可編程定時器設(shè)計

張玉娟，周曄

（無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 江蘇 214153）

0 引言

可編程定時器應(yīng)用廣泛，例如電動車電池、手機電池、飲水機、空調(diào)、熱水器、家用防盜報警器等等。關(guān)于可編程定時器的研究有很多，例如：凌澤明設(shè)計了基于GD4541B的時間定時器[1]，閆永志介紹了一種用VHDL 語言設(shè)計的可編程定時器[2]，阮長清提出了基于8253芯片的可編程定時器設(shè)計[3]，黃仕林設(shè)計了基于FPGA的PLC動態(tài)并行執(zhí)行定時器[4]，張曉劍等進(jìn)行了8254定時器的計數(shù)系統(tǒng)改進(jìn)研究[5]，夏志祥、張允峰等研究了基于Multisim 的555定時器設(shè)計[6-7]，陳華林等研究了應(yīng)用電子技術(shù)中可編程控制器的應(yīng)用[8]。本文設(shè)計了基于數(shù)字電路的可編程定時器，它結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)定時、計時、報警等功能。

1 設(shè)計方案

本設(shè)計由時基振蕩電路、加/減法計數(shù)器、譯碼顯示電路、報警電路以及電源電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 原理介紹

圖2為定時器的總體原理圖。它能實現(xiàn)定時、計時、報警等功能，可以通過按鍵選擇，進(jìn)行累加計時或倒計時。變壓器T和整流橋堆IC1、IC2組成電源模塊，為整個電路提供+6V的電壓。IC5C和IC5D組成時基振蕩電路，振蕩電路中的C2、C3和RP1決定其振蕩頻率，其中C7和C6的電容都為47μF、RP1的阻值為500kΩ。通過改變RP1的阻值可以改變振蕩頻率。以IC4 4029芯片為核心的加/減計數(shù)器電路中，開關(guān)S1可以預(yù)先設(shè)置數(shù)碼，當(dāng)改變開關(guān)位置的時候，就會產(chǎn)生不同的二進(jìn)制數(shù)。該電路中有SA1和SA2兩個開關(guān)。其中，SA1開關(guān)執(zhí)行計數(shù)或者置數(shù)的選擇功能。它是個常開開關(guān)且不自鎖，當(dāng)它閉合時，CD4029芯片的1引腳輸出為高電平，并實現(xiàn)置數(shù)的功能。SA2開關(guān)執(zhí)行二進(jìn)制/BCD碼選擇的功能。當(dāng)自鎖開關(guān)SA2處于常開狀態(tài)的時候，CD4029芯片的10引腳接低電平，能實現(xiàn)遞減計數(shù)的功能；當(dāng)自鎖開關(guān)SA2處于閉合的狀態(tài)時，CD4029芯片的10引腳接高電平，能實現(xiàn)遞加計數(shù)功能。IC3 4543芯片負(fù)責(zé)譯碼顯示驅(qū)動，數(shù)碼管DS1顯示數(shù)字。IC5A、IC5B組成報警振蕩電路，計時結(jié)束后就會報警。C5和R2控制其頻率，其中，C5電容為200pF，電阻R2阻值為240kΩ。

圖2 總體原理圖

2.1 時基振蕩電路

時基振蕩電路由CD4011芯片的兩個與非門、兩個電解電容、一個可變電阻RP1和一個固定電阻R12（阻值為1M）組成。電容C6、C7和可變電阻RP1決定了輸出信號的振蕩頻率。該振蕩頻率會隨著RP1的阻值變化而變化。CD4011是一個由四個與非門組成四2輸入與非門集成芯片，采用N和P道溝增強型MOS晶體管提供對稱電路，具有很強的抗干擾能力。

