多功能定时器课程设计

摘要

在日常生活照，555定时器的应用非常广泛，我们常常用到定时控制。在早期运用的是模拟电路设计的，它的准确性和精度都不是很理想。然而现在基本上都是运用数字技术。定时器可以控制一些常用电器，也可以构成复杂的工业过程控制系统。它的功能强大，体积小且灵活，配以适当的芯片可以实现许多功能。随着电子技术的飞速发展，家用电器逐渐增多，不同的设备需要实现不同的功能，需要自己的控制器，设计十分不便。根据这种情况，本设计设计了一个多功能定时器，可以对许多电器进行定时。这种具有智能化的产品有效的减轻了人们的劳动，带人们走进智能化的时代，为家庭数字化的实现提供了可能。

关键词：555定时器；多功能；电器

目录

1方案论证 (1)

1.1方案的比较环节 (1)

1.2实验方案 (1)

2原理及技术指标 (2)

2.1实验原理 (2)

2.2实验技术指标 (2)

3单元电路设计及参数计算 (3)

3.1单元电路设计 (3)

3.1.1控制电路 (3)

3.1.2可控脉冲发生电路 (3)

3.1.3延时控制电路 (5)

3.1.4电源电路 (6)

3.2实验的连接与处理 (7)

3.2.1各部件实现功能 (7)

3.2.2实验处理 (8)

4电路图 (9)

4.1电路图 (9)

5设计小结 (10)

5.1个人感悟 (10)

5.2遇到问题及解决途径 (10)

参考文献 (11)

附录 (12)

1方案论证

1.1 方案的比较环节

方案一：通过51单片机进行编程设计一个电路系统

方案二：采用555定时器组成的多谐振荡器产生时钟脉冲。。

方案三：采用晶振产生时钟脉冲。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定、精确的单频振荡。

比较分析：三种方案相比较，方案一需要进行编程，而我们无法在短时间内编写好完整的程序，可实现性不强。方案二：555定时器芯片是一种广泛应用的中规模集成电路，只要外围配以几个适当的阻容元件，就可以构成无稳态触发器、单稳态触发器以及双稳态触发器等应用电路，以此为基础可设计各种实用的电路形式。而方案三的晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，但采用晶振需要较多的元器件，并且电路图比较麻烦，而且也不能达到锻炼思考能力、电路分析的目的。

因此，通过比较实用性，合理性，选择方案二。

1.2 实验方案

电源电路采用桥式整流电路从220VAC到5VDC的整流，可控脉冲发生器采用555多谐振荡器产生秒脉冲，延时电路由6级74LS160芯片组成前两级为秒脉冲触发，不参与判断，后四级为分钟脉冲触发，用74LS160控制置位端的A，B，C，D门一个脉冲开关控制此计数器的触发连接74LS21，可通过选通来确定所需要的输出位，当满足条件就会输出一个信号通过继电器的闭合控制用电器开关。

2原理及技术指标

2.1 实验原理

用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为1Hz的脉冲，即输出周期为1秒的方波脉冲，将该方波脉冲信号送到秒计数器74LS160的CLK脉冲端,由于设计需要调整时间达到5min-18h和55min-20h，所以是分为秒计数器和分计数器。

秒计数器为60进制，需要两级74LS160，个位计数器为十进制，十位计数器为六进制，组合而成为六十进制的秒计数器

分计数器为均十进制减法计数器由于18h为1080min，20h为1200min，所以分计数器需要四级74LS192芯片，再通过调整输ABCD的位置才调整

2.2 实验技术指标

它既可以对应用电器进行一次定时控制，又可以对电气进行循环控制。电路要求由电源电路、可控脉冲发生器、延时控制电路和控制执行电路组成。

1）定时和控制选用555定时器和十进制计数器；

2）设计方案要有比较环节；

3) 并且一次定时时间可设定5min—18h，循环定时时间55min—20h；设定控制功率为500W，自身耗电要小于1W。

4）用绘图软件绘制原理图。

3单元电路设计及参数计算

3.1 单元电路设计

3.1.1控制电路

控制电路由开关、清零和循环按键组成，开关是通过脉冲控制器判断给秒脉冲的CLK端

关

图3-1控制电路A

U21A

74LS04D

循环按键B

Key = A

图3-2控制电路B

3.1.2可控脉冲发生电路

脉冲发生电路是由555定时器组成的，555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，电路如图3-1-2所示。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压

范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。3脚：输出端V o。2脚：低触发端。6脚：TH高触发端。4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表3-1-1所示。

图3-3 可控脉冲发生电路

时钟信号发生器是由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器构成，通过设置合适的R1、R2和C值可以将输出频率调整为1Hz。

在精度要求相对不高的情况下，多谐振荡器的振荡频率可由下式估算：f0=1/(0.69*(R1+2R2)*C)

那么，当R1=16K R2=16k，C=10μF

由于R1是可调电阻，所以通过改变R1的电阻值达到改变频率可以实现可控的环节。

3.1.3延时控制电路

延时控制电路又可以称为计数器电路，计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS 触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。计数器可以用来显示产品的工作状态，一般来说主要是用来表示产品已经完成了多少份的折页配页工作。它主要的指标在于计数器的位数，常见的有3位和4位的。很显然，3位数的计数器最大可以显示到999，4位数的最大可以显示到9999。

本次我们使用的74LS160本身就是一个十进制的计数器，而这次设计的四位十进制的计数器级联是通过进位端与另一个两层级联的74LS160芯片组成的六十进制计数器是CLK相连实现的计数原理与数学中的数数没多大区别，首先由秒计数器机够60进位到个位0-9，则进一位到10位，10位从0到9，则进一位到100位，当计数到999时，计数器进一位到1000.于是就实现了4位数的计数。

