30秒倒数计时器设计

一．实验目的

理解倒计时器工作原理，实现以中小规模集成电路设计计时器的方法，它是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。它是由时钟脉冲产生电路、计数电路、译码驱动及显示电路、报时电路及电源电路组成。时钟脉冲采用555定时器构成多谐振荡电路产生，通过EDA软件Multisim10绘制了电子电路仿真原理图，并进行仿真，同时用万能板焊接制作了硬件实现电路。

二．系统原理框图

图1系统原理框图

一．1秒脉冲发生器：秒脉冲信号发生器需要产生一定精度和幅度的矩形波信号。实现这样矩形波的方法很多，可以由非门和石英振荡器构成，可由单稳态电路构成，可以由施密特触发器构成，也可以由555点哭构成等。

不同的电路队矩形波频率的精度要求不同，由此可以选用不同电路结构的脉冲信号发生器。本实验中由于脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度直接影响计数器的精度，因此要求脉冲信号有比较高的精度。一般情况下，要做出一个精度比较高的频率很低的振荡器有一定的难度工程上解决这一问题的办法就是先做一个频率比较高的矩形波震荡器，然后将其输出信号通过计数器进行多级分项，就可以得到频率比较低精度比较高的脉冲信号发生器，其精度取决于振荡器的精度和分级项数。

2．30秒减法计数器： 30秒减法计数器采用74LS192设计，74LS192是十进制同步加法|减法计数器，采用8421BCD码编码，具有直接清零异步置数功能。

3.控制电路按照系统的要求，电路应该完成以下4个功能；

1）当操作直接清零按键时，要求计数器清零。

2）当启动按键闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP（秒脉冲信号），同时计数器完成置数功能，显示器显示30秒字样。当启动按键释放时，计数器开始减法计数。

3）当暂停连续开关处于暂停状态时，控制电路封锁计数脉冲，计数器停止计数，显示器显示原来的数，而且保持不变，当暂停连续开关处于连续状态时，计数器正常计数，另外，外部操作开关都应该采取消抖措施，以防止机械抖动造成电路工作不稳定。

4）当计数器递减到零时，控制电路输出报警信号，计数器保持状态不变。

三．方案设计与论证

3.1时间脉冲产生电路

方案一：由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。

方案二:由14位二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060、BCD同步加法计数器CD4518构成的秒信号发生器。

图 2 石英晶体振荡器图

电路中利用CD4060组成两部分电路。一部分是14级分频器，其最高分频数为16384；另一部分是由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成振荡频率为32768Hz的振荡器。震荡器输出经14级分频后在输出端Q14上得到1/2秒脉冲并送入由1/2 CD4518构成的二分频器，分频后在输出断Q1上得到秒基准脉冲。

方案选择:

本课程设计中对秒脉冲信号的精度要求并不是很高，并且方案二中用CD4060和分频器构成的基准秒脉冲发生电路较于前者要复杂的多，而且CD4060和CD4518我们平常很少用，对其功能和引脚信息了解不多，所以，我们选用了方案一，用555定时器构成电路中的脉冲信号发生器。

3.2控制电路

(1) 暂停/连续控制电路

电路中通过外部操作开关控制脉冲信号的连续与暂停来实现整个电路的连续与暂停功能。通过开关控制高低电平的接入，进而控制秒脉冲是否接入计数器，从而达到暂停和连续的功能。原理图如下所示。

(2)置数/启动控制电路

利用单刀双掷开关一端接地一端接电源，控制给计数电路的复位清零引脚接入高低电平3.3计数电路

在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。

计数器的种类非常多。如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。在设计中我们选择的是同步加/减计数器74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数，其详细引脚图及功能表如下：

图3.3.1 74LS192引脚图

表3.3.1 74LS192功能表

表中CR是清零端，LD是置数端，CP

U 是加计数时钟输入端，CP

D

是减计数时钟输入端，D3

﹑D2﹑D1﹑D0DO都是计数器预置数输入端，Q3﹑Q2﹑Q1﹑Q0都是数据输出端，另外，C0

是非同步进位输出端，BO是非同步借位端输出端。

3.4译码驱动及显示单元电路

BCD码七段译码驱动器型号有74LS47（共阳）74LS48（共阴）、CD4511（共阴）等，本设计采用的是74LS48。

其中A-D为BCD码输入端;a-g为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动LED共阴数码管；LT’为测试输入端，LT’=0时，译码输出全为“1”；BI’为消隐输入端，BI’=0，译码输出端全为“0”；LE为锁定端，LE=1时译码器处于锁定状态，译码输出端保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。

