東北大學(xué)數(shù)電課設(shè)報告

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1東 北 大 學(xué)課程設(shè)計報告課程設(shè)計名稱: 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計 專題題目： 百進制倒計時顯示報警器 指導(dǎo)教師： 楊丹 學(xué)生姓名： 羅藝博 學(xué)號：20154377 專 業(yè)： 計算機科學(xué)與技術(shù) 班級： 1507 設(shè)計日期: 2017 年 7 月 3 日 ~ 2017 年 7 月 7 日2摘要“倒計時”這一短語來源于 1927 年德國的幻想故事片《月球少女》 ，在這部影片中，導(dǎo)演弗里茲為了增加藝術(shù)效果，扣人心弦，在火箭發(fā)射的鏡頭里設(shè)計了“9、8、7、……3、2、1”點火的發(fā)射程序。這個程序得到火箭專家們的一致贊許，認(rèn)為它十分準(zhǔn)確清楚科學(xué)地突出火箭發(fā)射的時間越來越少，使人們產(chǎn)生火箭發(fā)射前的緊迫感。此后“倒計時”被普遍采用，而且超越了使用范圍，成為一個適用性極強，適用范圍極廣的詞語。時鐘電路是數(shù)字電路系統(tǒng)中的靈魂，它屬于一種控制電路，整個系統(tǒng)都在它的控制下按一定的規(guī)律工作。時鐘電路包括主時鐘振蕩電路及經(jīng)分頻后形成各種時鐘脈沖的電路。比如多路可編程控制器中的 555 多諧振蕩電路，數(shù)字頻率計中的基準(zhǔn)時間形成電路等都屬于時鐘電路。本設(shè)計是采用 555 定時器，74LS192 計數(shù)器，74LS47 數(shù)碼管譯碼器為核心元件，利用 74LS47 顯示倒計時剩余時間。當(dāng)計數(shù)到達 100 時，會自動觸發(fā)報警器，報警器為聲光報警器，報警持續(xù)時間為 10 秒。報警器報警時間由 555 定時器控制。這樣一個 100 進制倒計時報警器系統(tǒng)可運用到日常的倒計時工作中，方便人們規(guī)劃時間，而且，它還能被運用到很多更大規(guī)模的電路系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)更多功能。因此倒計時報警器系統(tǒng)的設(shè)計有很大的現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：計數(shù)器，譯碼器，555 定時器，觸發(fā)器3目錄摘要…………………………………………………………………………2第 1 章 概述 ………………………………………………………………4第 2 章 課程設(shè)計任務(wù)及要求2.1 設(shè)計任務(wù)…………………………………………………………...52.2 設(shè)計要求…………………………………………………………...5第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計3.1 方案論證……………………………………………………………63.2 系統(tǒng)設(shè)計3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明……………………………………………63.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理……………………………………73.3 單元電路設(shè)計3.3.1 單元電路工作原理……………………………………………...93.3.2 元件參數(shù)選擇………………………………………………….12第 4 章 軟件仿真4.1 仿真電路圖……………………………………………………...154.2 仿真過程………………………………………………………...164.3 仿真結(jié)果………………………………………………………...16第 5 章 結(jié)論………………………………………………………………17參考文獻…………………………………………………………………..18收獲、體會和建議………………………………………………………..194第 1 章 概述火箭發(fā)射倒計時、高考倒計時、電影上映倒計時……“倒計時”一詞常常出現(xiàn)在我們的日程生活中，倒計時計數(shù)器已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵罚o人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂帶來了極大的方便。