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7结论…………………………………………………………………14
谢辞…………………………………………………………………15
参考文献……………………………………………………………16
引言
本次实训课题为设计一个两位倒计时器,本次实训有着锻炼学生自主设计,自主学习,自己动手的意义与目的。
两位倒计时器设计参数要求达到0~99秒的倒计时,并要求能按键复位。
本次实训应解决数码管的封装与PCB的布线问题。
倒计时器的应用领域非常广泛,我们可以把它用在篮球比赛的倒计时,足球比赛的倒计时,抢答器中的倒计时,甚至是航天飞机的倒计时。
1电路原理设计
要做成一个倒计时器,首先要理解怎么样才是一个倒计时器。
倒计时器是有“时”、“分”、“秒”组成,能实现时分秒的6位倒计时器。
本系统采用定时器、计数器、译码器、显示器、校时电路组成。
由LED七段数码管来显示译码器所输出的信号。
采用了74LS系列中小规模集成芯片。
总体的设计方案如下。
1.1设计思路:
倒计时器,要实现倒计时,首先要给设定一个1秒钟的定时器,在这个电路上本组选用了555定时器来实现这个目的,经过555定时器,做成一个多谐振荡电路,做成1秒1次的脉冲以后,从输出端输出一秒一次的脉冲;
其次,需要一个计数的芯片,在这方面,本组选用了74LS192,因为这个芯片,在上课的时候学过,并且原理比较熟悉,然后把1秒1次的脉冲接给计数器,实现倒着计数的功能,在置数端置成需要的数;
然后,能实现倒着计数功能以后,就需要译码阶段,从计数器的输出端接入译码器的输入端,对应接入译码器,我们选择74LS48,4线-7段译码器来进行译码;
最后通过译码器的7个输出端,对应的接到8位共阴二极管上,使输出有数字显示。
这样做可以实现1位数码管显示的倒计时器,要实现多位的倒计时器,例如本次实训我们要求做的是6位倒计时器,但是由于一些原因,只做了2位的倒计时器,但是原理是一样的,要实现2位计数器的功能,则在计数这一步骤的时候,把芯片74LS192的借位输出端接到另一个计数芯片74LS192的脉冲递减计数脉冲端口上,然后在后面的环节还是一样的。
1.2设计原理图
2.各个电路设计分析
2.1多谐振荡电路
多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器,也称矩形波发生器。
“多谐”指矩形波中除了基波成分外,还含有丰富的高次谐波成分。
多谐振荡器没有稳态,只有两个暂稳态。
在工作时,电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换,由此产生矩形波脉冲信号,常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。
一、用555定时器构成的多谐振荡器
(1)电路组成:
用555定时器构成的多谐振荡器电路如图6-11(a)所示:
图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件,决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。
定时器的触发输入端(2脚)和阀值输入端(6脚)与电容相连;
集电极开路输出端(7脚)接R1、R2相连处,用以控制电容C的充、放电;
外界控制输入端(5脚)通过0.01uF电容接地。
(2)工作原理:
多谐振荡器的工作波形如图6-11(b)所示:
电路接通电源的瞬间,由于电容C来不及充电,Vc=0v,所以555定时器状态为1,输出Vo为高电平。
同时,集电极输出端(7脚)对地断开,电源Vcc对电容C充电,电路进入暂稳态I,此后,电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。
多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。
暂稳态Ⅰ的维持时间,即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈0.7(R1+R2)C;
暂稳态Ⅱ的维持时间,即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈0.7R2C。
因此,振荡周期
T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C公式1
振荡频率f=1/T。
正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比D,由上述条件可得D=(R1+R2)/(R1+2R2),若使R2>
>
R1,则D≈1/2,即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波(方波)。
经过公式1设计计算以及与实际有的电阻的阻值的比较分析,得出:
R1=15K,R2=68K,C1=10uf,C2=0.1uf
并且如下图A
图A
2.2计数电路
一、芯片名称:
十进制可预置同步可逆BCD码计数器
二、74LS192的引脚图和引脚说明:
个别引脚说明:
Cdn---减计数脉冲输入,当作减计数操作时Cup接高电平。
Cup---增计数脉冲输入,当作加计数操作时Cdn接高电平。
BO---借位输出信号,在减计数时出现,低电平有效。
CO---进位输出信号,加计数时出现,低点平有效。
LD---加载,即对计数器作置数操作时的控制信号。
当LD位某个电平时,计数器可以预置初始值,除清零控制外,其他操作被禁止。
三、74LS192的逻辑图:
四、74LS192的逻辑符号:
接线时,Cup或Cdn接单脉冲或1Hz时钟脉冲信号。
输出端QDQCQBQA接数码管,CO和BO接发光二极管。
其余的控制信号和输入信号接逻辑开关,LD对低电平有效。
五、逻辑功能表:
2.3译码电路
74LS48中文资料(引脚图,真值表及内部结构原理图)
74LS48/SN74LS48引脚功能图
工作电压:
5V
74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入(DCBA)和输出(Ya~Yg)端外,7448还引入了灯测试输入端(LT)和动态灭零输入端(RBI),以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出(BI/RBO)端。
由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能:
(1)7段译码功能(LT=1,RBI=1)
在灯测试输入端(LT)和动态灭零输入端(RBI)都接无效电平时,输入DCBA经7448译码,输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号,显示相应字符。
除DCBA=0000外,RBI也可以接低电平,见表1中1~16行。
(2)消隐功能(BI=0)
此时BI/RBO端作为输入端,该端输入低电平信号时,表1倒数第3行,无论LT和RBI输入什么电平信号,不管输入DCBA为什么状态,输出全为“0”,7段显示器熄灭。
该功能主要用于多显示器的动态显示。
(3)灯测试功能(LT=0)
此时BI/RBO端作为输出端,端输入低电平信号时,表1最后一行,与及DCBA输入无关,输出全为“1”,显示器7个字段都点亮。
该功能用于7段显示器测试,判别是否有损坏的字段。
(4)动态灭零功能(LT=1,RBI=1)
此时BI/RBO端也作为输出端,LT端输入高电平信号,RBI端输入低电平信号,若此时DCBA=0000,表1倒数第2行,输出全为“0”,显示器熄灭,不显示这个零。
DCBA≠0,则对显示无影响。
该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。
