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河海大学计算机及信息工程学院（常州）课程设计报告题目定时关断插座专业、学号授课班号学生姓名指导教师完成时间摘要本次课设是通过设计一个定时开关，预置一个时间，通过计数器倒计时方式进行计数。当定时未结束时，发出信号“1”，主电路接通，电器的工作；当定时结束后，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间，由继电器控制插座关断，并且由LM339构成的电压比较器实现电路保护。设计电路由这几个功能模块组成，在这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，逐渐解决了实践中出现的各种问题，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理解；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；锻炼了动手能力和独立思考能力；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过压和欠压保护电路·········································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···············································27-1-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，其控器部分都是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，就是易烧毁，并且由于设计上的不足，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。为实现节省能源和增加使用寿命的目的，通过定时关断插座的使用可以减少不必要的用电时间，也可以避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间的科学管理，大幅提高各种电器的使用寿命。同样，工业生产中许多地方都需要对电器设备进行自动控制，这样数字式定时关断插座便显得特别重要。本定时关断插座设计以继电器和时间定时控制器串并在电器电路上，启动时间控制器、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间向电器稳定输电。它具有很高的实用价值，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控制这样的功能。还有一些设备如果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，装有过压保护电路；它可保证电路出现过压情况时，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。-2-第一章设计内容及要求1.1设计要求一、基本要求用仿真软件设计并制作一数字定时关断插座，此插座采用BCD拨盘预置插座通电时间。预置时间以后，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，计数时采用倒计时的方式并通过七段数码管显示。，当时间显示为0时，插座发出关断信号，插座处于开态，供电结束，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。二、提高要求设计并制作过压欠压保护电路并将其接入电路中构成一个整体。当电路出现过压或欠压时，要求计时停止并且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，从而可以保证计时器记录正确的通电时间。-3-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主要部分：主电路、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路、过压欠压保护电路。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，过压欠压电路实现保护功能，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。图2.1系统功能组成图2.2主电路及过压欠压保护电路方案设计一、方案设计一秒脉冲发生器（产生秒脉冲）定时器(定时功能)译码显示（译码显示时间）过压欠压电路（保护功能）门电路主电路（继电器控制插座关断）-4-由两个LM339及其电阻、电容、5V稳压源分别构成过压保护和欠压保护电路，将两个保护电路74LS14的输出分别接到7411的1A、1B,74LS32的输出接到7411的1C，再经过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]。同时将过压保护电路的反相端和欠压保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保护电路原理图。图2.2.1方案一主电路组成图图2.2.2方案一过压保护电路（左）和欠压保护电路（右）组成图继电器电源插座与门三极管二极管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-5-二、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保护电路和欠压保护电路。保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，保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保护电路原理图(其他部分电路原理图与方案一相同)：图2.2.3方案二主电路原理图图2.2.4方案二过压保护电路（左）和欠压保护电路（右）组成图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保护电路中继电器常闭触点保护电路中继电器常开触点继电器电源插座7432输出-6-2.3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，但其在主电路和保护电路中都用了继电器，并且没有用三极管与继电器连接，即使电压比较器输出低电平，仍然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，过压保护电路和欠压保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。-7-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、过压和欠压保护电路、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，计数范围是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）的输出信号控制。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时，数码管上显示的是“0”，而八个低电平信号经过或门电路（74LS32）可以得到一个低电平来控制主电路关断。这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经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”。当主电路出现过压或欠压情况时，保护电路输出“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，从而达到保护作用。同时，过压和欠压保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结束过程中的任意时刻出现过压或欠压情况时，计数可以停止并且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，计数器可以从保持态开始继续计时，从而保证数码管显示正确的通电时间。整个电路用到一个按钮控制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基本原理秒脉冲发生电路采用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来控制充放电时间。本实验采用电阻R1、R2(10K、10K)和电容C（47uF）控制周期为1s。其原理图及其仿真输出波形图如图3.1所示.-8-图3.1秒脉冲发生器原理图及其仿真输出波形图3.1.2有关参数及计算1、理论数据：多谐振荡器的振荡周期T1计算公式为：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计算公式得：T1=0.986s2、实际测得数据：T1=1.00s-9-3、误差计算与分析：误差=(1.00—0.986)/0.986=1.4%，由于ln2的存在，理论计算产生的结果不是精确值。3.2、计数器3.2.1器件选择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所示：图3.2.174LS192的引脚排列及逻辑符号（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-10-输入输出MRPLCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01×××××××000000×dcbadcba011××××加计数011××××减计数3.2.3基本原理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分别控制的两个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