范文一：电子技术课程设计之定时开关电源

课程设计报告

题 目

专业、学号

授课班号

学生姓名

指导教师

完成时间

目 录

第一章 设计任务与要求 ·····································1 第二章 电路原理设计 ·······································2第一节 方案比较····································2第二节 单元电路设计································6第三节 元器件选择 ································12第三章 实验数据与测试波形 ·······························19 第一节 实验数据···································19 第二节 测试波形···································20第四章 实验问题与解决措施 ································21 第一节 实验问题···································21 第二节 解决措施···································23 第五章 设计体会 ··········································24 参考文献 ·················································25 附录 ·····················································26 附录一 整体电路图··································26 附录二 仿真原理图··································27 附录三 PCB图······································28

第一章 设计任务与要求

一、 设计任务:

定时关断插座

二、 设计要求 :

1. 基本部分:

<1> 可设置时间;

<2> 通电计时,计时结束后断电(通过倒计时计时) ;

<3> 过压保护。

2. 发挥部分:

<1> 过流保护;

<2> 短路保护。

1

第二章 电路原理设计

第一节 方案比较

主要针对定时开关单元、过压保护单元进行比较。

方案一:

1. 定时开关单元

图 1

如图 1, 该方案融入了大部分模拟电路, 容易造成电路调试时的不稳定, 且 没有定时显示功能。所以不宜采用此模块。

2. 过压保护单元

2

图 2

电路原理:

缺点是需要做出电源模块,而且电路复杂。

方案二:

1. 定时开关单元

设计思路是:用 555定时器产生脉冲, 加到计数器上, 再将计数器与译码 器连接, 实现译码功能, 通过 7段数码管进行显示。 这样就实现了定时。 再加 上拨码开关就实现了人工置数, 即自由定时。 在译码器的输入端加上一个八端 或非门和一个非门后就能实现关断。基本电路图如图 3:

3

图 3

2. 过压保护单元

当电源供给电压或负载吸取的电流太大时, 图 4电路可断开负载给出故障指 示。

图 4

4

正常工作时, Tr1和 Tr2均截止, 555复位, 555中的放电晶体管导通,它从 Tr3基极吸取电流, 使 Tr3处开饱和, 电源 5~12V 便直接送主负载。 当负载吸取 电流超过规定值时, Rsc 上压降增加,使 Tr1导通, 555被触发,于是内部放电 晶体管截止,跟着 Tr3也截止,将电源与负载隔离,这时 555处于单稳状态,单 稳时间一到,只要负载过流现象不排除, 555又重新触发, Tr3继续将负载隔离。 若负载出现过压,则经 R4、 R5、 D1后 Tr2导通,也使 555触发, Tr3这时 也将负载隔离。对于过流或过压,555③脚均将输出高电位,使 LED 发光,表示 负载处于隔离状态。由于 Tr3或者处于饱和,或者处于截止,因此只用一只功率 晶体管便可工作。

5

第二节 单元电路设计

一:555方波发生电路

1. 电路图:

图 5

2. 电路特点:

由于 555定时器内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,用 555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小, 因而抗 干扰能力较强。

3. 电路原理:

接通电源后,电容 C 开始充电,当 Vc 上升到 2Vcc/3时,使 Vo 为低电平, 6

同时放电三极管 T 导通,此时电容 C 通过 R2和 T 放电, Vc 下降到 Vcc/3时, Vo 翻转为高电平。由上面的参数计算,改变

1

R 、 2R 和 C 的值,就可以改变振荡器的 频率。

二:数码显示电路

1. 电路图:

图 6

7

2.电路原理:

通过 74192(可预置 BCD 双时钟可逆计数器) 芯片实现减计数功能。 当 74192接收到一个外部计数脉冲信号时,计数器的状态就按二进制编码值递减 1,输出 相应的 BCD 码。当输入到预置数值这个计数脉冲后(如预置数 =10,则当输入第 10 个计数脉冲后) ,计数器又回到 00状态。此时,计数器处于锁存状态,不再 进行计数,只有重新置数后才开始下一轮减计数。所以,该计数器以预置数值个 计数脉冲构成一个计数周期。

通过 7448(BCD---7段译码 /内部上拉输出驱动)和七段共阴数码管实现将 BCD 码转换成 7段码并显示的功能。 当 7448接收到一个外部输入的 BCD 码时, 通 过译码器将其转化成一一对应的有效信号,然后,经驱动器点亮对应的段。 (例 如:对于 8421BCD 码的 0011状态,对应的十进制数十 3,则译码驱动器应使 a,b,c,d,g 各段点亮。 ) 译码器的功能就是, 对应于某一组的数码输入, 相应的几 个输出端有有效信号输出。

3. 注意事项:

由于 BCD 码表示十进制数,即范围是 0000~1001,所以驱动器点亮 7段译码 管只能是 0~9。当超出范围时,数码管将无法正常显示。

8

三:拨码控制电路

1. 电路图:

图 7

2. 说明:拨码开关是采用 8421BCD 码置数控制电路对电路实现置数功能。从左到 右分别表示高四位和低四位,下拨时表示开关闭合,电路导通,对应 8421BCD 码 中的“ 1” 。在电路图中,将它的高低四位分别与计数器的 A 、 B 、 C 、 D 端相连, 实现对计数器的置初值的功能。

9

四:过压保护电路

1. 电路图:

图 8 10

2. 电路原理

2.1. 过压保护原理 :

通过参考电压与测试点电压的分压进行比较,当参考电压大于测试点电压 时,输出为高;当参考电压小于测试点电压时,输出为低。然后,通过与门对继 电器进行控制,当电压超过一定范围时,继电器促使开关向右闭合,发光二极管 熄灭,外接电路断开以及停止工作,因而起到了保护电路的功能。

2.2. 欠压保护原理:

通过参考电压与测试点电压的分压进行比较,当参考电压小于测试点电压 时,输出为高;当参考电压大于测试点电压时,输出为低。然后,通过与门对继 电器进行控制,当电压低于一定范围时,继电器促使开关向右闭合,发光二极管 熄灭,外接电路断开以及停止工作,因而起到了保护电路的功能。

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第三节 元器件选择 一、项目元器件清单

1. 七段共阴数码管 2片

2. 555定时器 1片

3.红色发光二极管 1个

4. 7448芯片 2片

5. 74192芯片 2片

6. CD4078芯片 2片

7. DC5V继电器 1个

8. LM339 2个

9. 开关 2个

10. 拨码开关 1个

11. 电阻 数个

12. 可调电阻 2个

13. 电容 3个

14. 电解电容 1个

15. 稳压管 1N4118 1个

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二、 重要元器件介绍

1.7448 BCD-7段译码 /内部上控输出驱动

7448使用共阴极七段显示器。数字显示译码器是驱动显示器的核心部件,它 可以将输入代码转换成相应的数字显示代码,并在数码管上显示出来。图 9所示 为七段显示译码器 7448的引脚图, 输入 A3 、 A2 、 A1和 A0接收四位二进制码, 输出 a ~g 为高电平有效,可直接驱动共阴极显示器,三个辅助控制端,以增强 器件的功能,扩大器件应用。

图 9 —— 7448引脚图

13

表 1—— 7448功能表

从功能表可以看出, 对输入代码 0000, 译码条件是:灯测试输入和动态灭零 输入同时等于 1,而对其他输入代码则仅要求等于 1,这时候,译码器各段 a ~g 输出的电平是由输入代码决定的,并且满足显示字形的要求。

2.74192 可预置 BCD 可逆计数器

74192上升沿触发,由UP,DOWN两管脚控制加减计数,有异步置数端 LOAR和异步复位端CLR, BO’和CO’分别输出高电平表示加进位和减 进位。

由于 74192没有保持脚,故需要外围电路实现保持功能。因为 74192上升 沿触发,所以把UP,DOWN强制置低电平即可实现保持功能。

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图 10—— 74192封装引脚图

表 2—— 74192真值表

3. 555定时器

3.1 555电路的结构组成和工作原理 (1)电路组成及其引脚

图 11——电路组成及引脚

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(2)555的工作原理

它含两个电压比较器, 一个基本 RS 触发器, 一个放电开关 T , 比较器的参考 电压由三只 5K Ω的电阻器构成分压, 它们分别使高电平比较器 C1同相比较端和 低电平比较器 C2的反相输入端的参考电平为 Vcc 3