盡管目前市場上已有現(xiàn)成的數(shù)字時鐘電路芯片出售，價格便宜、使用也方便，但專門用作倒計時報警的系統(tǒng)卻不曾出現(xiàn)，因此進行倒計時報警系統(tǒng)的設(shè)計是必要的。數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計是電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的一個實踐環(huán)節(jié),它使我們通過設(shè)計和搭建一個實用電子產(chǎn)品雛形,鞏固和加深在數(shù)字電子技術(shù)課程中的理論基礎(chǔ)和實驗中的基本技能,訓(xùn)練電子產(chǎn)品制作時的動手能力。通過該課程設(shè)計，設(shè)計出符合任務(wù)要求的電路,掌握通用電子電路的一般設(shè)計方法和步驟，訓(xùn)練并提高學(xué)生在文獻檢索、資料利用、方案比較和元器件選擇等方面的綜合能力,同時為畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)以后從事電子技術(shù)方面的科研和開發(fā)打下一定的基礎(chǔ)。電子電路的一般設(shè)計方法和步驟是：分析設(shè)計任務(wù)和性能指標(biāo)，選擇總體方案，設(shè)計單元電路，選擇器件，計算參數(shù)，畫總體電路圖。進行仿真試驗和性能測試。實際設(shè)計過程中往往反復(fù)進行以上各步驟，才能達到設(shè)計要求，方便同學(xué)們靈活掌握。本次設(shè)計只是簡單地應(yīng)用 74LS192、74LAS47 以及 555 定時器組成的小型數(shù)字系統(tǒng)。5第 2 章 課程設(shè)計任務(wù)及要求2.1 設(shè)計任務(wù)本設(shè)計為實現(xiàn)計數(shù)報警功能。（1） 技術(shù)報警器的計數(shù)脈沖用按鍵產(chǎn)生，需要一個按鍵脈沖電路；（2） 計數(shù)報警器能對輸入脈沖計數(shù)，最大值為 99，因此設(shè)計一個 100 進制的加法計數(shù)器；（3） 當(dāng)基數(shù)達到最大值時進行 10 秒的聲光報警，因此設(shè)計一個定時電路；（4） 為了能夠顯示數(shù)字，需要設(shè)計一個顯示譯碼電路。2.2 設(shè)計要求獨立完成系統(tǒng)的原理設(shè)計。說明系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，應(yīng)達到技術(shù)指標(biāo)，進行方案論證，確定設(shè)計方案。系統(tǒng)中包含的中、小規(guī)模集成電路的種類至少在六種以上。畫出電路圖，說明各部分電路的工作原理，初步選定所使用的各種器件的主要參數(shù)及型號，列出元器件明細表。系統(tǒng)中包含的中小規(guī)模集成電路的種類至少在六種以上。根據(jù)理論設(shè)計用 multisim 在計算機上進行仿真。驗證所設(shè)計方案的正確性。6第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計3.1 方案論證倒計時警報器系統(tǒng)中 100 進制的計數(shù)用 74LS192 可以實現(xiàn)，需要兩片74LS192 來實現(xiàn)進位顯示 00—99，數(shù)字的顯示用譯碼器 74LS47 和共陽極數(shù)碼管組成，脈沖信號用按鍵控制，555 定時器可以實現(xiàn) 10 秒定時作用，聲光報警部分用 LED 燈和蜂鳴器實現(xiàn)，所以此方案正確。3.2 系統(tǒng)設(shè)計3.2.1 結(jié)構(gòu)框圖及說明控制電路計數(shù)部分 定時間路7圖 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖說明：本設(shè)計為實現(xiàn)計數(shù)報警功能，技術(shù)報警器的計數(shù)脈沖用按鍵產(chǎn)生，需要一個按鍵脈沖電路；計數(shù)報警器能對輸入脈沖計數(shù)，最大值為 99，因此設(shè)計一個100 進制的加法計數(shù)器；當(dāng)基數(shù)達到最大值時進行 10 秒的聲光報警，因此設(shè)計一個定時電路；并且為了能夠顯示數(shù)字，需要設(shè)計一個顯示譯碼電路。