图27段显示译码器7448(a)逻辑图(b)方框图(c)符号图
图2给出了7448的逻辑图,方框图和符号图。
由符号图可以知道,4号管脚端具有输入和输出双重功能。
作为输入(BI)低电平时,G21为0,所有字段输出置0,即实现消隐功能。
作为输出(RBO),相当于LT,及CT0的与坟系,即LT=1,RBI=0,DCBA=0000时输出低电平,可实现动态灭零功能。
3号(LT)端有效低电平时,V20=1,所有字段置1,实现灯测试功能。
2.4数码管结构及原理
LED数码管的结构及工作原理
LED数码管(LEDSegmentDisplays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点,还有一种是类似于3位“+1”型。
位数有半位,1,2,3,4,5,6,8,10位等等....,LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类,了解LED的这些特性,对编程是很重要的,因为不同类型的数码管,除了它们的硬件电路有差异外,编程方法也是不同的。
图2是共阴和共阳极数码管的内部电路,它们的发光原理是一样的,只是它们的电源极性不同而已。
颜色有红,绿,蓝,黄等几种。
LED数码管广泛用于仪表,时钟,车站,家电等场合。
选用时要注意产品尺寸颜色,功耗,亮度,波长等。
下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片
图1这是一个7段两位带小数点10引脚的LED数码管
图2引脚定义
每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点.
LED数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数位,因此根据LED数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
A、静态显示驱动:
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动,或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O埠多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×
8=40根I/O埠来驱动,要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。
故实际应用时必须增加*驱动器进行驱动,增加了硬体电路的复杂性。
B、动态显示驱动:
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"
a,b,c,d,e,f,g,dp"
的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路,位元选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位元选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位元就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
在轮流显示过程中,每位元数码管的点亮时间为1~2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示资料,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O埠,而且功耗更低。
3电路仿真
三位倒计时仿真电路设计
二位倒计时仿真电路设计
4总电路设计图
4.1计时部分
2个74LS192计数器的置数端,置为9,功能始终为计数功能,个位的借位输出端,接到十位的CP脉冲端。
从而实现2位倒计时功能。
4.2译码部分及数码管显示部分
4.3总电路图
图为本次实训的设计电路图,是一个2位的99秒倒计时器,并且带有复位键S1,当S1按下的时候,计数器置成9,重新开始倒计时。
4.4PCB电路板图
5安装与调试
5.1排除逻辑故障
这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。
主要包括错线、开路、短路。
排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图,看两者是否一致。
应特别注意电源系统检查,以防止电源短路和极性错误,并重点检查芯片是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。
必要时利用数字万用表的短路测试功能,可以缩短排错时间。
5.2排除元器件失效
造成这类错误的原因有两个:
一个是元器件买来时就已坏了;
另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。
可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。
在保证安装无误后,用替换方法排除错误。
5.3排除电源故障
在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。
加电后检查各插件上引脚的电位,一般先检查VCC与GND之间电位,若在5V~4.8V之间属正常。
若有高压,联机仿真器调试时,将会损坏仿真器等,有时会使应用系统中的集成块发热损坏。
6实物图
7结论
通过这次设计,掌握了74LS192和74LS48芯片的原理,了解简单倒计时的组成原理,初步掌握了两位倒计时器的调试及测试方法,提高动手能力和排除故障的能力。
同时通过本课题设计与装配、调试,提高自己的动手能力,巩固已学的理论知识,建立数字电子技术理论和实践的结合,了解两位倒计时器各单元电路之间的关系及相互影响,从而能正确设计、计算两位倒计时器各个单元电路。
学习数字电子技术不仅仅是学习数电本身,还有它外部的扩展器件也要熟练,器件的选型要求对所设计的产品有充分的理解。
只有充分的理解,才能做到用时得心应手。
在做本次实训的过程中,我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
为了让自己的设计更加完善,查阅这方面的设计资料是十分必要的,同时也是必不可少的。
我们是在做单片机课程设计,但我们不是艺术家,他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔,而我们一切都要有据可依,有理可寻,不切实际的构想永远只能是构想,永远无法升级为设计。
谢辞
本设计是在宾恩均老师、廖晓梅老师的悉心指导下完成的。
导师渊博的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法,还使我明白了许多为人处世的道理。
本设计从选题到完成,每一步都是在导师的指导下完成的,倾注了导师大量的心血。
在此,谨向老师们表示崇高的敬意和衷心的感谢!
本设计之所以能够顺利完成,除了要特别感谢宾老师和廖老师的悉心指导之外,也离不开各位老师(你们教会我的不仅仅是专业知识,更多的是对待学习和对待生活的态度)、同学和朋友给予我的关心、支持和帮助。
在此,也要感谢辅导员及各位同学这段时间以来对我的关照,这将是我一生中最珍贵的回忆。
至此,也要特别感谢我的家人长期以来对我的大力支持与鼓励,你们永远是我坚强的后盾、前进的动力及力量的源泉。
参考文献
[1]江国强.新编数字逻辑电路习题实验与实训.北京邮电大学出版社,2008-09
[2]主编:
阎石.数字电子技术基本教程.清华大学出版社,2009-12
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