2和 Vcc 3

1。 C1和 C2的输出端控 制 RS 触发器状态和放电管开关状态。 输入信号输入并超过 Vcc 3

2时, 触发器复位, 555的输出端 3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;输入信号自 2脚输入并 低于 Vcc 3

1时,触发器置位, 555的 3脚输出高电平,同时放电,开关管截止。 D R 是复位端,当其为 0时, 555输出低电平。平时该端开路或接 Vcc 。 Vco是控制电压端(5脚) ,平时输出 Vcc 3

2作为比较器 A1的参考电平,当 5脚 外接一个输入电压, 即改变了比较器的参考电平, 从而实现对输出的另一种控制, 在不接外加电压时,通常接一个 0.01F μ的电容器到地,起滤波作用,以消除外 来的干扰,以确保参考电平的稳定。

T 为放电管,当 T 导通时,将给接于脚 7的电容器提供低阻放电电路 . (3)555电路的引脚功能

表 3—— 555电路的引脚功能 16

3.2 用 555电路构成多谐振荡器 (1)电路组成 :

(2)主要参数计算:

电容器 C 放电所需的时间为 Tpl=R2*C*ln2=0.7R2*C

Vc 由 Vcc/3上升到 2Vcc/3所需时间为 Tph=(R1+R2)*C*ln2=0.7(R1+R2)*C 振荡频率: f=1/(Tpl+Tph)=1.43/[(R1+2R2)*C]

4.CD4078 八输入端或门

图 14

17

C

uc

DD V 3

(a) (b)

图 13 用 CC7555构成的多谐振荡器及工作波形

CD4078或非 /或门提供了 8输入正逻辑或非和或功能, 补充了现有的 COS/MOS门系列。 CD4078提供了 14引线多层陶瓷双列直插(D ) ,溶封陶瓷双列直插(J ) , 塑料双列直插(P ) , 陶瓷片状载体(C ) 4种封装形式。

5. 七段共阴数码管

图 15

数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似,只是正向压降较 大,正向电阻也较大。在一定范围内,其正向电流与发光亮度成正比。由于常规 的数码管起辉电流只有 1~2 mA,最大极限电流也只有 10~30 mA,所以它的输 入端在 5 V电源或高于 TTL 高电平 (3.5 V)的电路信号相接时,一定要串加限流 电阻,以免损坏器件。

将多只 LED 的阴极连在一起即为共阴式。以共阴式为例,如把阴极接地, 在相应段的阳极接上正电源,该段即会发光。当然, LED 的电流通常较小,一般 均需在回路中接上限流电阻。假如我们将

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第三章 实验数据与测试波形

第一节 实验数据

1. 理论设计数据

由 555电路构成多谐振荡器的振荡频率公式

f=1/(Tpl+Tph)=1.43/[(R1+2R2)*C] 可计算得 R1=68K , R2=15K , C=10uF , T=1s 2. 实际测试数据

T=0.974s,过压电源电压约为 5.18V 。

3. 仿真数据

<1>.通过调节波器送出方波的频率能实现 T=1s

<2>.过压保护电路中当电压预设参考值为 5V , 对应使发光二极管发光 (警示作用) 的电压表示数为 1.45V 。

3. 误差分析

<1>.对 T ,误差率:|0.974-1|/1=2.60%

分析:理论上用 f=1/(Tpl+Tph)=1.43/[(R1+2R2)*C]这一公式算出的数值本身 就是取的概数; 实际电路中并没有找到 R1=68K, 而是用与其阻值接近的电阻代替。 <2>.对过压电压值,误差率:|5.18-5|/5=3.60%

分析:在实际驱动电路中,由于一些电阻阻值的改变(如 555模块中的 R1变大) 、驱动继电器(仿真中仅通过发光二极管发光来显示电压是否过压,需要 的电压较小)的分压等造成过压电压值变大。

综上,在误差允许范围内,实际结果与理论相符。

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第二节 测试波形 1、仿真波形图

2.实际波形图:

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第四章 实验问题与解决措施

第一节 实验问题

1. 原理设计问题:

<1>.芯片选择问题:一开始选择 74LS161作为计数器,经过小组一系列的比较和 讨论,发现该芯片实现加计数比较容易,但减计数不是很方便;

<2>.数码管和译码器的匹配问题

2. 画原理图问题

<1>.应用 EWB 仿真软件作原理图,存在一些不常用的芯片(如八输入或非门等) 找不到;

<2>.用 Ptotel 画原理图时存在同一种芯片在 Proteus 软件和 Ptotel 软件中的引 脚不一致,造成原理图有点差别。

4. 仿真部分问题

<1>.应用 EWB 不便于查错;

<2>.过压保护单元未考虑实际接入电压的位置,即未考虑受控对象。

5. 调试部分问题:

<1>.继电器不能安稳在面包板上;

<2>.7段数码管在最后显示计数时,出现某个数字不能正常显示的问题:到某个 数字(不为 00)停止计数;显示数字不连续,出现跳转;当减到 00时未停止计 数,返回到预置数等;

<3>.555定时长短与实际时间不一致,如比一秒快或慢;

21

<4>.面包板接触不好,造成线路不稳定;

<5>.拨码开关的上拉电阻阻值太小使芯片迅速发热;

<6>.过压保护时,比较器输出端没有加上拉电阻,输出结果不理想。 22

第二节 解决措施

1. 原理设计问题:

<1>.计数器采用 74LS192芯片实现减计数功能;

<2>.采用 7448译码器和七段共阴数码管实现译码显示功能。

2. 画原理图问题

<1>.应用 Proteus 仿真软件作原理图,能找到实际需要的芯片;

<2>.画图时参照芯片引脚资料,虽然两幅原理图有点差别,但不影响实验原理。 3. 仿真部分问题

<1>.改用 Pretus 仿真软件作原理图,背景颜色鲜明,便于查错;

<2>.在过压保护单元中加入电源与地,通过滑动变阻器控制输入电压值。

6. 调试部分问题:

<1>.将过压保护电路做成单独的电路模块,将继电器安装在上面,最后将该模块 外接到面包板上;

<2>.用万用表多次测试各电路接点是否正常,使电路能够正确显示、运行。如在 某个数据处出现问题,则用万用表测试其电压与正常时的电压区别;

<3>.改变 555定时电路中电阻或者整体电路中电阻阻值,多次测试,尽量使显示 时间间隔 T=1s;

<4>.在安装元器件时, 先安元器件再连导线, 且按模块连接、 测试再连接、 测试, 直至完成,这样可方便调试;

<5>.改用更大阻值的上拉电阻阻值;

<6>.在过压保护的比较器输出端加上拉电阻。

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第五章 设计体会

经过近两周的努力 , 在老师和同学的帮助下 , 我完成了设计任务。 通过这次课 程设计,加深了自己对理论知识的理解,同时也锻炼了自己把理论知识应用到实 际问题的能力,更锻炼了自己的动手能力,能够根据需要去读一些相关文献,学 会如何去使用几款软件等,而这些正是以后工作学习生活所必需的。以前做实验 总是很单一, 要不就是按课本上步骤一步一步走, 要不就是设计简单的如加法器、 减法器之类的电路,或是用各种门电路设计简单的密码锁、温度显示器等。而这 次实验则是模电实验与数电实验的综合,需要有一定理论基础和积淀。

设计电路时收获最大的是不管以后干什么,都要从大处着眼,小处着手,先 将任务分成几个部分,再一部分一部分的去完成,最终再完成总体的设计,不然 直接设计一个整体的模型,不方便调试,出了错也不知道是哪部分出了问题。 通过这次实验, 还有一个收获就是感受到同学之间的温暖和相互协作的力量。 尽管我们各自设计的电路不尽相同,思路也可能不同,但我们能够互相帮助,遇 到问题一起探讨、一起解决,别人有什么不懂的也尽量帮忙 。相互学习,共同 进步,这种团结协作的精神正是我们新一代大学生所要求的基本素质与修养。 由于知识水平的局限 , 设计中可能会存在一些不足 , 如未完成过流、短路保护 的发挥部分。但我真诚的接受老师和同学的批评和指正。最后衷心感谢老师的悉 心指导和同学们的热心帮助 !

