定时电子继电器课程设计.docx
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定时电子继电器课程设计
信息与电气工程学院
课程设计说明书
(2009/2010学年第2学期)
课程名称:
电子技术课程设计
题目:
定时电子继电器
专业班级:
学生姓名:
学号:
指导教师:
设计周数:
2周
设计成绩:
2010年7月8日
目录
一、设计任务与要求…………………………………………………3
二、方案设计与论证…………………………………………………4
三、单元电路设计与参数计算和器件选择…………………………5
四、总框图和原理图…………………………………………………16
五、PCB版图绘制和元件清单……………………………………17
六、安装与调试、性能测试与分析…………………………………18
七、结论与心得………………………………………………………19
八、参考文献………………………………………………………21
九、附录表…………………………………………………………22
十、教师评语………………………………………………………25
定时电子继电器
一、设计任务与要求
1设计指标
(1)具有0-99秒的计数功能;
(2)显示0-99秒;
(3)具有0-99秒的置数功能;
(4)能够产生秒脉冲;
(5)具有比较功能,可以分别计时器和置数进行比较,相同时输出高电平控制报警装置;
(6)计时过程具有报警功能,当时间到达预置的时间时蜂鸣报警,同时二极管亮;
(7)具有反馈清零功能,当达到预置数是反馈清零,从新计数。
2设计要求
(1)依据实验要求选择元器件;
(2)画出电路原理图(或仿真电路图);
(3)根据原理图和电路图选择合适的元件参数;
(4)列出元件参数表,和器材表
(5)电路仿真与调试;
(6)PCB文件生成与打印输出;
(7)印制电路板;
(8)电子元件的安装与焊接;
(9)电路的调试和功能的实现。
3制作要求
(1)自行选择元器件并设计原理图;
(2)参照资料确定各元件参数;
(3)装配和调试,并能发现问题和解决问题。
4编写设计报告
(1)写出设计与制作的全过程;
(2)附上有关资料和图纸;
(3)总结自己设计,写下心得体会。
二、方案设计与论证
此次设计主要是实现报警装置的0-99秒定时触发。
首先要有一个秒脉冲产生器,让它控制一个有两个集成芯片组成的100进制的计数器(有一个开始开关控制其工作),同时将数字信号通过两个七段数码管显示出来。
其次,需要设计一个置数装置,用来实现定时触发的预置数功能;再将计数器的信号和预置数信号一同送入一个八位二进制比较器;当二者相等时,用比较器去驱动报警装置使其报警,同时将计数器重新置零,开始新的循环计数。
秒脉冲产生器
方案一
用一个555定时器制作一个秒脉冲产生器,让它控制一个有两个集成芯片74ls290组成的100进制的计数器(有一个开始S开关控制其工作),同时将数字信号通过两片4511芯片和两个七段数码管显示出来。
其次,用一个拨码开关与电阻组成一个置数装置,用来实现定时触发的预置数功能(断开为低电平,闭合为高电平);再将计数器的信号和预置数信号一同送入一个由两位74ls84芯片组成的八位二进制比较器;当二者相等时,用比较器去驱动蜂鸣器和发光二极管使其报警,同时通过一个D触发器(开始按下开关时也将其置零)将计数器重新置零,开始新的循环计数。
方案二
用一个晶振和4060芯片组成的2Hz的冲信号在记过一个D触发器将其二分频,将其变为秒脉冲信号;让它控制一个有两个集成芯片CD4510组成的100进制的计数器(有一个开始S1开关控制其工作),同时将数字信号通过两片4543芯片和两个七段数码管显示出来。
其次,用一个拨码开关与电阻组成一个置数装置,用来实现定时触发的预置数功能(断开为高电平,闭合为低电平);再将计数器的信号和预置数信号一同送入一个由两位4585芯片组成的八位二进制比较器;当二者相等时,用比较器去驱动蜂鸣器和发光二极管使其报警,同时通过一个D触发器(开始按下开关时也将其置零)将计数器重新置零,开始新的循环计数。
三、单元电路设计与参数计算和器件选择
一、单元电路设计
3.1、方案一:
(1)、秒脉冲发射器
由555定时器和外接组件R1、R2、C构成多谐振荡器,脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态,仅存在两个暂稳态,电路亦不需要外接触发信号,利用电源通过R1、R2向C充电,以及C通过R2向放电Dc端放电,使电路产生振荡。
电容C在
