定时控制器逻辑电路设计.doc

定时控制器逻辑电路设计

作者:xxx

指导教师:xxｘx ｘxx

［摘要]为了能使一起在特定的时间内工作,通常需要人在场干预才能完成。本课程设计的定时控制器，就是能使你不在时，仪器也能按时打开和关闭。例如你想用录音机、录像机录下某一时间段的节目,而这一段时间你又有其他事要做，不在家或机器旁边，你就可以事先预置一下定时器。在几点几分准时打开机器,到某时某刻关掉机器.本文介绍的定时控制器由数字钟单元、定时单元和控制器单元以及继电器输出单元等几部分组成,并详细介绍了定时控制器的设计方案、功能及在设计过程中所做的改进。
［关键词］数字钟电路；定时电路;控制电路；继电器电路
一.设计任务
设计一个带数字电子钟的定时控制器逻辑电路。
二。设计要求
１。基本要求
1。1具有电子钟功能，显示为四位数字.
1。２可设定定时起动(开始）时间与定时结束(判断)时间。
1。3定时开始指示灯亮;定时结束，指示灯灭。
2.发挥部分
定时范围可以选择，能精确到分钟。

三．说明
１.时间要求：6月29日至7月2日共1周
２.内容:完成实际电路,总结报告.
定时控制器由数字钟单元、定时单元以及控制器单元和继电器输出单元等几部分组成。如图3。1所示为定时控制器系统框图．

继电器
输出
单元

数字钟
单元
定时时间
设定
控制器
单元

图3。１ 定时控制系统框图
四.方案选择与论证
１。数字中单元电路
一般而言数字钟单元的设计与制作可以采用数字电路来完成，也可以采用单片机来完成。若采用数字电路来完成,其功能主要是依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现,尽管电路复杂，但电路原理及元件连接较为简单,易于以后调试、改正;而采用单片机来设计制作，由于其功能的实现主要是通过软件编程来完成,虽然降低了电路的复杂性,但编程冗长且较难,不易完成，修改调试困难，不易于操作.本电路是以简单的数字逻辑电路为基础,来实现数字钟单元．

方案一：采用数字电路控制,其原理方框图如图4。1。1所示.由晶振电路经分频产生1Ｈz标准秒脉冲。整个计数器电路,采用74LＳ系列芯片，由分计数器、时计数器串接而成。校时电路由分频产生的1Hｚ脉冲输入，手动进行时和分的调整校正。再由译码器加数码管组成译码显示部分．

显示器显示器

译码器校时电路译码器

分频器

　晶振

图４.1。1 采用数字逻辑电路组成数字钟单元框图

方案二:采用单片机控制.采用单片机IO端口,及其控制功能，实现数字钟单元的显时和调时等功能。其原理方框图如图4.1。2所示。

键盘控制

89C51

单片
驱动电路

LED数字显示

图４。１。2 采用单片机组成数字钟单元框图

2。定时器定时时间的设定

方案一：可用逻辑开关（四个一组),分别置入０或1,再加译码、显示电路，就可知其所设定的具体值。例如，四位开关为“10０1＂，显示器即显示数字“9".因为有译码器与数码管的组合,才能实现定时显示，故电路较为复杂.

方案二：用8４21BCＤ码拨码开关KS系列器件,拨码开关本身可显示数字，同时输出BCD码。例如,拨码开关置成“６"，其8４21端分别输出“01１0”,并有数字“6”指示。该方案中,只需两组开关(每组4个８42１BＣD码拨码开关）即可实现定时即显示,电路简单可行.

由于仿真软件Mｕltｉsｉｍ 10内，并无8４21BCD码拨码开关,若仿真,则第二方案不可行，选择第一方案，第一方案电路复杂,尤其是译码器与数码管的组合,电线较为繁杂，本实验中将此部分不作为重点,定时时间设定电路单元省去译码器与数码管的电路，读取定时时间时,直接由逻辑开关读取置入数值，人为计算获得相应定时时间即可．读取方法，根据8421ＢCD码表,将逻辑开关置入的四位二进制数转化为0—９的十进制数。如果要将此电路做成实物成品,应当首选第二种方案，选用8421码BCＤ码开关,性能可靠,电路简单,成本低,容易完成。

3。控制器单元

控制器的任务是将计数值与设定值进行比较，若两者值相等,则输出控制脉冲,是继电器电路接通。由于定时的时间有起始时间和终止时间，所以,为了区别这两个不同信号,采用交叉供电或采用三态门进行控制。本电路采用交叉供电的方式,简单易行，只要在继电器电路中再串入一个继电器即可,由继电器的闭合与开断,来实现交叉供电,即在定时的起始时间时，该继电器闭合,给起始时间逻辑开关供电，而在定时的终止时间起作用时,继电器断开给终止时间的逻辑开关供电．以此来区别起始时间信号和终止时间信号。

