电子课程设计报告定时关断插座

电子课程设计报告定时关断插座摘要本次课设是通过设计一个定时开关，预置一个时刻，通过计数器倒计时方式进行计数。当定时未终止时，发出信号“1”，主电路接通，电器的工作；当定时终止后，发出信号“0”，主电路断开，电器的不工作。由555组成秒脉冲发生器[2]，由74192构成倒计时的计时器，由7448驱动数码管显示当前的时刻，由继电器操纵插座关断，同时由LM339构成的电压比较器实现电路爱护。设计电路由这几个功能模块组成，在那个设计思想的指导下，运用所学的数字电路的知识，并查阅相关的资料，逐步解决了实践中显现的各种问题，达到了设计要求，实现了功能。课程设计实践促进了对数字电路知识的明白得；了解了理论和实际相结合的道理，体会到理论与实际的联系与区别；锤炼了动手能力和独立摸索能力；促进了专业知识的学习。关键词：秒脉冲发生器、74LS192、74LS48、数码管、过压欠压目录前言······························································1第一章设计内容及要求··········································2第二章系统设计方案论证与选择2.1系统组成·····················································32.2设计方案····················································32.3方案论证与选择·············································6第三章单元电路设计3.1秒脉冲发生电路··············································73.2计数器······················································93.3译码显示电路···············································113.4过压和欠压爱护电路·········································143.5主电路·····················································19第四章实验、调试及调试现象与分析····························21结论······························································23参考文献·························································24附录一系统PROTEL原理图·······································25附录二系统PCB原理图···········································26附录三系统实物图···············································27前言现今市场上出售的国内外各种品牌的电饭煲、电炒锅、电磁炉等，其控器部分差不多上和煲体连在一起使用的，它虽体积小，方便好用[1]，却有一个致命的缺点，确实是易烧毁，同时由于设计上的不足，毫无修复的意义，成本高不算，功率大，电流强，更易烧毁，同时还有漏电等不安全因素。为实现节约能源和增加使用寿命的目的，通过定时关断插座的使用能够减少不必要的用电时刻，也能够幸免忘关电器电源从而杜绝安全隐患，同时实现了对电器通电时刻的科学治理，大幅提高各种电器的使用寿命。同样，工业生产中许多地点都需要对电器设备进行自动操纵，如此数字式定时关断插座便显得专门重要。