24

参考文献

1. 康华光,陈大钦,张林 . 《电子技术基础 模拟部分》 (第五版) . 高等教育出 版社 .2006.1

2. 康华光,邹寿彬,秦臻 . 《电子技术基础 数字部分》 (第五版) . 高等教育出 版社 .2006.1

25

附录 附录一、整体电路图

26

附录二、仿真原理图

简要说明:

<1> 在图示的仿真中,计时时 D1发光二极管灯亮,计时到 0的时候灯灭;

<2>预设参考值为 5V ,对应最上面的电压表示数为 1.45V 。当实际接入电压大于 5V 时, 发光二极管 D2灯亮, 起提示作用。 实际电路中用继电器来实现保护功能。 27

附录三、 PCB 图

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范文二：电子技术课程设计之定时开关电源

题 目 定时关断插座设计 专业、学号

授课班号 学生姓名 指导教师 完成时间

目 录

第一章 设计任务与要求?????????????????????????????????????1 第二章 电路原理设计???????????????????????????????????????2

第一节 方案比较????????????????????????????????????2

第二节 单元电路设计????????????????????????????????6

第三节 元器件选择 ????????????????????????????????12 第三章 实验数据与测试波形 ???????????????????????????????19

第一节 实验数据???????????????????????????????????19

第二节 测试波形???????????????????????????????????20 第四章 实验问题与解决措施????????????????????????????????21

第一节 实验问题???????????????????????????????????21

第二节 解决措施???????????????????????????????????23 第五章 设计体会??????????????????????????????????????????24 参考文献?????????????????????????????????????????????????25 附录?????????????????????????????????????????????????????26

附录一 整体电路图??????????????????????????????????26

附录二 仿真原理图??????????????????????????????????27

附录三 PCB图??????????????????????????????????????28

第一章 设计任务与要求

一、 设计任务:

定时关断插座

二、 设计要求:

1.基本部分:

<1> 可设置时间;

<2> 通电计时，计时结束后断电(通过倒计时计时);

<3> 过压保护。

2.发挥部分:

<1> 过流保护;

<2> 短路保护。

1

第二章 电路原理设计

第一节 方案比较

主要针对定时开关单元、过压保护单元进行比较。 方案一:

1. 定时开关单元

图1

如图1，该方案融入了大部分模拟电路，容易造成电路调试时的不稳定，且

没有定时显示功能。所以不宜采用此模块。

2. 过压保护单元

2

图2

电路原理:

缺点是需要做出电源模块，而且电路复杂。

方案二:

1. 定时开关单元

设计思路是:用555定时器产生脉冲，加到计数器上，再将计数器与译码

器连接，实现译码功能，通过7段数码管进行显示。这样就实现了定时。再加

上拨码开关就实现了人工置数，即自由定时。在译码器的输入端加上一个八端

或非门和一个非门后就能实现关断。基本电路图如图3:

3

图3

2. 过压保护单元

当电源供给电压或负载吸取的电流太大时，图4电路可断开负载给出故障指

示。

图4

4

正常工作时，Tr1和Tr2均截止，555复位，555中的放电晶体管导通，它从Tr3基极吸取电流，使Tr3处开饱和，电源5,12V便直接送主负载。当负载吸取电流超过规定值时，Rsc上压降增加，使Tr1导通，555被触发，于是内部放电晶体管截止，跟着Tr3也截止，将电源与负载隔离，这时555处于单稳状态，单稳时间一到，只要负载过流现象不排除，555又重新触发，Tr3继续将负载隔离。

若负载出现过压，则经R4、R5、D1后Tr2导通，也使555触发，Tr3这时也将负载隔离。对于过流或过压，555?脚均将输出高电位，使LED发光，表示负载处于隔离状态。由于Tr3或者处于饱和，或者处于截止，因此只用一只功率晶体管便可工作。

5

第二节 单元电路设计

一:555方波发生电路

1.电路图:

R368K+5

48R4

RSTVCC

615KC1THR

57C2CVOLTDISC

2

TRIG0.1uF

10u13

GNDOUT接脉冲

NE555N

图5

2.电路特点:

由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成的多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，因而抗干扰能力较强。

3.电路原理:

接通电源后，电容C开始充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使Vo为低电平，

6

同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平。由上面的参数计算，改变、和的值，就可以改变振荡器的RRC21

频率。

二:数码显示电路

1.电路图:

3838DS1DS2

KKKK

abcdefgDabcdefgDPP+5+5

764219576421951100111119111111191163210546321054U1U2S总ffaceacebdgbdg

VCCVCC

BI/RBORLAAAAGBI/RBORLAAAAGBTBT0123N0123NSN7448NSN7448NIIDD4537126845371268

1211U5109135432

21U6A11132671113267623623U3U4

CQQCQQQQQQVCCOVCCOBCBCBADBADRRWW3

LUDWNLUDWNCABCDGCABCDGDDPPLLNNSN74192NSN74192NRRDD54198541981111111114501450

图6

7

2(电路原理:

通过74192(可预置BCD双时钟可逆计数器)芯片实现减计数功能。当74192接收到一个外部计数脉冲信号时，计数器的状态就按二进制编码值递减1，输出相应的BCD码。当输入到预置数值这个计数脉冲后(如预置数=10，则当输入第10 个计数脉冲后)，计数器又回到00状态。此时，计数器处于锁存状态，不再进行计数，只有重新置数后才开始下一轮减计数。所以，该计数器以预置数值个计数脉冲构成一个计数周期。

通过7448(BCD---7段译码/内部上拉输出驱动)和七段共阴数码管实现将BCD码转换成7段码并显示的功能。当7448接收到一个外部输入的BCD码时，通过译码器将其转化成一一对应的有效信号，然后，经驱动器点亮对应的段。(例如:对于8421BCD码的0011状态，对应的十进制数十3，则译码驱动器应使a,b,c,d,g各段点亮。)译码器的功能就是，对应于某一组的数码输入，相应的几个输出端有有效信号输出。

3.注意事项:

由于BCD码表示十进制数，即范围是0000~1001，所以驱动器点亮7段译码管只能是0~9。当超出范围时，数码管将无法正常显示。

8

三:拨码控制电路

1.电路图:

图7

2.说明:拨码开关是采用8421BCD码置数控制电路对电路实现置数功能。从左到右分别表示高四位和低四位，下拨时表示开关闭合，电路导通，对应8421BCD码中的“1”。在电路图中，将它的高低四位分别与计数器的A、B、C、D端相连，实现对计数器的置初值的功能。

9

四:过压保护电路

1.电路图:

+5

R8

20K

R10341.5K

2

R95

C320KLM339N1K103R11

U10A

12

+5

R15

R121K20KR14341.5K

2参考电压+5V5

C4

103LM339NR1312U11A20K12

+5V

K

D6

1N4148

U8A1R5

Q5212R7131KR6D1SN74LS15N1K10K

图8

10

2.电路原理

2.1.过压保护原理:

通过参考电压与测试点电压的分压进行比较，当参考电压大于测试点电压时，输出为高;当参考电压小于测试点电压时，输出为低。然后，通过与门对继电器进行控制，当电压超过一定范围时，继电器促使开关向右闭合，发光二极管熄灭，外接电路断开以及停止工作，因而起到了保护电路的功能。 2.2.欠压保护原理:

通过参考电压与测试点电压的分压进行比较，当参考电压小于测试点电压时，输出为高;当参考电压大于测试点电压时，输出为低。然后，通过与门对继电器进行控制，当电压低于一定范围时，继电器促使开关向右闭合，发光二极管熄灭，外接电路断开以及停止工作，因而起到了保护电路的功能。

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第三节 元器件选择

一、项目元器件清单

1. 七段共阴数码管 2片 2. 555定时器 1片 3(红色发光二极管 1个 4. 7448芯片 2片 5. 74192芯片 2片 6. CD4078芯片 2片 7. DC5V继电器 1个 8. LM339 2个 9( 开关 2个 10. 拨码开关 1个 11. 电阻 数个 12.可调电阻 2个 13. 电容 3个 14. 电解电容 1个 15.稳压管1N4118 1个