3.2.2 系統(tǒng)原理圖及工作原理譯碼電路 報警部分8U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U3A74LS00NU774LS47NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U874LS47NA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCON TRIVCC5V510VCC5V VCCVCC5VVCC5VVCC5VR11kΩC21uF 27LED1U11SONALERT200Hz29U9ABCDEFGCA12131415161718VCCU10ABCDEFGCA202122232425VCCVCC5V19U12A74LS00NVCCR4500Ω5%VCC5VVCCJ2Key= SpaceGNDGNDVCC5V VCC46 3110 0VCCC1100uF 260035302U4A74LS00N2831VCC1789圖 3.2 系統(tǒng)原理圖說明：原理圖如圖 3-1 所示。此設(shè)計為實現(xiàn)計數(shù)報警器的功能，報警器的計數(shù)脈沖需用按鍵產(chǎn)生。運用兩片十進制計數(shù)器 74LS192 實現(xiàn) 100 進制，從而完成計時。而譯碼部分運用 74LS47N 和共陽極數(shù)碼管組成，顯示計時的時間，顯示從 009到 99 之間的數(shù)字。555 定時器組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，能夠產(chǎn)生 10 秒的定時，使計數(shù)報警器工作。開始時，按鍵產(chǎn)生計數(shù)脈沖所需信號，從而使 74LS192 開始計時，當(dāng)?shù)褂嫊r完成，即顯示 99 時，LED 燈開始發(fā)光，同時蜂鳴器開始響，這樣的報警形式將持續(xù) 10 秒，10 秒后停止。3.3 單元電路設(shè)計3.3.1 單元電路工作原理定時報警部分定時報警部分的設(shè)計主要運用 555 定時器，LED 燈和蜂鳴器組成，10 秒報警可以調(diào)節(jié) 555 組成的單穩(wěn)態(tài)定時器中的 R2 和 C2 調(diào)節(jié)，運用公式 t=1.1RC 來計算，R2 、C2、C1 與 555 定時器組成單穩(wěn)態(tài)定時器，觸發(fā)輸入端 UTR 作為觸發(fā)輸入端，將 VTD 和 R1 構(gòu)成的反相器輸出電壓 UDIS 接至閥值輸入端 UTH，并在閥值輸入端 UTH 對地接入電容 C1，如圖 3.3。10A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIR11kΩC21uF27LED1U11SONALERT200 Hz 29 R4500Ω5%VCC5VVCCC1100uF260035圖 3.3 定時報警部分100 進制計數(shù)電路部分100 進制計數(shù)電路運用 10 進制 74LS192 來實現(xiàn)，A 、B、C、D 是并行輸入端，起始狀態(tài)是清零狀態(tài)，所以 ABCD 輸入端接地，LOAD’是異步置數(shù)輸入端，所以個位接高電平，十位需從個位的進位脈沖輸出端經(jīng)過與非門實現(xiàn)高電平來計數(shù)，UP 端為進位脈沖輸入端，CLR 為異步清零輸入端，將兩個 CLK 端串聯(lián)，實現(xiàn) 99 時清零，從新計數(shù)，十位增加兩個與非門實現(xiàn)消除競爭冒險現(xiàn)象，如圖3.4。11U174LS192NA15B1C10D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4~LOAD11 ~BO 13~CO 12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4~LOAD11 ~BO 13~CO 12CLR14U3A74LS00NVCC5V10VCC5VU12A74LS00NVCC00VCC302U4A74LS00N2831圖 3.4 100 進制計數(shù)電路部分譯碼器顯示部分譯碼器顯示部分是由 74LS47 譯碼器和共陽極數(shù)碼管組成的，ABCD 是輸入端需要和 74LS192 的輸出端相對應(yīng)一一連接，三個控制端 LT＇、BI/RBO’和 RBI’，LT’為燈測試輸入端，BI’/RBO’為滅零輸入和滅零輸出端，RBI’為滅零輸入端，為使 74LS47 正常工作，此時三者都接高電平，數(shù)碼管要想正常工作需要接一定的高電平，如圖 3.5。