本定时关断插座设计以继电器和时刻定时操纵器串并在电器电路上，启动时刻操纵器、电磁线匝动作，吸动继电器中间断开的双向触点接通，便可实现在同样计时条件下长时刻向电器稳固输电。它具有专门高的有用价值，像现在的一些家电如全自动洗衣机、空调等都需要实现定时关断操纵如此的功能。还有一些设备假如在设计时加上数字定时技术便会更加提高设备的性能。它设计科学、合理、功能可靠，装有过压爱护电路；它可保证电路显现过压情形时，电路能够及时断开，安全可靠，使之更加自动化、智能化，更方便使用和操作。设计内容及要求1.1设计要求差不多要求用仿真软件设计并制作一数字定时关断插座，此插座采纳BCD拨盘预置插座通电时刻。预置时刻以后，按下另一个开关，电路通电。通电后，灯亮，同时计数器开始计数，计数时采纳倒计时的方式并通过七段数码管显示。，当时刻显示为0时，插座发出关断信号，插座处于开态，供电终止，灯灭。再按开关时，预置端复位，倒计时又开始。用protel画出电路原理图，并将其转换成PCB图。提高要求设计并制作过压欠压爱护电路并将其接入电路中构成一个整体。当电路显现过压或欠压时，要求计时停止同时保持停止时的状态以便正确信号输入时计时器能够从保持态开始计时，从而能够保证计时器记录正确的通电时刻。图1.1定时关断插座图1.1定时关断插座第二章系统设计方案论证与选择2.1系统的组成这一系统具体分为五大要紧部分：主电路、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路、过压欠压爱护电路。这五部分都在整个电路中起到不可缺少的作用，但又起到各自不同的功能，其中秒脉冲发生器又来产生脉冲，定时器实现定时功能，译码显示电路实现译码显示功能，过压欠压电路实现爱护功能，把他们互相之间配合起来组成整个系统，实现数字定时开关的功能。其系统功能组成图如图2.1所示。秒脉冲发生器秒脉冲发生器（产生秒脉冲）定时器(定时功能)译码显示（译码显示时刻）过压欠压电路（爱护功能）门电路主电路（继电器操纵插座关断）图2.1系统功能组成图2.2主电路及过压欠压爱护电路方案设计一、方案设计一由两个LM339及其电阻、电容、5V稳压源分别构成过压爱护和欠压爱护电路，将两个爱护电路74LS14的输出分别接到7411的1A、1B,74LS32的输出接到7411的1C，再通过74LS11输出并接到主电路中。其中，主电路有NPN型三极管、二极管、继电器、插座和电源组成[3]。同时将过压爱护电路的反相端和欠压爱护电路的同相端与主电路的电源正极相接。图2.1和图2.2分别为主电路原理图和过压欠压爱护电路原理图。继电器继电器电源插座与门三极管二极管图2.2.1方案一主电路组成反相端同相端反相端同相端采样电压参考电压5V稳压源地反相端同相端参考电压采样电压5V稳压源地与门输入与门输入图2.2.2方案一二、设计方案二有两个LM339、电阻、继电器和5V稳压源分别构成过压爱护电路和欠压爱护电路。爱护电路的输出通过继电器接入主电路中，其中主电路只由继电器、插座和电源构成，爱护电路中的继电器接中间触点接主电路中电源的负极，常闭触点接灯泡一端。图2.3和图2.4分别为主电路原理图和过压欠压爱护电路原理图(其他部分电路原理图与方案一相同)：7432输出继电器插座电源爱护电路中继电器常闭触点爱护电路中继电器常开触点图2.2.37432输出继电器插座电源爱护电路中继电器常闭触点爱护电路中继电器常开触点反相端反相端同相端采样电压参考电压5V稳压源地反相端同相端参考电压采样电压5V稳压源地继电器继电器图2.2.4方案二2.3方案选择比较方案一和方案二，方案二的主电路原理图较简单，但其在主电路和爱护电路中都用了继电器，同时没有用三极管与继电器连接，即使电压比较器输出低电平，仍旧会有数毫安的电流流过继电器，因此不能实现理想的电隔离；继电器导通后的功耗和发热量大，且电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。在实际运用中，过压爱护电路和欠压爱护电路难于同时接入电路。综合以上因素等，实验设计选择方案一。第三章单元电路设计本定时关断插座由秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路、过压和欠压爱护电路、一些门电路以及继电器和插座及电源组成的主电路所构成的。其工作原理是由555定时器构成的多谐振荡电路作为秒脉冲发生电路产生脉冲信号，将此脉冲信号输入计时电路，计时电路由74LS192构成，利用74LS192的减计数端进行倒计数，计数范畴是0—99，由于输入的脉冲信号的频率接近一秒，计数器是每秒减一计数，再通过74LS48译码器进行译码由共阴数码管显示。主电路可由一个三输入与门（74LS11）的输出信号操纵。7411的三个输入信号分别是译码输出信号、过压电路输出信号和欠压电路输出信号。当译码器的输出端全为低电平常，数码管上显示的是“0”，而八个低电平信号通过或门电路（74LS32）能够得到一个低电平来操纵主电路关断。那个低电平经非门输出高电平后能够与秒脉冲发生器的输出信号通过或门电路输出反馈到定时器的保持端，使得计数器停止计数，数码管的显示停留在“0”。当主电路显现过压或欠压情形时，爱护电路输出“0”信号，经与门输入到主电路，使得继电器失电，主电路断开，插座失电，从而达到爱护作用。同时，过压和欠压爱护电路的输出均接到非门电路输入端，与脉冲信号和译码输出信号经或门电路输出接入定时器的保持端，以保证当电路在计数未终止过程中的任意时刻显现过压或欠压情形时，计数能够停止同时数码管显示保持停止时的状态，而当电路重新输入正确信号时，计数器能够从保持态开始连续计时，从而保证数码管显示正确的通电时刻。整个电路用到一个按钮操纵计数器的异步并行置数端，使得再按按钮时，倒计时又开始。以下是具体单元电路设计。3.1秒脉冲发生电路3.1.1秒脉冲发生电路采纳555定时器组成的多谐振荡器振荡产生周期为1s的矩形脉冲[2]，从而为计数器提供触发信号。其中，可通过R1、R2、C来操纵充放电时刻。本实验采纳电阻R1、R2(10K、10K)和电容C（47uF）操纵周期为1s。其原理图及其仿真输出波形图如图3.1所示.图3.1秒脉冲发生器原理图及其仿真输出波形图3.1.21、理论数据：多谐振荡器的振荡周期T1运算公式为：T1=(R1+2R2)*ln2*C各参数的值：R1=10kR2=10kC=47μF将各参数的值代入上面的运算公式得：T1=0.986s2、实际测得数据：T1=1.00s3、误差运算与分析：误差=(1.00—0.986)/0.986=1.4%，由于ln2的存在，理论运算产生的结果不是精确值。3.2、计数器3.2.1本定时关断插座电路中计时器选用74LS192。3.2.1器件功能[4]74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图3.2.1图3.2（a）引脚排列