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二、 重要元器件介绍

1.7448 BCD-7段译码/内部上控输出驱动

7448使用共阴极七段显示器。数字显示译码器是驱动显示器的核心部件，它 可以将输入代码转换成相应的数字显示代码，并在数码管上显示出来。图9所示为七段显示译码器7448的引脚图，输入A3 、A2 、 A1和 A0接收四位二进制码，输出a,g为高电平有效，可直接驱动共阴极显示器，三个辅助控制端，以增强器件的功能，扩大器件应用。

图9 —— 7448引脚图

13

表1—— 7448功能表

从功能表可以看出，对输入代码0000，译码条件是:灯测试输入和动态灭零输入同时等于1，而对其他输入代码则仅要求等于1，这时候，译码器各段a,g输出的电平是由输入代码决定的，并且满足显示字形的要求。

2.74192 可预置BCD可逆计数器

74192上升沿触发，由,,，,,,,两管脚控制加减计数，有异步置数端,,,,和异步复位端,,,，,,’和,,’分别输出高电平表示加进位和减进位。

由于74192没有保持脚，故需要外围电路实现保持功能。因为74192上升沿触发，所以把,,，,,,,强制置低电平即可实现保持功能。

14

图10——74192封装引脚图

表2——74192真值表 3. 555定时器

3.1 555电路的结构组成和工作原理

(1)电路组成及其引脚

图11——电路组成及引脚

15

(2)555的工作原理

它含两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和

21低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。C1和C2的输出端控VccVcc33

2制RS触发器状态和放电管开关状态。输入信号输入并超过时，触发器复位，Vcc3

555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通;输入信号自2脚输入并

1低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 Vcc3

R是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接。 VccD

2 Vco是控制电压端(5脚)，平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚Vcc3

外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制， 在不接外加电压时，通常接一个0.01的电容器到地，起滤波作用，以消除外,F

来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路. (3)555电路的引脚功能

—— —

TR TH R DIS OUT

触发 阈值 复位 放电端 输出

21 > ,VccVccH 导通 L 33

21 ,Vcc,VccH 原状态 33

1 ,Vcc× H 截止 H 3

× × L 导通 L

表3——555电路的引脚功能

16

3.2 用555电路构成多谐振荡器

(1)电路组成: +V DD

uc R1 8 4 2 VDD3

7 R2 0 t uo 6 7555 3 uo

uc 2

t1 t2 1 5 0 C t 0.01μF T

(a) (b)

图13 用CC7555构成的多谐振荡器及工作波形

(2)主要参数计算:

电容器C放电所需的时间为 Tpl=R2*C*ln2=0.7R2*C Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需时间为 Tph=(R1+R2)*C*ln2=0.7(R1+R2)*C

振荡频率: f=1/(Tpl+Tph)=1.43/[(R1+2R2)*C] 4.CD4078 八输入端或门

图14

17

CD4078或非/或门提供了8输入正逻辑或非和或功能，补充了现有的COS/MOS门系列。CD4078提供了14引线多层陶瓷双列直插(D)，溶封陶瓷双列直插(J)，塑料双列直插(P),陶瓷片状载体(C)4种封装形式。

5.七段共阴数码管

图15

数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较 大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有1,2 mA，最大极限电流也只有10,30 mA，所以它的输入端在5 V电源或高于TTL高电平(3.5 V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。

将多只LED的阴极连在一起即为共阴式。以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。假如我们将"b"和"c"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。

18

第三章 实验数据与测试波形

第一节 实验数据

1.理论设计数据

由555电路构成多谐振荡器的振荡频率公式

f=1/(Tpl+Tph)=1.43/[(R1+2R2)*C] 可计算得R1=68K ，R2=15K ，C=10uF ，T=1s 2.实际测试数据

T=0.974s，过压电源电压约为5.18V。

3.仿真数据

<1>.通过调节波器送出方波的频率能实现T=1s

<2>.过压保护电路中当电压预设参考值为5V，对应使发光二极管发光(警示作用)的电压表示数为1.45V。

3. 误差分析

<1>.对T，误差率:|0.974-1|,1=2.60,

分析:理论上用f=1/(Tpl+Tph)=1.43/[(R1+2R2)*C]这一公式算出的数值本身就是取的概数;实际电路中并没有找到R1=68K，而是用与其阻值接近的电阻代替。 <2>.对过压电压值，误差率:|5.18-5|,5=3.60,

分析:在实际驱动电路中，由于一些电阻阻值的改变(如555模块中的R1变大)、驱动继电器(仿真中仅通过发光二极管发光来显示电压是否过压，需要的电压较小)的分压等造成过压电压值变大。

综上，在误差允许范围内，实际结果与理论相符。

19

第二节 测试波形 1、仿真波形图

2(实际波形图:

20

第四章 实验问题与解决措施

第一节 实验问题

1.原理设计问题:

<1>.芯片选择问题:一开始选择74LS161作为计数器，经过小组一系列的比较和讨论，发现该芯片实现加计数比较容易，但减计数不是很方便; <2>.数码管和译码器的匹配问题

2.画原理图问题

<1>.应用EWB仿真软件作原理图，存在一些不常用的芯片(如八输入或非门等)找不到;

<2>.用Ptotel画原理图时存在同一种芯片在Proteus软件和Ptotel软件中的引脚不一致，造成原理图有点差别。

4. 仿真部分问题

<1>.应用EWB不便于查错;

<2>.过压保护单元未考虑实际接入电压的位置，即未考虑受控对象。 5. 调试部分问题:

<1>.继电器不能安稳在面包板上;

<2>.7段数码管在最后显示计数时，出现某个数字不能正常显示的问题:到某个数字(不为00)停止计数;显示数字不连续，出现跳转;当减到00时未停止计数，返回到预置数等;

<3>.555定时长短与实际时间不一致，如比一秒快或慢;

21

<4>.面包板接触不好，造成线路不稳定;

<5>.拨码开关的上拉电阻阻值太小使芯片迅速发热;

<6>.过压保护时，比较器输出端没有加上拉电阻，输出结果不理想。

22

第二节 解决措施

1.原理设计问题:

<1>.计数器采用74LS192芯片实现减计数功能;

<2>.采用7448译码器和七段共阴数码管实现译码显示功能。

2.画原理图问题

<1>.应用Proteus仿真软件作原理图，能找到实际需要的芯片; <2>.画图时参照芯片引脚资料，虽然两幅原理图有点差别，但不影响实验原理。 3.仿真部分问题

<1>.改用Pretus仿真软件作原理图，背景颜色鲜明，便于查错; <2>.在过压保护单元中加入电源与地，通过滑动变阻器控制输入电压值。 6. 调试部分问题:

<1>.将过压保护电路做成单独的电路模块，将继电器安装在上面，最后将该模块外接到面包板上;

<2>.用万用表多次测试各电路接点是否正常，使电路能够正确显示、运行。如在某个数据处出现问题，则用万用表测试其电压与正常时的电压区别; <3>.改变555定时电路中电阻或者整体电路中电阻阻值，多次测试，尽量使显示时间间隔T=1s;

<4>.在安装元器件时，先安元器件再连导线，且按模块连接、测试再连接、测试，直至完成，这样可方便调试;

<5>.改用更大阻值的上拉电阻阻值;

<6>.在过压保护的比较器输出端加上拉电阻。

23

第五章 设计体会

经过近两周的努力,在老师和同学的帮助下,我完成了设计任务。通过这次课程设计，加深了自己对理论知识的理解，同时也锻炼了自己把理论知识应用到实际问题的能力，更锻炼了自己的动手能力，能够根据需要去读一些相关文献，学会如何去使用几款软件等，而这些正是以后工作学习生活所必需的。以前做实验总是很单一，要不就是按课本上步骤一步一步走，要不就是设计简单的如加法器、减法器之类的电路，或是用各种门电路设计简单的密码锁、温度显示器等。而这次实验则是模电实验与数电实验的综合，需要有一定理论基础和积淀。

设计电路时收获最大的是不管以后干什么，都要从大处着眼，小处着手，先将任务分成几个部分，再一部分一部分的去完成，最终再完成总体的设计，不然直接设计一个整体的模型，不方便调试，出了错也不知道是哪部分出了问题。

通过这次实验，还有一个收获就是感受到同学之间的温暖和相互协作的力量。尽管我们各自设计的电路不尽相同，思路也可能不同，但我们能够互相帮助，遇到问题一起探讨、一起解决，别人有什么不懂的也尽量帮忙 。相互学习，共同进步，这种团结协作的精神正是我们新一代大学生所要求的基本素质与修养。

由于知识水平的局限,设计中可能会存在一些不足,如未完成过流、短路保护的发挥部分。但我真诚的接受老师和同学的批评和指正。最后衷心感谢老师的悉心指导和同学们的热心帮助!