12U774LS47NA7 B1C2 D6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB12OG 14~LT3~RBI5 ~BI/RBO4VCC5VVCC VCC5VU9ABCDEFGCA12131415161718VCC圖 3.5 譯碼器顯示部分3.3.2 元件參數(shù)選擇表 3.1 元件參數(shù)選擇表器件 數(shù)量和規(guī)格74LS192 2 片74LS47 2 片74LS00 1 片555 定時器 1 片電阻 1K 歐 1 個 500 歐 1 個電容 100uF1 個 1uF1 個共陽極數(shù)碼管 2 個發(fā)光二極管 1 個蜂鳴器 1 個導(dǎo)線 若干注：74LS192：74LS192 是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號如下所示：13圖 3.6 74LS192 引腳排列及邏輯符號74LS47：74LS47 是 BCD-7 段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，74LS47 的功能用于將 BCD 碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的數(shù)字，通過它來進行解碼，可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的數(shù)字，從而簡化了程序，節(jié)約了單片機的 IO 開銷。其引腳排列及邏輯符號如下所示：圖 3.7 74LS47 引腳排列及邏輯符號555：555 集成電路是 8 腳封裝，雙列直插型，如圖 3.7 所示，按輸入輸出的排列可看成如圖2(B)所示。其中 6 腳稱閾值端 (TH)，是上比較器的輸入；2 腳稱觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入；3 腳是輸出端(Vo) ，它有 O 和 1 兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7 腳是放電端(DIS) ，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復(fù)位端(MR)，加上低電平時可使輸出為低電平； 5 腳是控制電壓端(Vc),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8 腳是電源端，1 腳是地端。14圖 3.7 555 引腳排列及邏輯符號15第 4 章 軟件仿真4.1 仿真電路圖U174LS192NA15 B1C10 D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4~LOAD11 ~BO 13~CO 12CLR14U274LS192NA15 B1C10 D9UP5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN4~LOAD11 ~BO 13~CO 12CLR14U3A74LS00NU774LS47NA7 B1C2 D6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG 14~LT3 ~RBI5 ~BI/RBO4U874LS47NA7 B1C2 D6OA 13OD 10OE 9OF 15OC 11OB 12OG 14~LT3 ~RBI5 ~BI/RBO4A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5V510VCC5VVCCVCC5VVCC5VVCC5VR11kΩC21uF27LED1U11SONALERT200 Hz 29U9ABCDEFGCA12131415161718VCCU10ABCDEFGCA202122232425VCCVCC5V19U12A74LS00NVCCR4500Ω5%VCC5VVCCJ2Key = SpaceGNDGNDVCC5VVCC4631100VCCC1100uF260035302U4A74LS00N2831VCC1789圖 4.1 仿真電路圖在各單元電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，用 Multisim 軟件把各單元電路連接起來，畫出符合軟件要求的系統(tǒng)整體邏輯電路圖。系統(tǒng)整體電路設(shè)計完成后，對系統(tǒng)整體進行仿真，驗證設(shè)計的正確性。