倒计时控制电路的设计-电子技术课程设计

1、成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：电子技术课程设计题 目：倒计时控制电路的设计学 院：电气与电子信息学院学 生 姓 名：专 业：信息工程学 号：指 导 教 师： 倒计时控制电路的设计摘 要：本文的目标是设计一个可灵活调节的倒计时计数电路。为了使计数器且能够自由切换运行状态及计数步长，本文将电路设计为四个模块。（1）信号产生模块产生分信号与秒信号；（2）控制模块控制运行状态(计数/置数)的切换以及计时步长(分/秒)的切换；（3）计数模块实现对预置数进行倒计时功能实现；（4）显示模块负责将倒计时计数显示以及当前运行状态、计数步长及计时停止的显示。利用Multisim仿真软件为平台倒计时

2、控制电路的仿真设计过程对电路的设计原理、构成方法作了详细的介绍，使用虚拟仪器、虚拟元件完成了电路系统的设计与仿真，并利用Altium Designer进行PCB电路图的绘制。关键词：倒计时控制电路，信号产生模块，控制模块，计数模块，显示模块，Multisim，Altium DesignerAbstract：The goal of this article is a countdown counter circuit design can be flexibly adjusted. In order to counter and freely switching the operating st

3、atus and count steps, this article will circuit design into four modules. (1) signal generation module generates component signal and the second signal; (2) control module controls the operating state (counts / set the number) as well as the timing of switching steps (minutes / seconds) switch; (3)

4、to achieve the preset counting module number achieve countdown function; (4) display module is responsible for the countdown counter display and the current operating status, stop counting steps and timing display. Use Multisim simulation software platform countdown control circuit simulation design

5、 process. The design principle of the circuit configuration method introduced in detail, using the virtual instrument, virtual components to perform the design and simulation of circuit system, and the use of Altium Designer schematic drawing of PCB.Keywords：Countdown to the control circuit, the sig

6、nal generation module, a control module, the counting module, display module, Multisim, Altium Designer目录一、引言11.1选题的目的和意义11.2设计背景11.3设计目标21.4技术路线21.5实施计划2二、电路设计方案32.1总体电路设计方案32.2方案比较3方案一3方案二42.3方案论证42.4方案选择4三、单元模块电路设计63.1信号发生模块63.2控制模块73.3计数模块103.4显示模块123.5特殊元器件介绍14介绍14介绍16介绍17四、电路设计184.1 软件介绍18Mult

7、isim18Altium Designer184.2软件设计结构194.3软件设计流程框图20五、系统调试215.1 信号发生模块的调试215.2控制模块的调试225.3显示模块的调试235.4计数模块的调试25六、系统功能及指标参数276.1 系统功能276.2 系统指标参数测试276.3 系统功能及指标参数分析28七、设计总结297.1 总结297.2 体会29八、参考文献30九、附录31III 一、引言1.1 选题的目的和意义倒计时计数器的用途很广泛。它可以用作定时，控制被定时电器的工作状态，实现定时开或者定时关。在加上运用显示电路将倒计时的时间显示出来，从而更让人觉得这是个比较方便的控

8、制加定时开关。在日常生活中，我们经常碰到一些需要定时的事情，不仅在医学设备、在交通方面、比赛场合等，而且在一些数字化、智能化设备上倒计时定时器得到了很好的应用。例如印相或放大照片，需要定在零点几秒的时间，洗衣机洗涤衣物需要定在几分钟到十几分种的时间，电风扇需要定在数十分钟的时间。完成这种定时的定时器有多种多样，在家用电器中采用的机械定时器就是根据一般上弦钟表原理设计的，这种定时器虽然结构简单，成本低，维修也比较方便，但是它的触头频繁接触和断开，大大的缩短了它的使用寿命，也不利于进一步全自动化。在电子技术突飞猛进的今天，电子定时器也慢慢的多了，有采用模拟量的定时、有采用单片机定时的、有采用数字电

9、路定时的等等。1.2 设计背景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。计数器应用包括通话、短信、数据等类别的记录，并支持用户自主选择清零日期，以及按照类