24

参考文献

1. 康华光，陈大钦，张林.《电子技术基础 模拟部分》(第五版).高等教育出

版社.2006.1

2. 康华光，邹寿彬，秦臻.《电子技术基础 数字部分》(第五版).高等教育出

版社.2006.1

25

附录 附录一、整体电路图

3838DS1DS2

KKKK

abcdefgDabcdefgD+5+5PP数字显示单元R176421957642195110010K111119111111191163210546321054U1U2+5ffaceacebdgbdg总开关VVR8CCCC20K

R103BI/RBORLAAAAGBI/RBORLAAAAG41.5KSN7448NSN7448NBT0123NBT0123N2IDID4537126845371268R95C320KLM339N121K103R1111U10AU51012913543+52

R15

R121K2120KR143U6A1113267111326741.5K623623U3U42参考电压+5V5CQQQQCQQQQC4OABCDOABCDVVBBCC103LM339NRRCCR13WW312U11A20K12LUDWNLUDWNCABCDGCABCDGDPDPSN74192NSN74192N+5VLNLNRDRD54198541981111111114501450R210KKP排D6981N41487置数开关U8A61R55Q52124R7方波发生单元131K3R6D12SN74LS15N1K10K1R368K+5

U7A过压保护单元187654321S348R4RSTVCC2615KC1THR57C2CVOLTDISC向右顺序 左四低 2TRIG0.1uF下拨为110u139GNDOUT11111110123456NE555N

26

附录二、仿真原理图

+5V

U5R315kU1U243RQ74LS4874LS487DC5CV+5VU971371312AQAAQA112112R211BQBBQB26211211181068kTRTHCQCCQCGNDVCC6106109ADQDDQD494913BI/RBOQEBI/RBOQEC25555155155BRBIQFRBIQF3143144LTQGLTQG3C10u2+5VDC1

0.1u

R110kU3U474LS19274LS192

RV1153153D0Q0D0Q01212D1Q1D1Q129%106106D2Q2D2Q29797D3Q3D3Q30.5k512512R8UPTCUUPTCU41341310k+5VDNTCDDNTCD1111PLPL1414+1.452Q1MRMR3R72N5551VoltsRP1142k1U8:AQ22R540112N55513+5.0010kU10:A4Volts15R6361k278D174089 0.00R4D2VoltsRESPACK-8LED-RED1610.3k152LED-RED143DSW1134DIPSW_8125总开关OFFON11610798100%+5VRV21k 简要说明:

<1> 在图示的仿真中，计时时D1发光二极管灯亮，计时到0的时候灯灭; <2>预设参考值为5V，对应最上面的电压表示数为1.45V。当实际接入电压大于5V时，发光二极管D2灯亮，起提示作用。实际电路中用继电器来实现保护功能。

27

附录三、PCB图

28

范文三：定时开关电路

文章编号 :1004— 289X (2002) 03-0033-03

一款电子定时开关电路

张宏希

(陕西工学院电工电子实验中心 , 陕西　汉中　 723003)

摘　要 :给 出一款电子定时开关电路 , 该定时开关电路采用 RC 长定时方法 , 此方法基于晶体三极管基极和 集电极电流之间的关系 i C =Βi B , 通过电阻 R 、 电容 C 和晶体三极管恰当连接 , 可获得长定时的效果 。 关键词 :RC 电路 ; 长定时方法 ; 开关电路

中图分类号 :TM 564　　　　　文献标识码 :B

T he Sw itch C ircu it of E lectron ic T i m ing

ZH A N G H ong -x i

(D ep t . of E lectrical and E lectron ic Exp eri m en t Cen ter , Shanx i In stitu te of T echno logy , H anzhong 723003Ch ina )

A b stract :T h is p ap er gives a s w itch circu it of electron ic ti m ing , w h ich u ses a long -ti m ing m ethod of the RC circu it . T h is m ethod is based on the cu rren t relati on i C =Βi B betw een the base and the co llec 2 ti on of the tran sisto r . T he long -ti m ing effect can be ob tained by app rop riate connecti on of the resistance R , the cap acitance C and the tran sisto r .

Key w o rds :RC circu it ; long -ti m ing m ethod ; s w itch circu it

1　引言

在为数众多的定时电路中 , 唯有 RC 定时电路最 为简单 , 但美中不足的是 RC 电路的定时时间较短 , 究 其原因是 RC 电路的时间常数 Σ值较小 。 若要延长定 地时间 , 则必须增大 R 、 C 的数值 , 这在实际电路中是 不大方便的 。

2　 RC 电路时间常数的增大原理

图 1(a ) 所示的 RC 电路 , 开关 K 闭合后 , 电容电 压从零按指数规律逐渐上升 , 电容电压从零升至某预 定值所经历的时间 , 即为 RC 电路的定时时间 。 定时时 间的长短取决于电路的时间常数 Σ=RC 数值的大小 。 若要定时长 , 则要增大 Σ值 , 于是必须增大 R 、 C 的数 值 。图 1(b ) 是电阻 R 、 C 的数值保持不变 , 仅增添一只 三极管即可增大 RC 电路时间常数 Σ值的电路图 。 以 下用两种方法给以证明 。

2. 1　方法 1

图 1(a ) 电路 , 设 u C (0-) =0, t =0时 , 开关 K 闭 合

有　 u C =

C

i d t (1) 　 ……………………………

电路时间常数 Σ=RC

图 1(b ) 电路 , 设三极管的电流放大倍数为 Β, 根据 三极管的电流分配关系 i E =i B +i C , 有 i ′ =i B +i C =(1 +Β) i B , i B =i ′ (1+Β)

若忽略去 U on (be 结导通压降 ) 的影响

有 u C =

C

i B d t

　　 =

C 1+Β

d t =(

1+Β) C i

′ d t (2) 　 ………

　　比较 (1) 、 (2) 两式可知图 1(b ) 电路的等效电容 (虚线框部分 ) 为 (1+Β) C , 电路的时间常数 Σ′ =(1+Β) RC =(1+Β) Σ, 即图 1(b ) 电路的时间常数比图 1(a ) 电 路的时间常数增大 (1+Β) 倍 。

2. 2　方法 2

把图 1(b ) 中的三极管 T 用它的简化交流等效电 路代替 , 可得图 2(a ) 电路 , 该电路是一个含有受控源 的电路 。

一般而言 , RC 电路的时间常数 Σ=RC 中的 R 是 指从电容两端看进去的代文宁等效电路的等效电阻 。 为求得此等效电阻 , 根据电路理论 , 应使所有的独立源

图 1　 RC

电路

图 2　求 R eq 的等效电路

为零值 , 受控源仍保留 。 移去电容 C , 在该处外施一电 压 U , 求出相应的电流 I ′ , 则 R eq =U I ′ 。 图 2(b ) 电路 是图 2((a ) 电路的化简电路图 。

由图 2(b ) 电路可得 :U =I ′ be +I ′ ΒR +I ′ [r be +(1+Β) R ],R eq =U I ′

=r eq +(1+Β) R 考虑到 (1+Β) R μr be , 所以 , R eq =(1+Β

) R 即电路的等效电阻为 (1+Β) R , 时间常数 Σ′ =R eq C =(1+Β

) RC =(1+Β) Σ3　电子定时开关电路

图 3是给出的长定时开关电路图 , 它的定时时间 可达 2. 5小时以上 。 它即可用于定时接通电路 , 也可用 于定时断开电路

。

图 3　定时开关电路

3. 1　工作原理

电阻 R 1、 R 3和三极管 T 3组成定时开启电路 , 常态

下按钮 AN 的 3、 4两触点短接 , T 3截止 , 其集电极为 高电平 。 当按下 AN 时 , 3、 4两触点断开 , 由于 R 2取值 较小 , 三极管 T 3便获得一个很大的基流而迅速饱和导 通 , 集电极突降为低电平 , 此低电平去控制集成电路 I C 的 2端 , 定时随即开始 。