(b)逻辑符号图中：为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端，可由PL端和Q0、Q1、Q2、Q3完成数字定时功能。74LS192具体功能如表3.2.1所述。表3.2.174LS192功能表

输入

输出MRPLCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01×××××××0000

0

011

×dcbadcba

01

1××××

加计数

0

11××××

减计数3.2.3本定时关断插座利用74LS192的减计数功能，即5端（CPU引脚）接高电平，LD端经上拉电阻接Vcc，由PL端和开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6、SW7、SW8分别操纵的两个74192（U1、U2）的输入端（A、B、C、D）完成数字定时功能，在0~99间任意置数。其输出端(QA、QB、QC、QD)分别接入74LS48的输入端（A0、A1、A2、A3）。74LS192由秒脉冲发生器的输出信号触发。其原理图如图3.2.2所示，其中左边计数器操纵个位数，右边计数器操纵十位数，左边4端接秒脉冲发生器输出端图3.2.2计数器3.3译码显示电路3.3.1器件选择译码显示电路选用74LS48进行译码，选用共阴七段数码管进行显示。3.3.1器件功能一、七段发光二极管(LED)数码管LED数码管是目前最常用的数字显示器，图3.3.1(a)、(b)分别为共阴管和共阳管的电路[5]，(c)为两种不同出线形式的引出脚功能图[5]共阴管阴极全部接“1”电平驱动，阳极接译码管输出；共阳管阳极全部接“0”电平驱动，阴极接译码管输出。一个LED数码管可用来显示一位0～9十进制数和一个小数点。小型数码管（0.5寸和0.36寸）每段发光二极管的正向压降，随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略有差别，通常约为2～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5～10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。(a)共阴连接（“1”电平驱动）(b)共阳连接（“0（c）两种不同出线形式的引出脚功能图图3.3 二、BCD码七段译码驱动器管。74LS48引脚排列如图3.3.2[6]：图3.3.274LS48的引脚图其中：BCD码输入端；码输出端，输出“1”有效，用来驱动共阴极LEDLT’测试输入端，’＝“0”时，译码输出全为“1BI 消隐输入端，＝“0”时，译码输出全为“0RBI’锁定端，输入“1”时译码器处于锁定（保持）状态，译码输出保持在前一输入为“0”时的数值，输入“0表3.3.174LS48功能表输入输出RBI’DCBAOA0BOCODOEOFOG显示字形××0××××1111111×01××××0000000消隐0110000111111001100010110000011001011011010110011111100101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111××××锁存锁存表3.3.1为74LS48功能表[6]。74LS48内接有上拉电阻，故只需在输出端与数码管笔段之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为3.3.3、差不多74LS48的输出端与数码管的管脚顺序相接，输入端与74LS192输出端相接。数码管1和6引脚接地。当数码管管脚输入“1”时对应的段亮，输入“0”时对应的段不亮，实现译码功能。图4.3.3(a)、（b）分别为定时关断插座电路数码显示（a）数码显示模块原理图（b）译码模块原理图图3.3.3译码显示模块3.4过压和欠压爱护电路3.4.1本定时关断插座过压和欠压爱护电路模块均采纳电压比较器构成。电压比较器采纳LM339。3.4.2器件功能一、LM339引脚LM339芯片内部装有四个独立的电压比较器，是专门常见的集成电路。利用LM339能够方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。图3.4.1为LM