4。继电器电路

继电器的通、断,受控制器输出控制,当“开始定时＂设定值到达时,继电器应该接通.而当“定时结束”设定值到达时，继电器应断开.其定时波形如图 ４。4所示.继电器的触点可接交流、直流或其他信号。

继电器接通

ﻩ定时开始 定时结束

图4。4　定时波形图

五.电路的功能单元设计

1。数字钟单元

1.1秒脉冲发生器
秒脉冲发生器是数字钟单元的核心部分,它的精度和稳定度决定数字钟的质量。通常用晶体震荡器发出的脉冲经过整形、分频获得１Hｚ的秒脉冲。如晶振为32768Hz,通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出.本电路由U１ CD4060分频器及Ｕ2 7４LＳ１１2触发器将32768Hz的晶振进行分频，获得１Hz秒脉冲.电路图如图５。１.1所示,开关S1处输出１Ｈz脉冲。

图5。1。1　秒脉冲发生器

1。2分、时计数器

这一部分电路均使用中规模集成电路74ＬS系列实现分、时的计数。其中分为六十进制，时为二十四进制。U3，U5,U7,U8 均为74LS９0十进制计数器，U４，U６ 均为74LS92　十二分频计数器。秒脉冲通过U3,U４,Ｕ5和U６进行分频．其中U3和U5为74LS90十进制计数器,以“除六”方式工作。U3,U4,Ｕ5和U6的输出方波频率分别为1/10,1/6０，１／600,1/3600Hｚ.U７和U8为二十四进制,其时间显示从00到23。其电路图如图5.1。2 所示.

图5.1。2 分、时计数器电路

１。3译码显示

所有计数器的译码显示均采用BＣD—七段译码器，显示器采用共阴或共阳数码管。
Ｕ５—U8输出的BCD码被分别接到U9－U12．U９—U12均为7４ＬS４8 ＢCD—七段译码器电路，由它驱动七段共阴LＥＤ数码管。四个数码管给出从00：００到23：59的时间显示,而D1和Ｄ2为发光二极管显示,用来显示秒脉冲．电路图如图 5。1。3 所示．

图5。1。3　　译码显示电路

1。4校正时间电路

在刚刚开机接通电源时，由于时分为任意值，所以,需进行调整。置开关在手动位置,分别对时、分进行单独计数。计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。
在本电路中,开关Ｓ１用来预置时间，当它置于位置A时,数字钟处于正常状态;当他置于位置B时,给出1Hｚ的脉冲到分计数器U5；当它置于位置C时,它给出１Hz的脉冲到小时计数器U7.

2。定时器定时时间的设定

定时器控制的功能是将数字钟的时间与预置的开、关时间进行比较，并完成相应的开关动作。
在定时器预置开关电路中，有两组开关——其实定时时间开关和终止定时时间开关。每组有四个开关(逻辑开关Ｊ1-J８,J1—J４为其实定时时间开关,J５—J8为终止定时时间开关开关）。根据需要设置的定时时间，由８421BCD码表，将0—9的十进制数转化为四位0—1二进制数，分别置入逻辑开关即可．例如定时时间为“０9：３0”即在4个逻辑开关相应依次输入“００0０”,“100１",“00１1”,“000０”。

３.控制器单元

控制器的任务是将计数值与设定值进行比较．Ｕ8—U5数字中输出和定时逻辑开关输出是通过异或门74LS８6（电路图中U1８—U２1)进行一位一位的比较，当定时开关时间到,即所有的值全相等时,在７4LS３０与非门(图中U23)输出端输出一个负脉冲，使控制触发器７4LS112(图中Ｕ24)变为高电平。
双下降沿JＫ触发器７4ＬS１1２,在时钟脉冲CP的后沿（负跳变)发生翻转,它具有置０、置1、计数和保持功能。ＪＫ触发器的状态方程如式5．３。1所示．74ＬＳ１12引脚排列如图5。3。2　所示。功能如表5。3.３所示。
公式5。3。1JＫ触发器状态方程
J和K是数据输入端,是触发器状态更新的依据,若J、Ｋ有两个或两个以上输入端时,组成“与”的关系。Q与为两个互补输出端。通常把Q=0、的状态定为触发器“0”状态;而把Q＝1、定为“1”状态。