电阻 R 1、 电位器 W 、 电容 C 1和三极管 T 1、 T 2构成 电路的核心部分定时单元 。 T 1、 T 2组成复合三极管 , 目 的是获得一个很大的 Β值 , 进而得到一个很大的 Σ值 , 以求得有更长的定时时间 。 调节 W 可改变定时长短 。 当按下 AN 时 , 1、 2两触点短接 , C 1放电以消除其上的 滞留电荷 , 立即松开后 u c 从零值开始上升 。 定时单元 的输出为复合管集电极电压 U C , 用此电压去控制集成 电路 I C 的 6端 , 实现定时结束 。

I C 是一片双极型集成电路 N E 555, 它的作用是把

随时间上升的复合管集电极电压 U C 当其升至某一值

时转换为低电平输出 。这里它工作于双稳态模式 , 当 2端电位低于其供电电压的三分一时 , 3端输出高电平 。 当 6端电位高于其供电电压三分二时 , 3端输出低电 平 。 双极型 N E 555输出电流大 , 负载能力强 , 驱动继电 器较为理想 。

继电器 J 是定时执行电路 。 定时开始 N E 555输出 高电平 , 继电器 J 吸合 , 长开触点 J 1闭合 ; 若此时单刀 三掷开关 K 置于定时关位置 1, 则负载 Z L 得电工作 ; 定时到后 , N E 555输出变为低电平 , 继电器释放 , 长开 触点 J 1恢复断开状态 , 负载失电停止工作 。 若定时开 始后 , 开关 K 置于定时开位置 2, 由于此时常闭触点 J 2断开 , 负载 Z L 不得电 , 定时到后 , J 2恢复闭合 , 此时负 载 Z L 得电开始工作 。 当 Z L 功率较大时 , 则应先用继电 器去控制一接触器 , 然后用接触器去控制 Z L 。 若接触 器为三主触间接触器 , 则定时开关可用于控制三相供 电电路的定时开 、 关动作 。

开关电路的直流电源是普通的整流电源 , 图上未 画出 , 不再赘述 。 3. 2　定时时间的计算

把图 3中的定时单元电路分离出来得图 4的 RC 等效充电电路 , 图 4(a ) 中 R 是 R 1和 W 的串联 ; C 是 等效电容 (1+Β1Β2) C 1; E ′

为复合管的导通压降 U be , 图 4(b ) 是 U C -t 变化曲线 , 由图 4(b ) 可得 :

U C =E ′

+(E -E ′ ) (1-e -t Σ

) 将　　 U C =2 3? E 代入

得定时时间 :T =In [3? (1-E ′ E ) ];Σ(下转 46页 )

减少这种过渡干扰脉冲对后续电路的影响 。电路如图

13. 2所示 。 在 T TL 组合逻辑电路中 , C 的容量一般可 取数十 ΛΛF ; 在 COM S 电路中 , C 可取数百 ΛΛF 。

(2) 施加封锁脉冲 P

电路如图 13. 3所示

。

图　 13. 3

竟争冒险现象发生在信号状态转换 td 时间内 。 若 在其间通过控制端 P 输入一个封锁脉冲使门 G 1不受 这种干扰脉冲的影响 , 则竟争冒险现象即被消除 。

这里 , 要求 P 所加的封锁脉冲不仅与信号转换时 间同步 , 而且封锁脉冲宽度应略大于 td 。

(3) 施加选 通脉冲 q

电路如图 13. 4(a ) 所示 。

常态下 , 该选通脉冲 q =1, 使门 G 2处于封锁状 态 。只有在接收了输入信号 , 且电路已转换完毕 , 达到 新的稳态后 , 才有 q =0, 允许电路输出 。 这就避开了输 出端出现过渡干扰脉冲的时间

。

图　 13. 4

引入选通脉冲的组合逻辑电路输出信号只能在 q

有效期间 , 输出 Y 才有效 ; 而在 q 无效期间 , 输出 Y 亦 无效 。 此处 q =1, Y 无效 ; q =0, Y 有效 。 波形示意如图 11. 4(b ) 所示 。

(4) 修改逻辑设计 如果组合逻辑电路出现竟争冒险现象 , 也可通过 修改逻辑设计予以消除 。 原则是 , 只要通过修改逻辑 设计 , 使得在信号转换时电路中每个门的输入端只有 一端改变状态 , 则电路就不会出现竟争冒险现象 。

例如 , 图 13. 1(a ) 所示电路 , 逻辑功能 Y =1, 但电 路存在竟争冒险现象 , 输出端有可能会出现过渡干扰 脉冲 。 原因是 G 1有两个输入端同时改变其状态

。

图　 13. 5

　　如果重新修改逻辑设计 , 采用图 13. 5(a ) 所示电 路 , 逻辑功能仍然为 Y =1。但是电路不存在竟争冒险 现象 , 因为 G 1、 G 2的两个输入端在同一时刻只有一 个输入端改变其状态 , 故不存在竟争冒险现象 。当然 , 也不会出现过渡干扰脉冲 。 (完 )

收稿日期 :2002-03-11

(上接 34页 )

　　因　 Σ=RC =(R 1+W ) (1+Β1Β2) C 1

所以 T =I n [3? (1-E ′ E ) ](1+Β1Β2) (R 1+W )

C 1

又因 E =6V (电源 ) 　 E ′ =1V (实测 ) 故　 T =0. 961? (1+Β1Β2) (R 1+W ) C 1此式即定时时间表达式

。

图 4　 RC 等效充电电路

4　结束语

该定时开关电路采用最简单的 RC 定时方法 , 故 电路使用元器件少 , 结构简单 , 成本低廉 。

电路中的 C 1漏电应很小 , T 1、 T 2的穿透电流也应 很小 。 W 应为线性刻度的电位器 , W 的定时标度应通 过计算和实际调试来标定 。 参　考　文　献 [1]　邱关源 . 电路 [M ]. 第 4版 . 北京 :高等教育出版

社 , 1996. [2]　童诗白 . 模拟电子技术基础 [M ]. 第 2版 . 北京 :

训等教育出版社 , 1998. [3]　王秀杰 , 张畴光 . 模拟集成电路应用 [M ]. 西安 :

西睇工业大学出版社 , 1994.

收稿日期 :2002-04-24

范文四：智能定时开关

目 录

0 前言 . .................................................................... 1

1 总体设计方案 . ............................................................ 2

1.1 单片机定时开关方案设计 .............................................. 2

1.2单片机定时开关的功能 . ................................................ 2

2 硬件电路设计 . ............................................................ 3

2.1电源电路 . ............................................................ 3

2.2 手动复位电路 ........................................................ 3

2.3 晶振电路 ............................................................ 4

2.4 液晶显示电路 ........................................................ 4

2.5 键盘控制电路 ........................................................ 5

2.6 继电器电路 .......................................................... 5

2.7 报警电路 ............................................................ 6

3 软件设计 . ................................................................ 6

3.1 定时开关主程序流程 .................................................. 6

3.2 时钟程序设计 ........................................................ 7

3.3 人机界面程序设计 .................................................... 7

4 调试分析 . ................................................................ 8

5 结论及进一步设想 . ........................................................ 9

参考文献 . ................................................................... 9

课设体会 . .................................................................. 10

附录1 电路原理图 ......................................................... 11

附录2 程序清单 ........................................................... 12

基于单片机的定时开关设计

班彬棠 沈阳航空航天大学自动化学院

摘要：随着家用电器的越来越普及和人们生活节奏的加快，人们对电器的依赖性进一步提高，对电器的定时需求也进一步增大。定时开关的使用能够做到节能、安全、方便等。本文首先介绍定时开关设计要实现的功能，接着阐述系统电路的设计及原理说明，包括设计方案选择、关键元器件介绍、电路设计说明（包括电源电路、键盘、单片机控制电路、液晶1602显示、继电器工作电路）软件设计流程以及系统的测试。最后总结了定时开关设计完成的任务，分析系统的不足并提出了系统的应用展望。