表3-4 延时控制电路功能

由上表可知当RD'=0时计数器为全零状态。因清零不需与时钟脉冲CP同步作用，因此称为异步清零。当清零端RD'=1时，使能端 EP=ET=1时，预置控制端LD'=0，电路可实现同步预置数功能。当RD'=LD'=1时只要EP与ET中的一个为0，即封锁了四个触发器的J、K端使其全为0此时无CP脉冲，各触发器状态保持不变。当LD'=RD'=EP=ET=1时电路可实现十进制加法计数功能。因此，采用两片74LS160芯片级联，首先构成100进制的计数器，再通过适当的与非门改造成60进制的计数器即可。

图3-5 延时电路

3.1.4电源电路

U1

图3-6 电源电路

本设计是需要一个+5V直流电源供电，但是生活中没有+5V的电压供电，然而直流电源的输入电压为220V的电网电压，所以在正常情况下，输入电压是远远的高于本设计所需的电压值，因此需要先使用变压器降压，将220V的电网电压降低到5V后，再进行下一阶段的处理。

变压器是这一电源电路起始部分，将220V的直流电压转变为所需的较低的+5V电压，才可以进行下一阶段的整流部分。一般规定V1为变压器的高压侧，V2为变压器的低压侧，这样就可以将220V的电压降低到+5V，如图所示：

图3-7变压器

如图3-8，为桥式整流电路，就是将交流电网电压转换为所需电压，整流电路由四只整流二极管组成。为了简便起见，这里所选的二极管都是理想的二极管，二极管正向导通时电阻为零，反向导通时电阻无穷大。在V2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，经过二极管D1，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D4正向导通，D2、D3反向截止，产生一个极性为上正下负的输出电压。在V2的负半周，其极性正好相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，经过二极管D2，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D4反向截止，D2、D3正向导通。桥式整流电路利用了二极管的单向导电性，利用四个二极管，是它们交替导通，从而负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

图3-8桥式整流电路

3.2 实验的连接与处理

3.2.1各部件实现功能

电源电路作用是220V AC变成5VDC。

74LS160实现加法计数功能，555定时器组成的多谐振荡器产生进位脉冲，一个四输入与门实现对时间进行判定，如果每个74LS160达到设定数值就会对高一级的四与门输入电路产生一个正信号，当4个四与门输入电路都为正信号也就是说达到设定的数值时候，也就是计时时间到了，通过继电器向外进行输出，控制继电器的开通与中断，达到控制的目的。

3.2.2实验处理

具有数字显示的倒计时器的设计根据电路的逻辑功能主要分为四个模块组成：控制电路模块、脉冲发生电路模块、电源电路、延时电路组成。

功率计算：

表3-9功率计算表

计算得出电路功耗约为820mW，满足题目设计要求的1W。

4电路图

4.1 电路图

关

图4-1 电路图

将220V电网电源经过变压器转为+5V的电源给555定时器供电，计时前先设定计时

时间，将与74ls160芯片连接的74ls21芯片需要的关键555定时器产生的秒脉冲和二输

入与非门的另一端按键信号作用于，秒计数器的一个位芯片的c l k端。当开始

摁下去时，由于接的是高电平，则高电平通过二输入与非门变成低电平。74ls160的

clk端为低点评有效，则计数一次，当计满十次就向前进位，进位为六次时就为一分钟，

向分计时器进位一次，计数1 当达到设定接线时间时会向外的四输入与门电路输出一

个信号，这个信号可以驱动继电器电路达到电气控制的目的。

5设计小结

5.1 个人感悟

我们已经学习了数字电子电路和模拟电子电路，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次对数字钟的设计与制作，让我们了解了电路的设计程序，也对数字钟的原理与设计理念有了一定的了解。我们知道了如何设计出1HZ的信号，也对时分秒的设计有了一定的了解，并且知道在实际电路一般步骤为由数字钟系统组成框图按照信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路。

同时，在此次的数字钟设计过程中，我们更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法，也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。此外，我们也深刻地体会到设计一个电路前先进行仿真的重要性，更深有体会，通过仿真可以对自己设计得电路进行逐级排查和调试，找出电路中问题的所在，及时纠正自己的错误。

5.2 遇到问题及解决途径

在本次课程设计中，出现了许多问题，，最终全部解决掉了。下面提一下最大的两个问题：

第一个问题就是在设计的过程中，在选择芯片上，下了很多工夫，在网上搜集各种资料后，最后在Multisim软件中将每个芯片进行调试，之后才决定用以上所选的各种芯片。

第二个问题就是使用Multisim软件的时候，仿真没有结果。首先我排查了各个连线处是否有连错的情况，是否有漏连的情况。在排查完连线之后，还是没有仿真结果，就开始对电路设计进行排查，当最终判定电路无错后，开始排查脉冲发生电路是否发出正确的脉冲，经过一番计算与仿真测试后，终于找到了最适合的电阻和电容。

最后，感谢老师和同学提供的各种资料。

参考文献

[1] 林欣,崔卫群,庞学民.数字电子技术[M].北京.清华大学出版社,北京交通大学出版社,2005.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].第5版.北京.高等教育出版社,2006.

[3]蒋立平.数字逻辑电路与系统设计[M].电子工业出版社,2008.

[4]张宗念,李明旭.数字电子技术实验及课题设计[M].自编教材,2004.

[5]姜萍,王建新.电子线路实践教程[M].科学出版社,2003.

附录