和
之间充电和放电,从而在输出端得到一系列的矩形波形,对应的波形如图所示。
(2)、两位十进制计数器
74LS290是异步十进制计数器。
其逻辑图和外引线排例图如图所示。
它由一个一位二进制计数器和一个异步五进制计数器组成。
如果计数脉冲由端CP0输入,输出由端引出,即得二进制计数器;如果计数脉冲由CP1端输入,输出由引出,即是五进制计数器;如果将与CP1相连,计数脉冲由CP0输入,输出由引出,即得8421码十进制计数器。
因此,又称此电路为二-五-十进制计数器。
表是74LS290的功能表。
由表可以看出,当复位输入R0
(1)=R0
(2)=1,且置位输入S9
(1)·S9
(2)=0时,74LS290的输出被直接置零;只要置位输入S9
(1)·S9
(2)=1,则74LS290的输出将被直接置9,即=1001;只有同时满足R0
(1)·R0
(2)=0和S9
(1)·S9
(2)=0时,才能在计数脉冲(下降沿)作用下实现二-五-十进制加法计数。
复位输入
置位输入
时钟
输出
R0
(1)
R0
(2)
R9
(1)
R9
(2)
CP
QA
QB
QC
QD
H
H
L
×
×
L
L
L
L
H
H
×
L
×
L
L
L
L
×
×
H
H
×
H
L
L
H
L
×
L
×
↓
计数
L
×
×
L
↓
计数
×
L
L
×
↓
计数
×
L
×
L
↓
计数
友两片74ls290可以组成100进制计数器:
(3)、八位比较器
集成数值比较器74LS85得功能 集成数值比较器74LS85是4位数值比较器,
其功能如下:
从功能表可以看出,该比较器的比较原理和两位比较器的比较原理相同。
两个4位数的比较是从A的最高位A3和B的最高位B3进行比较,如果它们不相等,则该位的比较结果可以作为两数的比较结果。
若最高位A3=B3,则再比较次高位A2和B2,余类推。
显然,如果两数相等,那么,比较步骤必须进行到最低位才能得到结果。
真值表中的输入变量包括A3与B3、A2与B2、A1与B1、A0与B0和A与B的比较结果。
其中A和B是另外两个低位数,IA>B、IA
设置低位数比较结果输入端是为了能与其他数值比较器连接,以便组成位数更多的数值比较器。
根据1位数值比较器逻辑表达式可知:
仅对4位数进行比较时,应对IA>B、IA<B和IA=B进行适当处理,即IA>B=IA<B=0,IA=B=1。
数值比较器的扩展方式有串联和并联两种。
下图表示两个4位数值比较器串联而成为一个8位数值比较器。
对于两个8位数,若高4位相同,它们的大小则由低4位的比较结果确定。
因此,低4位的比较结果应作为高4位的条件,即低4位比较器的输出端应分别与高4位比较器的IA>B、IA<B、IA=B端连接。
数值比较器是对两个位数相同的二进制数进行比较以判定其大小的逻辑电路。
74LS85组成的八位二进制数比较器的连接图。
图中,低位片的Ai>Bi和Ai 这样接,低位的比较结果就只决定于低四位进行比较的数据。 (4)、显示时间 CD4511是一种常用的BCD-七段译码器,它属于CMOS器件高电平输出电流可达25Ma,其管脚排列如下图 图4 输入 输出 /ST/LE /LT /BL DCBA a b c d e f g × 0 × ×××× 1 1 1 1 1 1 1 × 1 0 ×××× 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ×××× 不变 0 1 1 0000 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0001 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0010 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0011 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0100 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0101 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0110 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0111 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1000 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1001 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1010 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1111 0 0 0 0 0 0 0 CD4511功能介绍: 如图4BL: 4脚是消隐输入控制端,当BL=0时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。 