关键词：定时开关；1602液晶；键盘；继电器

0 前言

现如今，生活水平提高，生活节奏加快，市面上的开关往往由于其功能过于单一而不能满足我们的需求。比如：学校的起床广播因值班人员睡过头而推迟广播；家中的鱼缸因太久没有供氧造成鱼儿缺氧死亡；许多球迷或者新闻爱好者因为错过了开机时间而与精彩球赛或者新闻擦肩而过等等。

随着电器产品待机能耗的迅速增长，家庭和社会付出了太多的代价，中国节能认证中心对家庭待机能耗做过的调查显示，待机能耗占到家庭电力消耗的10％左右，仅以电视机为例，平均每台电视机的待机能耗是8.07W ，按每天待机2小时大约耗电0.016度。除此之外，长期通电会使家用电器电路老化，降低了电器的使用寿命，还容易漏电引发火灾。据公安和消防部门有关资料显示，全过平均每天发生火灾358起，其中电器火灾占30%以上，其主要原因是超负荷、短路、电弧等。大多数情况下并不是我们不去关闭电源，而是由于忘记了切断电源。

综合以上原因考虑，我们急需要一款智能定时开关。此开关能够实现定时给电器供电，在工作时间之外把电器的电源切断，这样就能解决电器的待机损耗，达到节约用电的目的，还能消除安全隐患，最终使我们的生活更加方便化、智能化。

定时开关是一款能在特定时间段内控制电器通、断电的开关。能实现24小时制走时模式，定时时间范围最小为1分钟。

本文阐述了定时开关的硬件电路设计、软件算法设计, 给出了定时开关的设计和定型方案, 它可以对家中一些需要在特定时间工作的电器进行自动断、通电控制, 减少电器的待机损耗，解决生活中的一些烦恼。

1 总体设计方案

1.1 单片机定时开关方案设计

采用一种以STC89C51为核心的单片机控制方案。选用单片机AT89S51 作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO 端口，及其控制的准确性，实现基本的定时控制功能。在单片机的外围电路外接输入键盘及1602液晶用于构造人机交互界面以设置各个参数。其原理如下图1.1所示：

图1.1 单片机定时开关原理图

1.2单片机定时开关的功能

系统总体设计主要实现以下功能：

（1）人机交互界面：通过1602液晶显示屏，与独立按键建立起一套完善的人机交互界面。可以用于设置定时的参数。查看定时参数，显示时间。

（2）设置定时时间：用户通过人机交互界面，查找到设定时间界面，设置对应的每一组的定时和延时时间。

（3）设置现实时间：由于各种外界因素会导致系统现实时间与实际现实时间相异，系统支持修改系统现实时间。用户通过人机交互界面，查找到设定时间界面，设置系统现实时间。

（4）提示与报警：当到达设定时间时LED 显示灯熄灭以提示用户定时开始，当设定时间结束后实现用蜂鸣器报警。

2 硬件电路设计

实现本设计要求的具体功能，可以选用AT89C51单片机及外围器件构成最小控制系统，包括电源电路、手动复位电路、晶振电路、液晶显示电路、键盘控制电路、继电器电路、报警电路。

2.1电源电路

图2.1 电源电路图

系统要提供稳定的直流5V 供单片机及其所控制的外围电路用220V 交流电经过变压器降压后经7805稳压后给单片机控制系统供电。

2.2 手动复位电路

图2.2 手动复位电路

复位电路分为上电自动复位和按键手动复位,RST 引脚是复位信号的输入端, 复位信号

是高电平有效. 上电自动复位通过电容C3和电阻R1来实现, 按键手动复位是由图中复位键来实现的。

2.3 晶振电路

图2.3 晶振电路

由于系统需要计算精确时间，所以该模块使用了一个12MHz 的晶振。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按照时序工作。

2.4 液晶显示电路

图2.4 液晶显示电路

本设计选用的1602液晶为16管脚液晶，即带背光液晶。与单片机接口设计如下：7—14：连接P0端口；4：连接P2.2；5；连接P2.1；6：连接P2.0。

2.5 键盘控制电路

图2.5 键盘控制电路

本设计采用了独立键盘设计，只是用了4个独立按键与单片机I/O口连接，利用简单的逻辑方式实现了人机交互界面。

2.6 继电器电路

图2.6 继电器电路

单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大多工作在5V 甚至更低‘驱动电流在毫安级以下。而要把它用于一些大功率场合，显然是不行的。所以就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。图中三极管8550有两个作用：一个是起放大作用，一个是起开关作用。当单片机给出低电平时，三极管处于导通状态，并起放大作用，这样，继电器就能得到足够的驱动电流来正常工作。当单片机给出高电平时，三极管不工作，继电器因没电流通过而不工作。二极管4148起到保护作用。

2.7 报警电路

图2.7 报警电路

本设计报警电路由单片机I/O口经三极管控制蜂鸣器进行报警。

3 软件设计

3.1 定时开关主程序流程

在本次设计中，主程序主要是在单片机的控制下，建立人机操作界面，对设定时间进行储存分析，驱动液晶显示出相关信息，并通过对比分析定时时间与时钟，控制继电器的通、断，从而达到控制开关的通、断电。在这个过程中，单片机首先进行初始化，包括设置单片机各个端口的方向，各个变量的初始化，液晶显示初始化、继电器断开以及单片机振荡频率的校准等。整个系统软件设计的流程图如图3.1所示。

图3.1 主程序流程图

3.2 时钟程序设计

单片机AT89C51内的定时器0和定时器1能准确定时一段时间。故用定时器0定时，并通过计算定时次数来实现时钟走时。本设计定时器0和定时器1都是定时50ms 中断一次，中断20次就能实现一秒钟。整个系统软件设计的流程图如图3.2所示。

图3.2 时钟程序流程图

3.3 人机界面程序设计

人机界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口。是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，人机界面程序流程图如图

3.3所示。

图3.3 人机界面服务流程图

4 调试分析

系统调试：将程序放入Keil uVision 4中进行编译调试，若调式无误通过，与Proteus 软件连在一起进行调试。

通过键盘设置现在时间和开关打开时间以及开关通电时长，设置完成，系统正常工作如图4.1所示。

图4.1 系统调试图

当时间到达开关打开时间时，继电器开关吸附闭合，电路通电并且日光灯亮。如图

4.2所示。

图4.2 系统调试图

5 结论及进一步设想

本次设计是一个基于单片机AT89C51的定时开关设计，包括方案选择、软硬件设计、单片机最小系统、继电器驱动电路和键盘电路调试、硬件测试结果及解决在电路调试时遇到的问题。

本次设计完成了一款定时开关系统。该系统采用51单片机STC89C51编程控制继电器的通、断来实现控制开关的通、断电，而继电器的通、断由定时组别确定。在定时范围内继电器导通，否则断开。并用LCD1602显示出时钟及定时时间等信息。

当时钟走到定时开始时间时，继电器接通，开关给负载供电；时钟走到定时结束时间时，继电器断开，开关停止给负载供电。总的来说，本次设计还是比较成功的，各项指标都符合设计要求。但也存在不足，例如可以用一个按键实现多个功能，这样子按键数目就会大大减少，减小系统的体积。电源部分可以用高频磁芯代替变压器，这样设计出来的电源重量及体积会更小，能使电源模块更加小巧玲珑，从而减小整个系统的重量及体积，便于使用等等。

1、通过此次课程设计，更熟练掌握C 语言的编程方法，进一步熟悉了外部中断的使用方法。通过使用仿真软件Proteus ，深化了对软硬件联合调试的意义的理解，在仿真的过程中李老师更是指点了许多存在的问题，大大提高了我调试的效率。

2、通过定时控制系统的设计，熟练掌握了软件定时的使用方法，能够应用于不同场合，更节省了定时/计数器的资源。

3、通过显示系统的设计，掌握了LCD1062液晶显示器的应用，使得电路大大简化。电路的简化在实际应用时使线路的可靠性进一步提高。

本次的单片机课程设计，使我们更进一步了解到单片机的优点和强大功能, 在查找资料的过程中, 认识到单片微型计算机应用的广泛性和极高的性价比。

参考文献

[1] 何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社, 1995

[2] 薛钧义, 张彦斌. MCS-51系列单片微型计算机及其应用. 西安:西安交通大薛出版

社, 1997

[3] 丁元杰. 单片微机原理及应用. 北京:机械工业出版社, 1994

[4] 元杰. 单片机接口技术及应用. 北京:清华大学出版社, 2005

[5] 潘新民. 微型计算机控制技术. 北京:人民邮电出版社, 1999.9

[6] 余锡存 曹国华. 单片机原理及接口技术. 陕西:西安电子科技大学出版社, 2000.7

课设体会

本次课程设计，我深深体会到仅仅依靠课本知识是远远不够的。在查找资料和实践的过程中，李老师为我指点了许多难以解决的问题，使我的知识水平大大提高。特别是在编程的过程中，李老师丰富的经验也使得我受益匪浅，少走许多弯路。