10、别添加提醒数值，如用户可以选择每月任一一天，或者第一天、最后一天作为记录循环清零日，同时添加通话时长、短信条数、数据流量数量的提醒节点。计数器的应用极为广泛，不仅能用于计数，还可用于分频、定时，以及组成各种检测电路和控制电路。1、如果按照计数器中的触发器是否同时翻转分类，可将计数器分为同步计数器和异步计数器两种。2、如果按照计数过程中数字增减分类，又可将计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器，随时钟信号不断增加的为加法计数器，不断减少的为减法计数器，可增可减的叫做可逆计数器。1.3 设计目标本设计的设计目标是设计一个能够切换分/秒，计数/置数，且有相应指示灯显示的倒计时控制电路。1.4

11、技术路线为了实现本设计，本文将整个电路分为4大模块。信号产生模块，产生时钟脉冲，并根据需求产生分或秒信号；控制模块，控制倒计时电路的运行模式(计数/置数)，控制电路的计时步长(分/秒)；计数模块，完成对预置数的计算，实现倒计时功能；显示模块，将计数结果显示。1.5 实施计划本文首先对总体电路设计进行了粗略的阐述，并画出了实现本电路设计的流程框图，然后再总体框图的流程下，做出具体的电路，并根据需要实现的功能，对电路结构进行选取。接着利用仿真软件对设计电路进行仿真，分析结果，对错误的模块进行逐步检查，找出错误并调试至正确，确保设计的正确性。 二、电路设计方案2.1 总体电路设计方案通过查阅大量相关

12、技术资料，并结合自己的实际知识，本文主要提出了两种技术方案来实现系统功能。首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述本文最终选择方案的原因。2.2 方案比较方案一方案一原理框图如图图2. 方案一示意图方案一原理为：在产生脉冲信号执行本电路之前，预先设置好所需倒计时时间与倒计时时间步长刻度，执行电路中不能更改，在利用脉冲信号转换为相应的时间信号，送入计数电路进行计数，并将计数结果显示在显示器中。方案二方案二原理框图如下图 方案二示意图方案二的原理为：无论是在启动电路之前还是在启动电路之后，皆可执行置数以及时间步长的选择，并且巧妙的利用计数/置数模块实现了暂停

13、的功能，除此之外，方案二在计数基础上添加了复位电路，使得计数电路的灵活性更强，接通电源之后，信号源产生信号送入计数器中进行倒计时功能的实现，并将计数结果通过显示模块进行显示。2.3 方案论证两种方案在满足各自电路的执行情况均可以实现对预置数进行倒计时的功能。方案一中的电路能够简单的实现倒计时功能，但是存在着灵活性差，选择性差，且没有复位功能的缺点。方案二中的电路在实现倒计时功能的基础上，能够灵活的切换计数/置数功能，以及时间步长分/秒的切换，并提供复位电路，对电路的灵活性有了进一步的提高。2.4 方案选择因此，基于现代生活灵活度高，选择性好的 ，本文选取方案二为本次实验的设计电路。用三个可预置

14、数的同步十进制可逆计数器组成三位十进制减计数器，通过两个LED数码管显示器显示；设有预置/运行转换控制电路，控制计数器处于预置状态还是计数状态，且设有显示灯显示计数状态；设有分/秒转换控制电路，控制计数器计数步进，且设有显示灯显示计数步长。计数期间利用信号灯辅助显示计数过程，当计数完毕之后，显示管保持显示，且停止信号灯亮起。本次电路设计中本文没有利用电路产生信号源，而是利用理想信号源进行电路的设计。本次设计方案以三个同步十进制可逆计数器组成的减计数器为核心。秒信号由理想矩形信号源产生，频率设置为，峰峰值电压设置为；分频器由个四位二进制可预路单元模块设计 的同步加法计数器以及与非门构成；倒计时的