74LS48内有上拉电阻，故只需要在输出端与数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。

74LS48引脚图

3.5 报警电路

设计中要求电路在计数为0时实现光电报警的功能。设计方案中发光二极管实现了这一功能。

当高位计数器的数值减到0时，向前借位借口~BO又高电平变为低电平，有点路可知这是LED二极管亮，达到光电报警的作用。

四．单元电路的设计

4.1时间脉冲产生电路的设计

由于R1=600Ω,R6=100Ω,C1=10Uf,C2=10nF，因为T=(R1+2R2)C㏑2 ，算得T=1.008 s 4.2计数电路的设计

30秒倒数计时器，只需要进行单一的递减计算，所以在设计中我选择的是同步加/减计数器74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数。

设计中通过两片74LS192的级联来实现一个30进制的计数器。当低位片从0跳到

9时，高位片进位加一，直到实现三十秒的计数功能。再者，因为要求中提到要求电路要实现倒数计时，所以74LS192的加计数器信号输入当应该加上无用性号（高电平）。计数电路的核心是置数部分。本设计中的30秒只需将两计数器的输入端分别置为0011和0000即可，采用同步置数的方式来实现30置数。因为74LS192是十进制的计数器，所以当倒计时为0时，计数器会跳到99，因此我们采用99置数来解决这个问题，最后让显示器停在30秒处。计数电路如下：

4.3 控制电路的设计

控制电路如上图所示，包括暂停/连续控制电路和置数/启动控制电路来实现整个装置的暂停计数和继续计数，重新置数和启动计数的功能。当B开关置于置数位置时，不管C置于哪端都不开始计数；当B开关置于启动端时，开关C至于连续端时开始计数，开关C至于暂停端时计数暂停。

4.4译码及驱动显示电路

译码电路的功能是将计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。用于驱动LED七段数码管的译码器常用的有74LS48。74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，其输出是OC门输出且低电平有效，专用于驱动LED七段共阳极显示数码管。如图9所示。若将计数器的每位输出分别接到相应七段译码器的输入端，便可进行不同数字的显示。

4.5电路总图

图 3 电路总图

五．调试及测试结果分析

5.1 调试

在这两周的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。领取组件后，我负责电路板上元器件的排版和我和部分模块电路的焊接，我同组人主要负责电路检查和其他部分电路的焊接。在我们的共同努力下，只经过短短的2天我们就将基本电路焊完成。但由于没有经验，加上焊接电路板的时候没有对单元电路进行检验，导致问题太多，数码管根本没有显示。通电后，稳压电源的5伏电压会突变到2伏左右，而且电路板上VCC和GND两条总线间连电压都没有，但各芯片又处于正常通电状态，由于电线太多，而且出现的问题经调试后也无法减少，所以我们决定重新焊接。这一次，我们采取“各个击破”的方式进行电路板的焊接。不过在单元电路的完成过程中也出现了一些问题，在显示电路的部分中，我们选用的是七段共阴数码管，它的公共端3脚和8脚本应都接低电平的，而我们在焊接时却不小心将8

脚接到了VCC总线上，导致数码管不能正常显示，这让我们明白在焊接过程中要绝对细心，

头脑要清楚，在焊接时要数清芯片的管脚，并正确接到别的芯片上对应的管脚上。还有在计数电路中，计数时丢失了有4和7的数，经过分析了解到，我们肯定有虚焊点的存在，通过用万用表检测问题计数器各输出端的电平，发现果然是虚焊问题导致的结果，低位计数器的Qc端一直没有电压，经过再次焊接后，计数终于恢复了正常。

基本电路完成后，我们开始灭等电路的焊接和各个暂停开关的焊接。这两部分相对比较简单。但这里偏偏也有麻烦。刚开始，我们将暂停开关放在计数器信号输入与555信号输出之间，但接上电源后，数码显示异常，而将计数信号输入与信号发生器相连，电路又运行正常。这个现象让我们把问题锁定在开关上，后来通过询问其他同学，了解到555产生的脉冲信号不稳定，而我们选用的开关是一个拨动开关，当拨动时会有较大的振动，会影响信号的传送。所以后来我们就换了开关的位置，放到电阻R1那，避免和555信号输