2.2 加/減法計數(shù)器電路

加/減法計數(shù)器電路由CD4029芯片、撥碼開關(guān)、按鍵以及電阻等組成。其中，CD4029是一個可以預(yù)先設(shè)置二進(jìn)制數(shù)/BCD碼、加/減計數(shù)的計數(shù)器，當(dāng)U/D端為低電平時，遞減計數(shù)；當(dāng)U/D端為高電平時，累加計數(shù)。當(dāng)CD4029芯片的PE端為高電平時，可以置數(shù)。其工作電壓范圍為3-15V。電路中有3個開關(guān)按鍵。SA1按鍵是個常開且不自鎖開關(guān)。當(dāng)它閉合時，CD4029芯片的1引腳輸出為高電平，并實現(xiàn)置數(shù)的功能。當(dāng)自鎖開關(guān)SA2處于常開狀態(tài)時，CD4029芯片的10引腳接低電平，執(zhí)行遞減計數(shù)功能；當(dāng)自鎖開關(guān)SA2處于閉合狀態(tài)時，CD4029芯片的10引腳接高電平，實現(xiàn)累加計數(shù)功能。撥碼開關(guān)的1-4引腳分別與CD4029芯片的4引腳、12引腳、13引腳和3引腳相連，撥碼開關(guān)的另一端和按鍵SA1、SA2的另一端短接并與電源相連。在撥碼開關(guān)和CD4029芯片之間接上4個電阻（阻值都為5.1kΩ），四個電阻的另一端短接并與CD4029芯片的8引腳相連并接地。

2.3 譯碼顯示電路

譯碼顯示電路主要由CD4543和數(shù)碼管組成。CD4543是一個具有消隱和測試功能的BCD—七段鎖存/譯碼/液晶驅(qū)動器，其輸出的電信號可以直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)字。CD4543不僅可以驅(qū)動LED顯示器，也可以驅(qū)動液晶顯示器，還可以進(jìn)行“共陽”“共陰”數(shù)碼管驅(qū)動選擇。當(dāng)PH=0時，可以驅(qū)動共陰極數(shù)碼管；當(dāng)PH=1時，可以驅(qū)動共陽極數(shù)碼管；當(dāng)PH輸入方波時，可以驅(qū)動液晶顯示器。在本設(shè)計中，數(shù)碼管的引腳分別與芯片CD4543的a-f引腳對應(yīng)相連。顯示部分由七段共陽極數(shù)碼管實現(xiàn)。

2.4 報警電路

報警電路主要由芯片CD4011的兩個與非門、3個電阻、一個電容、一個9013三極管以及一個蜂鳴器組成。該電路的頻率由電容C5（電容為200pF）和電阻R2（阻值為240kΩ）決定。當(dāng)電路接收到一個振蕩信號時，經(jīng)過一系列處理，輸入三極管VT1，使三極管導(dǎo)通，蜂鳴器就會按一定頻率報警。

2.5 電源電路

電源電路主要由變壓器T、整流橋堆IC1、IC2組成。它能為整個定時器提供一個穩(wěn)定的直流電壓（輸出電壓值為+6V）。

3 實物制作

按照電路原理圖在萬能板上焊接元器件、布線并調(diào)試。接通電源，電源電路的輸出電壓應(yīng)在+5.5V～+6.5V之間。改變RP1的阻值，使時基振蕩電路輸出的頻率信號為1/6Hz（周期為6秒）。當(dāng)撥碼開關(guān)S1撥至0101時，按一下按鍵SA1，數(shù)碼管顯示數(shù)字“5”，同時進(jìn)行加/減計數(shù)（SA2閉合/SA2斷開），若再按一下SA2，進(jìn)行減/加計數(shù)，累加計數(shù)計至9時，報警電路就會報警，當(dāng)遞減計數(shù)計至0時，也會報警。圖3分別為計數(shù)為0和6時的實物照片。

圖3 實物照片

4 結(jié)語

本文設(shè)計了基于數(shù)字電路的可編程定時器。本定時器主要由時基振蕩電路、加/減法計數(shù)器、譯碼電路、數(shù)碼顯示電路、報警電路以及電源電路組成。該電路能實現(xiàn)定時、計時、報警等功能。通過按鍵選擇，可以進(jìn)行加/減法，可以累加計時或倒計時。顯示部分通過共陽極七段數(shù)碼管顯示，計時結(jié)束后能夠報警。