15、分/秒选择本电路选择利用一个双上升沿触发器进行切换；倒计时的预置/运行转换控制同样由一个双上升沿触发进行切换；三位减法计数器由三个同步十进制可逆计数器构成；显示电路由三个共阴极数码管构成；提示电路由开关，与非门，组成。电路工作前，将控制模块中的预置/运行转换控制开关转换为预置模式，预置模式指示灯点亮，并利用3个四位开关进行倒计时初始化。电路工作时，将控制模块中的状态转为计数状态；信号源产生矩形信号，经由转换为秒信号，秒信号再次经由一个由组成的60分频器产生分信号，信号的选择由控制模块的分/秒转换控制电路选择，并将相应的指示灯点亮；将选择后的信号送入计数模块，并由减计数器进行计算，开始倒计时，并

16、将结果实时的送入显示模块，由数码管显示出当前计数情况，并在计数变化时点亮指示灯来辅助显示。当计数结束时，减计数器使数码管保持显示，并将结束信号灯点亮。 三、单元模块电路设计3.1 信号发生模块1) 该模块主要实现分/秒信号的产生。2) 该模块的原理及其实现方式。本文实验电路要求产生稳定的分信号与秒信号作为计数的触发。为实现这一目的，本模块将信号发生器由理想矩形信号源、同步加法计数器以及与非门构成，可根据需要产生秒信号与分信号。3) 结构框图图 信号发生模块示意图4) Multisim仿真电路图及原理图 信号源理想信号源，产生稳定的矩形脉冲信号。图 分频器由组成的60分频器，将理想矩形信号转变为

17、秒信号和分信号，作为下一级的输入传递出去。图 信号发生模块仿真电路信号产生模块如上图所示。理想信号源产生一个稳定的矩形信号，经由集成芯片构成的60分频器，变成秒信号，并将信号传输给与非门，作为下一级电路的输入。而的使能端由的端控制，只有当产生进位时打开，此时理想矩形脉冲信号经由转变为分信号并传输给与非门，作为下一级电路的输入。3.2 控制模块1）该模块主要实现计数/置数状态的控制，计时步长分/秒的控制。2）该模块实现方式和原理本文实验电路要求能够在运行过程中灵活的切换运行状态(计数/置数)和时间步长(分/秒)。为实现这一目的，本模块利用两块双上升沿触发器分别对运行状态以及时间步长进行控制。3）

18、结构框图 图 控制模块示意图4) Multisim仿真电路图及原理图 步长转换电路时间步长转换电路，该电路控制计数步长(分/秒)，为转换开关，按下前计数步长默认为秒，按下后计数步长变为分。图 运行状态转换电路运行状态转换电路，该电路控制计时器的工作状态(计数/置数)，为转换开关，按下前运行状态默认为置数状态，按下后计数状态变为计数状态。图 控制模块仿真电路控制模块如上图所示。该模块电路主要实现运行状态和时间步长的转换，初始时，运行状态转换电路的的接地，直接置位端为高电平，复位端为高电平，计数状态默认为置数状态。时间步长转换电路的的接地，直接置位端为高电平，复位端为高电平，时间步长默认为秒计数。

19、按下J5开关之后运行状态转换电路的的变为高电平，产生上升沿信号，触发器运行，反转信号电平，发送信号给信号产生模块，使得分信号通过。按下开关之后运行状态转换电路的的变为高电平，产生上升沿信号，触发器运行，翻转信号电平，发送信号给计数模块，使其开始计数。3.3 计数模块1) 该模块主要实现预置数的设置、对预置数的倒计时及复位功能。2) 该模块的原理及其实现方式。本文实验电路要求实现设置与指数与倒计时功能。为实现这一目的，本模块利用三个同步十进制可逆计数器组成的减计数器，利用三个四位开关进行预置数的设置，利用电容电阻进行复位电路的设置。3) 结构框图图3.9 计数模块示意图4) Multisim仿真

20、电路图及原理图3.10 置数开关设置三个四位开关，在置数运行状态下能够对计数器进行置数操作。对计数电路的百位进行置数，对计数电路的十位进行置数，对计数电路的个位进行置数，可选择置数区间为。图3.11 减计数器利用三个同步十进制可逆计数器构成减计数器，对设置好的预置数进行减运算，运算速率受信号产生模块传输信号控制。图3.12 复位电路利用电源、电容、电阻以及开关构成复位电路，提升计数电路的灵活性。图3.13 计数模块仿真电路图计数模块如图14所示，电路工作时，当控制模块切换为置数状态时，此时计数器电路处于置数状态，利用3个四位开关对倒计时电路数值初始化。当为计数状态时，由信号发生模块传输过来的信