出端连接。改良后，电路可以正常工作。

最后做整体电路的检测，各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现要求中的启动、暂停、清零、连续功能。基本完成了此次课程设计的任务。

5.2 结果分析

(1)控制电路检查

在电路全部焊接完后，改变各开关的闭、合状态，电路的启动、连续、暂停清零等功能均得以实现，电路控制部分没有问题。

(2)显示电路检查

当将显示电路中的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管不亮，说明显示电路连接不正确。

解决方法：1）接入电源，用万用表检查电路是否焊接好且没有虚焊，并把有问题的部分重新焊接好；

2）进一步检查电源与地的接入是否接反；

3）若上述两种情况都未出现则对照各芯片的管脚图，检查在焊接过程中各管脚的连接是否接错；

(3)、计时电路检查

将本课设中所选计数器74LS192与显示电路相连，接入直流电源，用信号发生器给计数器一个1s的脉冲信号，观察计数器的计数功能，发现数码显示是在从30递减至0的过程中未出现有4和7的数，上述情况表明计数电路接触良好，但置数出现问题。解决方法：1）检查两片74LS192的数据输出端所连的置数电路，看是否有连线错误； 2）选择被用作低位显示的那片74LS192作为检测对象，在数码显示的整个

过程中用万用表测量Qc对应的6管脚的电压。看是否有时会有高电平。(4)、555脉冲发生电路检查

我们将555的输出端3接到示波器上观察到的波形为一脉冲波，其频率近似为一秒。基本符合课程设计中所需秒信号的要求。

(5)、报警电路检查

将秒信号接入计数电路，按下启动电路，观察计数为0时发光二极管的像工作情况，发现当数码显示为00时，发光二极管发光，说明报警电路光电报警功能已经实现。

结论

此次电子课程设计是理论与实践相结合的最好形式。在课题的完成过程中要求制作者要有坚实的理论基础和很强的动手能力。在设计过程中，通过自主查找数据和其他资料，接触到了很多新鲜的东西。

经过这次课程设计，才明白自己要做一个电子产品是多么的不容易。里面的过程要求我们要非常细心。要想设计并制作一个完美实用的数字电路，确实是一件不轻松的工作，不仅要有较强的动手能力，还要有灵活应用芯片理论的功底，为此需要阅读大量关于这方面的书籍。

在这次课程设计过程中，查阅了不少芯片手册，也阅读了不少有关数字电路设计的资料，其中也不乏有关篮球三十秒计时器的实例，这些都是制作电路必须的理论准备，可以为你的设计添砖铺瓦，并减少很多盲目的查找。

在实际动手过程中，焊接是最为重要的，它能直接决定电路的成败：元器件的替换，开关的选择，焊接点的精细牢靠，以及最后的调试与分析其中的每一个环节都是至关重要的。一件产品的工艺性很重要，而焊接在电路制作中则是工艺的关键。焊接也是需要技术的，焊点漂亮能给人赏心悦目的视觉感官。

综合来讲，本次的课程设计从设计带到焊接都是我们我学知识的检验。通过亲身体验说明有些在仿真软件中能行的痛的方案在实际操作电路中并不一定能行。所以在设计时就要考虑方案的可行性，最好是要准备备用的方案。在经过各种比较后，选出最佳方案再进行焊接。

整个过程中，调试也是相当重要的一部分。当电路不能得到正确的结果时，要知道怎样进行排错和调试，以得到正确的结果。一般情况下，应该先检查电路是否连对，芯片管脚是否对错；若电路连接正确，则用万用表通过电压、电阻的测量来找出电路中的问题，

并加以改正。

做完本次课题后，发现本设计中所用电路比较简单，所用元器件也比较常用，工作原理易懂，操作简单，也很适合一般人动手制作。

六．参考文献

1 《数字电子技术基础》康华光主编高等教育出版社。

2 《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社。

3 《电子线路综合设计实验教程》刘鸣主编天津大学出版。

附录I 元器件清单