3.4.1LM339引脚图二、LM339电压比较器的特点和一些参数：

1）电压失调小，一样是2mV；

2）共榜样畴专门大，为0v到电源电压减1.5v；

3）他对比较信号源的内阻限制专门宽；

4）LM339vcc电压范畴宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；

5）输出端电位可灵活方便地选用。

6）差动输入电压范畴专门大，甚至能等于vcc；3.4.3、过压爱护电路差不多原理一、定时关断插座过压爱护电路差不多原理[3]LM339反相端通过电阻接到插座正端，即接采样电压。当采样电压高于同相端参考电压时，电压比较器输出为低电平，主电路断开，计数停止且保持；当采样电压低于同相端参考电压时，电压比较器输出为高电平，电路正常运行。其原理图如图3.4.3所示，其中，C1、C2并联在输出端，幸免电压过大时产生的干扰阻碍电路图3.4.3过压爱护模块二、参数选择和相关数据1、理论运算：（1）同相端电压V+:V+=[U1/(R3+R4)]*R4各参数的值：R3=1K,R4=4.1K,U1=5V经运算：V+=[5/(1+4.1)]*4.1=4.0196V(2)反相端电压（基准电压）V-：V-=[U2/(R5+R6)]*R6各参数的值：R5=2K,R6=1K,U2=13V经运算：V-=[13/(2+1)]*1=4.33V（3）输出电压V0：由示波器可知：V0=0.80V2、实际测量值：V+=3.99V，V-=4.06V，V0=0.06V3、结果分析：当V-大于V+时，电压比较器输出为低电平，现在电路处于过压状态。将此信号输入主电路，主电路断开。同时，将此信号通过相关门电路与秒脉冲发生器作用，可操纵定时停止。理论值大于实际值。4、误差运算与分析：（1）运算V+误差=（4.0196-3.99）/4.0196=0.74%；V-误差=（4.33-4.06）/4.33=6.2%。（2）分析实际测量过程中，一些客观因素和主观因素都会造成误差。如仪器的精确度和准确度，周围环境（如温度、空气湿度等）以及测量时人的心理因素等造成误差。3.4.4一、定时关断插座欠压爱护电路差不多原理[3]LM339同相端通过电阻接到插座正端，即接采样电压。当采样电压低于同相端参考电压时，电压比较器输出为低电平，主电路断开，计数停止且保持；当采样电压高于同相端参考电压时，电压比较器输出为高电平，电路正常运行。其原理图如图3.4.4图3.4.4欠压爱护模块二、参数选择和相关数据1、理论运算：（1）同相端电压V+:V+=[U1/(R8+R9)]*R9各参数的值：R8=1K,R9=1K,U1=2V经运算：V+=[4/(1+1)]*1=2V(2)反相端电压（基准电压）V-：V-=[U2/(R10+R11)]*R11各参数的值：R10=4.2K,R11=3.3K,U2=5V经运算：V-=[5/(4.2+3.3)]*3.3=2.1997V（3）输出电压V0：由示波器可知：V0=0.80V2、实际测量值：V+=1.93V，V-=2.23V，V0=0.07V3、结果分析：当V-大于V+时，电压比较器输出为低电平，现在电路处于欠压状态。将此信号输入主电路，主电路断开。同时，将此信号通过相关门电路与秒脉冲发生器作用，可操纵定时停止。4、误差运算与分析：（1）运算V+误差=（1.93-2.00）/2.00=3.5%；V-误差=（2.23-2.1997）/2.1997=1.4%。（2）分析实际测量过程中，一些客观因素和主观因素都会造成误差。如仪器的精确度和准确度，周围环境（如温度、空气湿度等）以及测量时人的心理因素等造成误差。3.5主电路3.5.1主电路要紧由NPN型三极管、二极管、继电器、插座、电源和电阻成。其电路中是否通电由74LS11输出信号决定。3.5.2一、基极下拉电阻R1实现功能1、防止三极管受噪声信号的阻碍而产生误动作，使晶体管截止更可靠下。然而电阻不能过小，过小则会有较大的电流由电阻流入地。