21、号作为时钟信号，减计数器正常工作，每一个脉冲信号会减一，从而实现了对预置数的倒计时定时功能。3.4 显示模块1) 该模块主要实现倒计时的显示与功能提示。2) 该模块的原理及其实现方式。本文实验电路要求实现译码管显示倒计时，显示运行状态。为实现这一目的，本模块使用3个共阴极译码管显示计数器的计数，利用多个LED灯显示当前电路的工作状态、计时步长、计数完毕提示和计时辅助提示。3) 结构框图图3.14 显示模块示意图4) Multisim仿真电路图及原理图3.15 工作状态提示灯工作状态提示灯由计数/置数控制电路控制，当电路处于置数状态时，预置提升灯将会亮起；当电路处于计数状态时，运行提示灯将会亮起

22、。图3.16 计时步长提示灯计时步长提升灯由分/秒控制电路控制，当电路处于分信号计数时，分提示灯将会亮起；当电路处于秒计数状态时，秒提示灯将会亮起。图3.17 辅助显示提示灯当电路处于正常倒计时工作状态时，每减少一，提示灯将会闪烁。图3.18 计数停止提示灯当电路预置数倒计时至时，该提升灯将会被点亮，提示计数已经完毕。3.5 特殊元器件介绍介绍是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能，图3.19 元件图表3.1 真值表输入输出0000111111111状态码加1当清零端，计数器输出立即为全“0”，这个时候为异步复位功能

23、。当且和时，在信号下降沿作用后，输出端的状态分别与并行数据输入端、的状态一样。而只有当、脉冲下降沿作用后，计数器加1。介绍这个集成块是一个双D触发器，其功能比较的多，可用作寄存器，移位寄存器，振荡器，单稳态，分频计数器等功能。 除此之外，像数字电路总的集成块的用途都是相当的多，可根据情况灵活的运用。图3.20 元件图表3.2 真值表输入输出00110011100禁止禁止当时，处于非工作状态；,处于清零状态；当时，沿信号上升沿触发，。介绍图3.21 元件图表3.3 真值表输入输出1000000011加计数011减计数是双时钟方式的十进制可逆计数器。1) 为加计数时钟输入端，为减计数时钟输入端;

24、2) 为预置输入控制端，异步预置;3) 为复位输入端，高电平有效，异步清除; 4) 为进位输出：1001状态后负脉冲输出;5) 为借位输出：0000状态后负脉冲输出。 四、电路设计4.1 软件介绍MultisimMultisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、

25、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为；借助高级电路分析，理解基本设计特征；通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间；可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上；所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。Altium Designer电

26、路设计自动化 EDA（Electronic Design Automation）指的就是将电路设计中各种工作交由计算机来协助完成。如电路原理图（Schematic）的绘制、印刷电路板（PCB）文件的制作、执行电路仿真（Simulation）等设计工作。随着电子科技的蓬勃发展，新型元器件层出不穷，电子线路变得越来越复杂，电路的设计工作已经无法单纯依靠手工来完成，电子线路计算机辅助设计已经成为必然趋势，越来越多的设计人员使用快捷、高效的CAD设计软件来进行辅助电路原理图、印制电路板图的设计，打印各种报表。Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在

27、内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。4.2 软件设计结构1) 基于Multisim的电路设计图4.1 软件设计流程图利用Multisim对电路进行设计，可对元件的具体参数进行更改，并选择元器件完成电路的设计，通过仿

28、真系统，可以观测到电路仿真结果，能够依据结果对参数设置及元件选择进行调整，最终完成对电路的调试，得到较好的结果。2) 基于Altium Designer的电路设计图4.2 软件设计流程图利用Altium Designer对电路进行设计，可对通过电路原理图生成相应的PCB图，通过对PCB元件的连线，即可得到实物PCB板。4.3 软件设计流程框图图4.3 软件设计流程框图 五、系统调试5.1 信号发生模块的调试1) 调试电路图5.1 信号发生模块调试2) 调试内容利用示波器观察理想信号源、分信号、秒信号的波形。3) 调试结果图5.2 信号源波形图扫面时间定为，秒信号60分频器的、 图 波形图 图

