我对课本知识有了更透彻的了解。因此，其实这次课程设计也算1是对数电课程的一次复习。也算是对自己的期末考试有所帮助吧。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。单纯依靠课本学习，其实对于我们学生而言是远远不够的，因此就需要我们去做一些课程设计，真正做到自己动手，这样才能使我们积累一些经验，不至于当我们步入社会，进入工作单位时，什么都不了解。建议：其实很希望将自己设计的东西真正实物实现，这样更能提高我们的动手能力和学习能力，真正连成实物之后，对于我们自身来说能力将会有一个质的提升。