图5。3．2　JK触发器７4LS11２引脚图

JK触发器一般都有异步置位、复位端，作用是预置触发器初态。当不使用时，必须接高电平(或接到电源+5Ｖ上)，不允许悬空，否则容易引入干扰信号,使触发器误动作。

表5.3.3 74LS112功能表

输入
输出
D
D
CP
J
K
Qn＋１
ｎ+1
0
1
×
×
×
１
0
1
0
×
×
×
0
１
0
０
×
×
×
φ
φ
1
1
↓
０
０
Qn
n
１
1
↓
1
0
１
0
1
１
↓
0
1
0
１
1
1
↓
1
１
n
Ｑn
１
1
↑
×
×
Ｑn
ｎ

４.继电器电路

由控制电路作用，使控制触发器74LS112(图中Ｕ24)变为高电平,即Ｑ为高电平,使得继电器RL１和RL２接通,定时器开始定时。RＬ1的接通，使得+５V从加入“起始定时开关”而转加到“终止定时时间开关”上。由于控制触发器74LS1１２（图中U24)中Ｑ=1（=0)，使定时器的“定时开始指示灯"亮。
当时间运行到“终止时间"设定值时,74LS30与非门（图中U23)输出端又一次输出一个负脉冲,使得控制触发器7４ＬS112(图中U２4)翻转,即Q=0。Ｕ24的低电平使T１和T2关断，RＬ1继电器释放,又回到定时前的工作状态。同时Q=０又使“定时结束指示灯”亮。
继电器RL１输出端,一端接起始定时时间逻辑开关,另一段接终止定时时间逻辑开关,由此来实现交叉供电,即在定时的起始时间时,该继电器闭合,给起始时间逻辑开关供电,而在定时的终止时间起作用时,继电器断开给终止时间的逻辑开关供电。
RL2用于外接所需控制的仪器.
按下S３,可以去掉预先存在的“定时”设定.
继电器部分电路如图5。４所示.

图５。4 继电气部分电路

六、收获体会和改进意见

课程设计终于完成，在这个过程中我遇到了很多困难，知识的缺乏，对画图和仿真软件的不熟悉等等，这其中得到了指导老师的很多帮助，同时也给我提供了一些建议和意见。
这个课题用到了数字电路方面的知识,通过这次课程设计，使我对TTL７4系列、CMＯS系列元器件以及其他集成电路有了一定的了解,平时课上的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,所以通过这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。刚拿到课程设计的题目,起初不知该从何下手，经过老师指导设计和对材料的讲解，再到图书馆和网上查找大量资料,才慢慢了解课程设计。在资料和电脑前思考的过程是苦涩的,在图书馆中查找资料的过程是也是艰辛的,但当课程设计完成时,那感觉是舒服的，才真正理解到没有付出就不会有回报的真正含义,一份耕耘一份收获，有付出才会有回报,这个过程中我也学会了怎样去更有效地学习,怎样和他人探讨,学会了怎样快速高效的搜集自己所需的资料.其次,通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力.而且,知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富,经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我学习生涯上一个非常美好的回忆！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。在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的,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。我们应该把定时控制器这一项技术学的更透彻一些,能实际的应用到每一个生活角落，不仅仅是这一项,实际生活中有很多对定时器的应用.我对相关知识还有待提高，自身的不足对生活中的应用有很大的阻碍,我要加紧对自身的提高进行学习，努力做到在对专业知识的掌握和熟练运用。
以后我会主动参加一些实践活动，进一步增强自己的动手能力。这次课程设计我懂得要具备严谨,大胆，勇于创新的精神.我从中获益匪浅，学到了小心谨慎,实事求是的态度，也得到了老师和同学的大力帮助和支持,对大家表示由衷的感谢。
本电路是以简单的数字逻辑电路为基础,来实现定时控制功能.其功能主要是依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现， 性能可靠，操作简单，成本低等特点。但也有不足,比如由数字电路来实现数字钟单元,电路较复杂，电线容易搭接错误，不好修改,以后应多尝试用单片机编程来实现,以此来总体简化电路。

参考文献
[1］　李维。数字电路课程设计及实验［M]。大连理工大学出版社，2008。
[2]　刘午平,刘建清.数字电子技术从入门到精通［M］。国防工业出版社，20０6。
[3]　余孟尝,清华大学电子学教研组。数字电子技术基础简明教程［M].高等教育出版社,２０06。
[4］　童诗白，华成英，清华大学电子学教研组。模拟电子技术基础[M]。高等教育出版社,20０６。
[５]　孟涛。电工电子EDA实践教程[M]。机械工业出版社，200９。

附录Ａ1:硬件总图,软件仿真图

第 12 页 共 12 页