29、波形图扫面时间定为，分信号60分频器的、 图 波形图 图 波形图从以上仿真结果中可以看到，秒信号的扫面时间为，而分信号的扫面时间为，所产生的脉冲通过计算周期长度，可以得知分信号的周期更长，所以在单位时间内秒信号的变化更频繁，可证明本实验电路信号发生正常。5.2 控制模块的调试1) 调试电路图5.5 控制模块调试2) 调试内容利用示波器观察切换运行状态前后的端输出波形。3) 调试结果 图 秒信号波形图 图 分信号波形图 图 置数状态波形图 图 计数状态波形图从图中看出，当电路需求信号为秒信号时，计时步长控制电路输出为稳定高电平，从图当切换为分信号时，输出电平变为稳定低电平。从图中可以看出，当电路

30、处于置数状态时，工作状态切换电路输出为高电平，当切换为计数状态时，如图所示，电平变为低电平，且保持不变，可验证本实验电路控制模块工作正常。5.3 显示模块的调试1) 调试电路 图 显示模块(一) 图 显示模块(二)2) 调试内容利用电路本身进行仿真，观察相应状态下的指示灯及译码管显示是否正常。3) 调试结果图 初始状态图 切换分计数图 切换运行状态 图 计数停止指示灯 图 计数辅助显示灯图显示为本实验电路起始状态下的默认工作状态为置数状态，计数步长默认为妙，且相应的指示灯显示正常。图显示出，当控制模块中切换计数步长为分时，相应的指示灯点亮；图显示出，当控制模块中切换工作状态为计数状态时，相应的

31、指示灯点亮。图显示出，当计数完毕时，停止指示灯点亮。图显示出，当计数状态时，计数器每减一，辅助指示灯将会闪烁，可验证本实验电路显示模块工作正常。5.4 计数模块的调试1) 调试电路图5.11计数模块调试电路2) 调试内容利用显示模块中的译码器显示倒计时功能调试情况，包括计数正常与否，置数正常与否。3) 调试结果图5.12 预置数调试图 倒计时功能测试(秒)图 倒计时功能测试(分)从图5.12中可看出，当电路初始化后，利用3个四位开关进行置数功能正常。图与图显示本实验电路在分信号与秒信号的作用下计数功能正常，可验证本实验电路计数模块工作正常。 六、系统功能及指标参数6.1系统功能本系统针对现实生

32、活中各个场景的应用，主要实现了如下几个功能。(1)能够稳定的倒计时，偏差量足够小。(2)能够任意切换运行状态和计时步长，提高了系统的灵活度与应用度。(3)计时过程中，有足够的指示灯标明此时电路的工作情况，方便人员进行确认。(4) 计数完毕后产生脉冲点亮停止指示灯，存在扩展的功能。6.2系统指标参数测试对于本设计系统的参数测试，就是将我们的电路的各部分分开进行仿真。对此仿真可用到仿真软件Multisim。在对每个部分仿真达到正确结果后，然后将各个模块连接起来进行整体测试。图6.1 系统总体仿真图经过仿真证明本文的倒计时控制电路运行结果正常。6.3系统功能及指标参数分析表6.1 元件参数表序号编号

33、参数序号编号参数序号编号参数1C110uf13U174LS192D25U10B74LS74D2C210uf14U274LS192D26U1174LS161D3C310uf15U374LS192D27U1274LS161D4GND16U428U13A74LS08D5J117U529U13B74LS08D6J218U630U1474LS20D7J319U7A74LS11D31U1574LS32D8J420U7B74LS11D32V11 Hz 5 V9J521U874LS27D33VCC5V10R122U9A74LS04D34VCC5V11R223U9B74LS04D35VCC5V12R324U10A74LS74D36VCC5V 七、设计总结7.1 总结用Multisim仿真软件进