2、当三极管开关作用时,ON和OFF时刻越短越好,为了防止在OFF时,因晶体管中的残留电荷引起的时刻滞后,在B,E之间加一个R起到放电作用。

3、三极管基级加电阻要紧是为了设置一个偏置电压，如此就可不能显现信号的失真。而且同时依旧为了防止输入电流过大，加个电阻能够分一部分电流，如此就可不能让大电流直截了当流入三极管而损坏。二、三极管实现功能那个地点三极管相当于开关，当三极管基极输入“0”信号时，三极管不导通，相当于开关断开，继电器两端电压差为0V，继电器触点断开，插座失电，发光二极管不亮；当三极管基极输入“1”信号时，三极管导通，相当于开关闭合，继电器两端电压差为5V，继电器触点依旧闭合，发光二极管保持亮；三、二极管实现的功能继电器具有储能作用，当插座失电时，继电器可通过二极管开释能量，形成回路。3.5.3当74LS11输出“1”信号时，三极管导通，继电器两端有电压差，触点动作，主电路通电，电路正常工作；当74LS11输出“0”信号时，三极管截止，继电器失电，触点动作，主电路断电，发光二极管不亮。其原理图如图3.5所示，其中74LS11的1A、1B引脚分别接过压、欠压爱护电路的输出，1C接74LS48的输入通过或门后的输出。图3.5主电路模块原理图实验、调试及调试现象与分析在开始实验设计前，依照实验要求，分析实验所涉及的相关知识点，查阅周围的资料，并依照自己往常所学的理论知识，在纸上设计出实验电路模型，然后依照电路模型进行仿真。在仿真时，将定时译码显示与过压欠压分开进行，两部份均达到了理论上设想的结果，但当将两部份连接到一起时，仿真显示有错，不能运行。经反复检查验证，发觉理论和电路原理图均无错，猜想产生错误的缘故在仿真软件本身。因此，开始连接实物图，决定在实际操作中验证猜想。在开始实际操作时，依照实验电路，分模块进行连接和调试。第一步，测试脉冲发生器。在初次测试脉冲发生器输出是否是周期为1s的脉冲时，示波器显示的波形不是脉冲而是无法识别的波形。因此，猜想是电路连接接触不良的缘故，并将电路各接触点重新检查一遍，确认无误后，再次测试，输出波形仍不能识别。又将电路与电源断开，测试是否是电源输入信号不正确，最终，发觉确实是仪器问题，同时换了仪重视新接入电路测试，现在示波器显示波形为周期为1s的脉冲。确定脉冲发生器模块正确。第二步，测试译码显示部分。确认脉冲发生器无误后，开始接连定时译码显示部分并将脉冲发生器接入电路并进行测试。测试时，发觉数码管显示的是乱码。经分析，猜想是电路连接有错，因此开始检查线路连接，检查中运用万用表测试两点间连接是否有误或是漏接。最终，检查出线路连接有错，且有芯片的电源引脚和接地引脚漏接，改正后重新测试，译码显示与理论完全一致，同时可实现定时功能。第三步，测试主电路无过压或欠压情形显现时定时终止后能否断开。第一，将主电路连入电路中。经测试，电路在正常运行时，二极管不亮，且定时终止后，听不到继电器动作的声音。因此，再次检查。分析可知，定时译码显示模块无错，主电路和门电路必有错。分别检测主电路和门电路，测试后，发觉主电路无错。最终，检测出，门电路中的一个芯片引脚坏了。换上芯片后，重新调试电路，发觉电路在正常运行时二极管亮，但定时终止后仍不到继电器动作的声音即二极管不灭。反复测试后，现象仍如上。最终，通过查阅资料得知，主电路中，接近5V的电压经三极管后不能放大从而无法驱动12V的继电器。换用5V的继电器后，电路在正常运行时，二极管亮，且定时终止后，听到继电器动作的声音，二极管灭，达到理论结果。第四步，测试测试主电路有过压或欠压情形显现时能否断开。第一，将过压电路和欠压电路接入电路中，对主电路电压采样，当采样电压高于参考电压时，二极管灭；同样，当采样电压高于参考电压时，二极管灭。同时，验证了仿真是的猜想。第五步，实际电路的改进。在完成第四步的测试时，整个电路差不多达到差不多要求，然而，在测试第四步时，显现了二极管灭但计数器仍在计数的现象。因此，对电路进行改进，使电路最终实现二极管灭但计数器不再计数同时数码管显示保持在二极管灭时的状态的功能。经分析，画原理图，仿真，最终确定了方案。将过压爱护电路和欠压爱护电路的输出通过非门输出与脉冲信号及译码显示输出经或非门后的输出信号三者再经或门输出到计数器减数端。完成实物图连接后，经测试，欠压时，二极管灭且计数器不再计数同时数码管显示保持在二极管灭时的状态，然而，过压时，显现“清零”现象。因此，反复调试过压情形，用示波器测试脉冲发生器在各时刻的输出波形。当采样电压与参考电压接近相等时，