此次单片机课程设计的软硬件联调过程使我们认识到自身知识及能力的薄弱，更让我知道实践的重要性。在以后的学习过程中，我会更加努力学习相关知识和应用，真正能够运用单片机组成的微控制系统解决各种实际的问题。

最后，此次课程设计，在李老师的指导下，使我的知识水平有了较大的进步。在对单片机应用较为广泛的各种系统中，对于单片机的理解也更为深刻。此次设计过程中，使我的理论和实际能力都受益匪浅。在此非常感谢李老师的悉心指导。

通过此次设计，我得到很多的经验教训，在以后的学习和工作中，我一定会更加用心，更加努力的，更加坚决的完成自己的任务！

[2014年1月10日完成]

附录1 电路原理图

附录2 程序清单

#include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char unsigned int cnt_num; sbit rs = P2^0; sbit rw = P2^1; sbit ep = P2^2; sbit led= P2^5; sbit k1 = P3^0; sbit k2 = P3^1; sbit k3 = P3^2; sbit k4 = P3^3; sbit bz = P2^3; sbit power = P2^4;

uchar shi,fen,miao,a,b,c,d,e,f,teep,ling; uchar code table[]={"0123456789:"}; void delay(uchar z) //延时函数 {

uchar x,y;

for(x=10;x>0;x--) for(y=z;y>0;y--); }

lcd_bz()

{ // 测试LCD 忙碌状态 uint result; rs = 0; rw = 1; ep = 1; delay(1);

result = P0 & 0x80; ep = 0;

return result; }

void lcd_cmd(uchar cmd)

{ // 写入指令数据到LCD while(lcd_bz()); rs = 0; rw = 0; ep = 0; delay(1); P0 = cmd;

delay(1); ep = 1; delay(1); ep = 0; }

void lcd_dat(uchar dat)

{ //写入字符显示数据到LCD while(lcd_bz()); rs = 1; rw = 0; ep = 0; P0 = dat; delay(1); ep = 1; delay(1); ep = 0; }

void disp_time(uchar x,uchar y,uchar h,uchar m,uchar s) {

if(0 == y) x |= 0x80; //当要显示第一行时地址码+0x80; else x |= 0xC0; //在第二行显示是地址码+0xC0; lcd_cmd(x); //发送地址码 lcd_dat(table[h/10]); //小时 lcd_dat(table[h%10]); lcd_dat(table[10]);

lcd_dat(table[m/10]); //分 lcd_dat(table[m%10]); lcd_dat(table[10]);

lcd_dat(table[s/10]); //秒 lcd_dat(table[s%10]); }

void lcd_init()

{ //LCD初始化设定 lcd_cmd(0x38); // delay(1);

lcd_cmd(0x0c); // delay(1);

lcd_cmd(0x06); // delay(1);

lcd_cmd(0x01); //清除LCD 的显示内容 delay(1); }

while(1)

if(teep==0) //每秒变化一次 {

disp_time(6,1,shi,fen,miao); }

if(miao==60) {

miao=0; fen++;

if(fen==60) {

fen=0; shi++;

if(shi==24) {

shi=0; } } }

if(k1==0) //设置现在时间 {

EA=0;

lcd_cmd(0x01); //清屏

disp_later(0,0,"K2:H K3:M K4:O",14); disp_later(0,1,"TIME:",5); disp_time(6,1,shi,fen,miao); while(1) {

while(k2==0) {

delay(1); if(k2==1) {

shi++;

if(shi==24) shi=0;

disp_time(6,1,shi,fen,miao); } }

while(k3==0) {

delay(1); if(k3==1) {

if(fen==60) fen=0;

disp_time(6,1,shi,fen,miao); } } if(k2==0) {

lcd_cmd(0x01);

disp_later(0,0,"start:",6); //显示：开始时间 disp_time(6,0,a,b,c);

disp_later(0,1,"delay:",6); //显示：持续时间 disp_time(6,1,d,e,f); delay(10); while(k2==1) {

while(k1==0) {

delay(10); if(k1==1) {

a++;

if(a==24) a=0;

disp_time(6,0,a,b,c); } }

while(k2==0) {

delay(10); if(k2==1) {

b++;

if(b==60) b=0;

disp_time(6,0,a,b,c); } }

while(k3==0) {

delay(10); if(k3==1) {

d=d+1; if(d==60) {

c++;

if(c==24) c=0; }

disp_time(6,1,c,d,e); } }

if(k4==0) {

ling=1;

disp_later(0,0,"1-SET 2-AL 3-SAL",16); disp_later(0,1,"TIME:",5);

disp_time(6,1,shi,fen,miao); break; } } }

if(k3==0) //显示闹铃时间 {

lcd_cmd(0x01);

disp_later(0,0,"start:",6); //显示：开始时间 disp_time(6,0,a,b,c);

disp_later(0,1,"delay:",6); //显示：持续时间 disp_time(6,1,c,d,e); delay(10000);

lcd_cmd(0x01); //清屏

disp_later(0,0,"1-SET 2-AL 3-SAL",14); disp_later(0,1,"TIME:",5);

disp_time(6,1,shi,fen,miao); }

if(ling==1) { if(shi==a) {

if(fen==b) {

power=0; //开电源 led=1; } } if(shi==a+c) {

if(fen==b+d)

{

power=1; //关电源 led=0; bz =0 ;

delay(1000); bz =1 ;

lcd_cmd(0x01); //清屏

disp_later(0,0,"1-SET 2-AL 3-SAL",16); disp_later(0,1,"TIME:",5); disp_time(6,1,shi,fen,miao); ling=0; } } }

} }

void timer0() interrupt 1 {

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256; teep++; led=0;

if(teep==20) {

teep=0;

miao++; //秒加一 if(miao==60) {

miao=0; fen++;

if(fen==60) {

fen=0; shi++;

if(shi==24) {

shi=0; } } } } }

范文五：定时开关电路

定时开关电路主要由与非门IC和晶体管开关电路组成，当电器需要工作时，只要按一下按钮开关SB，插座XS就对外送电。经过一段时间自动断电。

该电路可通过调节电位器RP的大小来控制定时时间的长短，该电路的定时时间可在1小时内连续可调。

电路原理图：

定时开关电路原理图

电路工作原理：

1、给电路接上220V市电，因为没有按下轻触开关SB，电路不得电，K2不闭合，所以插座SX无电。

2、按下轻触开关SB。市电经过C3\R3组成的阻容降压给电路供电，通过VD2整流、VD3稳压、C2滤波，给电路提供9V的电源。此时CD4011的输入端有一个端为0所以输出为1，三极管导通，继电器K吸合，K2闭合，电源插座SX输出为220V市电。此时松开轻触开关SB，由K2维持闭合状态，同时K1接通电阻R1、RP，给电容C1充电，充电过程中，电容C1的电位慢慢上升，当上升到CD4011的输入端门限电压时，CD4011的输入端全为高电平，所以输出为低电平，三极管截止，继电器断开，K2断开，插座断电。K1立即给电容C1放电。通过改变电位器RP可以调整电容的充电速度，也就改变了延时时间。由DIY电子制作网进行电路工作原理分析的。

元件清单 ： 图形符号 元件名称 型号参数

R1 电阻 100K

R2 电阻 10K

R3 电阻 1M

RP 微调电阻 5.1M

C1 电解电容 1000uF

C2 电解电容 220uF

C3 电容 0.47uF/400v

VD1、VD2 二极管 4001

IC 集成电路 4011

VT 三极管 9013

VD3 稳压二极管 9V

JX 继电器 JZC-23F

SX 电源插座

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