LT: 3脚是测试输入端,当BL=1,LT=0时,译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何,七段均发亮,显示“8”。 它主要用来检测数码管是否损坏。 LE: 锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态,译码器输出被保持在LE=0时的数值。 D、B、C、A、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g: 为译码输出端,输出为高电平1 CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 (5)、定时开关 其由一个拨码开关,和八个电阻组成。 开始时上端接电源,下端通过电阻接地并将其置零,当闭合开关时,变成高电平将其置一。 前四个开关控制十位上的数,后四位控制个位上的数,都是有二进制表示。 如: 80需闭合1好开关即可。 电阻起限流分压的作用。 (6)、报警装置 其由一个蜂鸣器,与一个连结电阻的发光二极管并联构成。 其中经过了三极管的放大作用。 基极的电阻是限流电阻,与二级管并联的电阻起限流分压的作用。 置数完成后当达到预设的时间时,比较器输出一个高电平,通过三级管驱动蜂鸣器,使其发出响声,同事二极管也被点亮。 (7)、反馈置数 开始时闭合开关触发器置零,并将计数器也置零。 当开始工作时,R、S端都为零,触发器正常工作,当达到预置数是,输出比较器高电平,时触发器翻转,Q端为高电平,将计数器置零同时也将触发器清零(为下次翻转做准备)。 二、参数计算与器件选择 (1)555定时器输出信号的参数有: 电路振荡周期: 电容充电时间: 电容放电时间: 电路振荡频率: 输出波形占空比: 其中 为 由 上升到 所需时间, 为电容C放电所需时间。 555电路要求 与 均应不小于 ,但两者之和应不大于 。 当c=0.1µF时,可计算得出: =4100Ω =5100Ω。 (2)、电阻R 与CMOS门电路连接的限流电阻为1kΩ; 与TTL门电路连接的电阻为10kΩ; 三极管基极串联的限流电阻为300kΩ; 发光二极管串联的电阻为300Ω。 3.2、方案二: (1)、秒脉冲发射器 CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成,振荡器的结构可以是RC或晶振电路,CR为高电平时,计数器清零且振荡器使用无效。 所有的计数器位均为主从触发器。 在CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。 与晶振、电容、电阻可以组成秒脉冲,如图: (2)、两位十进制计数器 CD4510是一组可预设BCD上/下数计数器。 有清除控制功能,清除端R在使用上具有最高优先权, 及当R=1,则Q不论其它输入为何,其输出QD、Qc、QB、QA必皆被清除为0,令R=0,正 常计数。 在CD4510中,设有进位输入端Ci 及进位输出端Co。 以供做串联使用。 其功能: Ci: 进位输入端,当其为1,则clock输入都无效,只有在Ci=0时,clock的正缘 触发才能使计数器计数。 Co: 进位输出端,平常输出都保持在1,只有在上数计数到9,或下数计数到0时才会变为0输出,以作为进位或借位之准备,直到下一个时序信号的正缘输入后才转为1。 因此做计数器串联时,需将个位数Ci接地,而将其Co接到十位数计数的Ci中, 其功能表: 可以用两块级联成100进制计数器。 (3)、八位比较器 CD4585: 4位数值比较器 CD4585在级联时,低位片的三个级联输入端应接成(ab)=1,其输出端(A 两个CD4585芯片可以够成一个八位比较器。 (4)、显示时间 本设计为异步十进制计数显示器,计数部分二位十进制计数器CD4553实现,脉冲信号首先进入左边CD4553的CLK端,CD4553上的DS2,DS1,分别为个十位。 