進入仿真狀態(tài)后，當(dāng)按動脈沖開關(guān)時，數(shù)碼管可以顯示 00 至 99 之間的所有數(shù)值，當(dāng)數(shù)碼管顯示 99 時，LED 燈發(fā)光，并且持續(xù)亮 10 秒，所以電路的設(shè)計是正確的。如圖 4.1 電路仿真圖。164.2 仿真過程仿真軟件開關(guān)打開后，按下空格鍵（即打開開關(guān) Key，如圖 4.1 左下側(cè)所示） ，電路接通，計時部分開始工作，并可以看到數(shù)碼管開始顯示數(shù)字（如圖 4.1右上側(cè)所示） ，即此時計時部分正常工作，此數(shù)字為計時所顯示時間，待到數(shù)碼管顯示 99 時，也即是計夠 100 時，報警部分（如圖 4.1 右下側(cè)）開始工作，LED 燈開始亮，并且蜂鳴器開始鳴響，此過程將持續(xù) 10 秒，10 秒后結(jié)束。再次按開關(guān)鍵，整個電路停止工作。4.3 仿真結(jié)果在仿真的過程中，出現(xiàn)的結(jié)果基本符合要求，計數(shù)器的工作也很理想，蜂鳴器正常響起，指示燈動作也很好，倒計時結(jié)束時，自動進行下一次倒計時，并且開關(guān)也能正?？刂普麄€系統(tǒng)的控制。唯一不足的是，整個系統(tǒng)只能進行100 進制的倒計時，若想更改進制數(shù)，需要重新連接電路，可能并不能滿足用戶多個進制倒計時計數(shù)的要求，使計數(shù)有些局限，但整個系統(tǒng)還是可以滿足日常多數(shù)情況下的需求。除此之外，報警系統(tǒng)的時間也并不能有多重選擇，時間仍是取決于電路連接和電容電阻選擇，但同樣，10 秒也能滿足大部分情況的需要。不過，總的來說，從電路的設(shè)計，畫圖，原件的選擇到電路的連接的過程感覺還是很順利的，基本沒有遇到過多問題，而且仿真結(jié)果還是比較令人滿意的，比較成功。17第 5 章 結(jié)論此 100 進制倒計時報警器可以順利完成所預(yù)期的任務(wù)，系統(tǒng)開始運行之后，正常倒計時，并在計時到 100 時出發(fā)報警系統(tǒng)，LED 燈亮起，蜂鳴器開始報警。而且整個系統(tǒng)的關(guān)閉也能正常執(zhí)行。數(shù)碼管顯示數(shù)字 計數(shù)和顯示部分正常工作LED 燈亮，蜂鳴器響 報警部分正常工作并且，通過這次對數(shù)字鐘的設(shè)計與制作，對電子技術(shù)有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次數(shù)字電子鐘的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的知識與實踐相結(jié)合。從而對我們學(xué)的知識有了更進一步的理解，使我們進一步加深了對所學(xué)知識的記憶。18參考文獻[1] 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軟件時，由于都是英文專業(yè)詞匯，而平時做實驗時都是老師講過怎么找所需要的元件，而這次是自己找元件，因此，想找到自己想用的元件并非一件容易的事，有時會遇到費勁找到的元件發(fā)現(xiàn)不對的情況。這真的不是一件讓人愉快的事情。但真正當(dāng)自己完成仿真后，就會有一種我平時制作模型結(jié)束時的成就感。除此之外，它讓我對課本知識進行了融會貫通，畢竟，要設(shè)計一個完整的電路，單靠某一章節(jié)或某一部分的知識是不夠的，要在整本書中找自己需要的東西，簡單的說，就要做到學(xué)以致用。在考慮問題時，不要指望一次就能把問題考慮成熟，要做好不斷否定并不斷修改的準(zhǔn)備。在沒有做課設(shè)之前，我對課本知識是很模糊的學(xué)習(xí)也是為了應(yīng)付一下期末考試，現(xiàn)在讓我對課本知識有了更透徹的了解。因此，其實這次課程設(shè)計也算是對數(shù)電課程的一次復(fù)習(xí)。也算是對自己的期末考試有所幫助吧。20紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。單純依靠課本學(xué)習(xí)，其實對于我們學(xué)生而言是遠遠不夠的，因此就需要我們?nèi)プ鲆恍┱n程設(shè)計，真正做到自己動手，這樣才能使我們積累一些經(jīng)驗，不至于當(dāng)我們步入社會，進入工作單位時，什么都不了解。建議：其實很希望將自己設(shè)計的東西真正實物實現(xiàn)，這樣更能提高我們的動手能力和學(xué)習(xí)能力，真正連成實物之后，對于我們自身來說能力將會有一個質(zhì)的提升。