当DS2有进位信号时,下一级(DS1)才开始计数,后面几位以此类推。 当左边的CD4553的CD1有进位信号产生时(即左边的计数达到99),由进位输出端OVF送出进位信号进入下一级计数器的CLK端。 下一级的计数原理同上一级。 功能表如下: (5)、定时开关 其由一个拨码开关,和八个电阻组成。 开始时上端接电源,下端通过电阻接地并将其置零,当闭合开关时,变成高电平将其置一。 前四个开关控制十位上的数,后四位控制个位上的数,都是有二进制表示。 如: 80需闭合1好开关即可。 电阻起限流分压的作用。 (6)、报警装置 其由一个蜂鸣器,与一个连结电阻的发光二极管并联构成。 其中经过了三极管的放大作用。 基极的电阻是限流电阻,与二级管并联的电阻起限流分压的作用。 置数完成后当达到预设的时间时,比较器输出一个高电平,通过三级管驱动蜂鸣器,使其发出响声,同事二极管也被点亮。 (7)、反馈置数 开始时闭合开关触发器置零,并将计数器也置零。 当开始工作时,R、S端都为零,触发器正常工作,当达到预置数是,输出比较器高电平,时触发器翻转,Q端为高电平,将计数器置零同时也将触发器清零(为下次翻转做准备)。 四、总框图和原理图 1.总框图 2.总原理图(方案一: 附录一;方案二: 附录二) 3、电路的工作原理 方案一: 首先通过八位拨码开关对预定时间进行设置,设置好后,闭合开关S1,给D触发器置零,两个计数器74LS290也被置零,同时电路开始工作。 555构成秒脉冲给计数器信号,计数器工作计数并将信号给显示译码器CD4511,显示时间。 比较器74LS85对由计数器来的信号和置数端的信号进行比较,当一致时,输出高电平控制D触发器让其翻转,给计数器和D触发器置零。 随后计数器重新计数开始重复上述动作。 方案二: 首先通过八位拨码开关对预定时间进行设置,设置好后,闭合开关S1,给D触发器置零,两个计数器CD4510也被置零,同时电路开始工作。 CD4060构成秒脉冲给计数器信号,计数器工作计数并将信号给显示译码器CD4543,显示时间。 比较器对由计数器来的信号和置数端的信号进行比较,当一致时,输出高电平控制D触发器让其翻转,给计数器和D触发器置零。 随后计数器重新计数开始重复上述动作。 五、PCB版图绘制和元件清单 1、PCB版图(附录三) 2、元件清单 (1)方案一: 元件名称 元件序号 主要参数 数量 备注 电阻 R20-26\R30-36\R13\R14 1kΩ 15 电阻 R1-R8 10KΩ 8 电阻 R11 4300Ω 1 电阻 R12 5100Ω 1 电阻 R15 300kΩ 1 电容 C0 0.01µF 1 电容 C1 0.1µF 1 按钮 S1 1 发光二极管 D1 1 三极管 Q1 1 与非门 74LS00 1 二-五-十计数器 74LS290 2 比较器 74LS85 2 显示译码器 4511 2 D触发器 4013 1 定时器 555 1 蜂鸣器 1 数码管 2 (2)方案二: 元件名称 元件序号 主要参数 数量 备注 电阻 R 1kΩ 4 电阻 R 10KΩ 9 电阻 R 22MΩ 1 电容 C0 0.01µF 1 电容 C1 0.1µF 1 按钮 S1 1 发光二极管 D1 1 三极管 9013Q1 1 计数器 CD4510 2 比较器 CD4585 2 显示译码器 CD4543 2 D触发器 CD4060 1 定时器 CD4013 1 蜂鸣器 1 数码管 LC5011 2 六、安装与调试、性能测试与分析 1、使用的主要的仪器和仪表 器件名称 数量 备注 电烙铁 1 尖嘴钳 1 偏口钳 1 镊子 1 万用表 1 螺丝刀 1 烙铁架 1 示波器 1 测脉冲信号 2、调试电路的方法和技巧 (1)焊接质量的检查 [1]是否有错焊、漏焊、虚焊。 [2]有没有连焊、焊点是否有拉尖现象。 [3]焊盘有没有脱落、焊点有没有裂纹。 (2)查电路接线(用万用表和示波器 [1]电路安装完毕,不要急于通电,先要认真检查电路接线是否正确,包括错线、少线和多线。 为了避免作出错误诊断,通常采用两种查线方法: [2]一种是按照设计的电路图检查安装的线路。 把电路图上的连线按一定顺序在安装好的线路中逐一对应检查. [3]另一种是按照实际线路来对照电路原理图,把每个元件引脚连线的去向一次查清,检查每个去处在电路图上是否都存在,这种方法不但可以查出错线和少线,还很容易查到是否多线。 [4]连接处有无接触不良;二极管、三极管、电解电容等引脚有无错接等明显错误。 (3)通电观察 把经过准确测量的电源电压加入电路。 电源通电之后不要急于测量数据和观察结果,首先要观察有无异常现象,如果出现异常,应该立即关断电源,待排除故障后方可重新通电。 (4)分块调试 分块调试是把电路按功能分成不同的部分,把每部分看作一个模块进行调试。 在分块调试的过程中逐渐扩大调试范围,最后实现整机调试。 比较理想的调试顺序是按照信号的流向进行,这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的联调创造条件。 (5)整机联调 把全部电路连通,就可以实现整机联调。 整机联调只需观察动态结果,就是把各种测量仪器及系统本身显示部分提供的信息与设计指标逐一对比,找出问题,然后进一步修改电路的参数,直到完全符合设计要求为止。 3、调试中出现的故障,原因及排除方法 现的故障 原因 排除方法 数码管不能完整的显示出数字 焊接过程中出现了虚焊 用万用表测出虚焊点,重新焊接 按下按钮计数器不能置零 电路设计时少加了线 用飞线连接相应的点 计数器不能正常基数 电路中置数端和控制端悬空 置数端接低电平,控制端接高电平 时钟脉冲不能正常工作 复位端悬空 将其接地 比较器不能正常工作 级联时接线出现了错误 将相应的点重新接 拨码开关不能正常置数 与比较器连接时记错了管脚 将相应的管脚改过来重新焊接 D触发器不能重复置数 触发器翻转后将一直输出1,计数器始终为零 在D触发器的德一脚和四脚间接两个反相器 七、结论与心得 1、结设计电路的特点和方案的优缺点,指出课题的核心及实用价值提出改进意见 (1)程设计使用了一个秒脉冲发生器,和两个十进制计数器组成的一百进制计数器,两个显示译码器和数码管,一个八位拨码开关,以及一个有两位四位比较器组成的八位比较器和一个双D触发器,构成实验电路。 (2)电路的特点和方案的优点: 本次实验设计原理比较基础,能让我们比较容易进行设计,弄懂其中的原理。 方案一: 使用的都是我们学习过的器件进行设计,比较符合我们一般思维;方案二: 设计都采用CMOS器件电气性能比较好,设计思路相对成熟。 (3)设计电路的特点和方案的缺点: 方案一: 所用实验器件比较多,不利于PCB图的制作; 方案二: 实验原理图有些管脚连接有误,PCB图比较繁杂,飞线较多。 (4)设计建议: 设计可以在D触发器的一管脚和四管脚间接两个反相器以实现其延时功能,实现D触发器的连续翻转。 2、收获、体会 通过这次课程设计,我拓宽了知识面,锻炼了能力,综合素质得到了较大的提高。 首先,这次课程设计给我提供了一次很好的锻炼机会,提高了我的动手能力。 在整个设计过程中,我们通过这个方案包括设计了一套电路原理,在芯片选择了比较常见的74LS85、74LS290、74Ls00、CD4013、CD4511、共阴数码管。 同时也理解弄懂了其工作原理。 在设计过程中,经常会遇到自己心里所想的接法和功能可以行实现,但实际接上电路,总是实现不了,因此走了些弯路。 同时也体会到了虽然课本上学到的知识很多,但要很好的理解和运用各个元件的功能还是有些问题。 通过本次课程设计动手实践不仅对课本知识的巩固和加强,弄懂了一些难题,同时也更好的掌握了芯片的功能的使用和设计。 制作电路原理图时,要细心耐心,恒心一定要有才能做好事情,首先是线的布局上和器件的选择,兼顾到方方面面去考虑是很需要的。 在焊接电路板时要规范操作,不要虚焊、漏焊和不该相连的点焊接在一起。 在拿到原理图时我们开始没有仔细检查及早的发现其中的问题,让后来的调试很被动。 通过这次实验让我明白了别人给的东西要及时的消化吸收,不能盲目的相信,即便是别叫权威的人;同时遇到问题是不要急躁,要冷静,从原理开始分析逐步检查逐步修改。 在电路调试时,要认真,出现问题要立即断电,修改完后在进行调试。 同时我认识到一个团队的重要性,实习中只有一个人知道原理是远远不够的,必须让每个人都知道,否则一个人的错误,就有可能导致整个工作失败。 而这次实习也正好锻炼我们这一点,这也是非常宝贵的。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正弄通弄懂,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 在设计的过程中,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。 这次课程设计终于顺利完成了,在设
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