电热水器预热加热毕业设计.doc

1、电热水器的预约加热电路沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 电热水器预热加热 系 别 自动控制工程系 班级 学生姓名 学号 指导教师 张玉梅、秦宏 职称 讲师/副教授 起止日期：2012 年 8 月 27日起至 2012年 8月 31 日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 电热水器预热加热 系 别 自动控制工程系 班级 学生姓名 学号 指导教师 张玉梅、秦宏 职称 讲师/副教授 课程设计进行地点： F102 任 务 下 达 时 间：2012 年 8 月 25 日 起止日期：2012 年 8 月27日起至 8 月 31 日止 教研室主任 曲延华 2012 年 8 月 26 日批

2、准电热水器预约加热电路1 设计主要内容及要求1.1 设计目的：（1）掌握预约加热的构成、原理与设计方法；（2）熟悉集成电路的使用方法。1.2 基本要求（1）设计秒脉冲产生信号；（2）显示时、分、秒，以24小时制显示（3）可人为设置预约时间；（4）加热时间设定为40分钟，而后停机。1.3 发挥部分（1）多组预约时间；（2）加热时间可调整（3）其他。2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向：（2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图；（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课

3、程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，包括报告中的所有电路图。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（逻辑电路图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12012.8.27讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始模块图打分22012.8.28讲解如何绘制逻辑原理图并检查及修正模块图打分32012.8.29讲解计算机仿真软件的应用及如何对电路进行仿真打分42012.8.30讲解设计报告的书写及继续修正逻辑

4、原理图,布置答辩打分52012.8.31检查报告完成情况、答辩打分2012-8-26沈 阳 工 程 学 院数字电子课程设计成绩评定表系（部）： 自控系 班级： 测控本101 学生姓名： 康雨惠 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图

5、表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中 文 摘 要 在科技迅速发展的今天，晶体管技术和半

6、导体集成电路技术飞速发展，电子技术已成为当今科学技术领域中最活跃的学科之一。 本次课程设计的题目是电热水器预热加热电路，它的功能主要是时钟显示和预约加热。主要是通过电路比较器之间的比较来实现电热水器的预约加热的。主要元器件之一是555振荡器，他的功能是产生秒脉冲信号，他产生的是 1MHZ 的秒脉冲信号，我们需要的是1HZ 的秒脉冲信号，这就需要我们将1MHZ 的秒脉冲信号转换成1HZ 的秒脉冲信号，我们用了 6 个十进制计数器把 1MHZ 秒脉冲信号转换成 1HZ 的秒脉冲信号，之后就可以输入到时钟电路和定时电路了。时钟电路是由计数器和译码显示器组成，计数器通过不同的组合接线连接成六十进制计数

7、器和二十进制计数器，由此构成时钟的小时和分秒钟。输入的秒信号脉冲为 1HZ，有利于提高时钟的准确性和稳定性，确保时钟的正常工作。定时电路显示原理和时钟的一样，可以直接设置时间，这样从时钟电路中输出一个脉冲信号，从定时电路中输出一个脉冲信号，这两个信号分别进入一个比较器，然后经过比较确定输出信号，当两个脉冲信号电位相同时，经过与门电路系统作用后，输出的是高电位，电路开始加热，当两个脉冲信号电位不同时，经过与门电路系统作用后，输出的是低电位，电路停止加热或不加热。且设置的时间为四十分钟，这就实现了电热水器预约加热的目的，更加方便我们的生活。 关键词 脉冲，计数器，译码显示器，寄存器，比较器 目 录

8、课程设计任务书II数字电子课程设计成绩评定表IV中 文 摘 要V1 设计任务描述11.1 设计题目：电热水器的预约加热电路11.2 设计要求11.2.1 设计目的11.2.2 基本要求11.2.3 发挥部分12 设计思路23 设计方框图34 各部分电路设计及参数计算44.1秒脉冲产生信号电路设计及参数计算44.1.1秒脉冲产生信号设计44.1.2秒脉冲信号的参数计算44.2时钟的计数译码显示及参数计算54.2.1时钟译码显示电路的设计54.2.2时钟译码显示电路的参数计算64.3定时部分的设计及参数计算64.3.1定时部分的电路设计74.4控制电路部分的设计及参数计算74.4.1控制电路部分的

9、设计74.5比较电路部分的设计和参数计算84.5.1比较电路部分的设计85 工作过程分析96 元器件清单107 主要元器件介绍117.1 555定时器117.1.1功能介绍117.2计数器74LS160N137.2.1引脚图137.2.2功能表137.2.3功能介绍147.3比较器74HC85157.3.1引脚图157.3.2功能表157.3.3介绍157.4数码显示器167.4.1引脚图167.4.2介绍16小 结17致 谢18参考文献19附 录20A1 逻辑电路图20- 17 -1 设计任务描述1.1 设计题目：电热水器的预约加热电路1.2 设计要求 每个选题最多只允许8人进行设计，每题的

10、n个设计必须保证不雷同包括设计和报告；否则，轻微雷同的影响成绩，严重的不及格。尽量能够进行仿真验证运行，仿真工具可自选MultiSim/ModelSim/QuartusII/ISE/Protous中之一。1.2.1 设计目的(1) 掌握预约加热的构成、原理与设计方法；(2) 熟悉集成电路的使用方法。1.2.2 基本要求(1)设计秒脉冲产生信号；(2)显示时、分、秒，以24小时制显示；(3)可人为设置预约时间；(4)加热时间设定为40分钟，而后停机。 1.2.3 发挥部分 2 设计思路 此次设计的题目是电热水器预约加热电路，它由石英晶体振荡器，分频器，计数器，寄存器，比较器，显示器等组成。工作原

11、理： 1.秒脉冲信号产生电路：由555定时器产生频率为1kHZ的信号，经3个10分频 电路，此时信号频率为1HZ。 2.时钟显示电路：脉冲信号进入6个计数器，分别是十进制和六进制组成六十进制；十进制和六进制组成六十进制；四进制和六进制组成二十四进制，分别接连七段显示器，与石英晶体振荡器组成了数字时钟。 3. 时间预置电路：由二十四进制计数器和显示器组成，显示在译码器上。 4.比较电路：预约的时间与时钟显示的时间相同时，控制电路加热四十分钟，灯泡发亮。 3 设计方框图分频器555定时器时钟计数器译码显示器预置计数器译码显示器 比较器控制加热电路4 各部分电路设计及参数计算 4.1秒脉冲产生信号电

12、路设计及参数计算 图4.1秒脉冲产生信号4.1.1秒脉冲产生信号设计本电路选择的为555定时器，对于时钟的秒脉冲信号，要求产生的频率的脉冲波形稳定性高，这样才可以使时钟准确无误，所以我选择石英晶体振荡器。石英晶体振荡器产生频率为1kHZ的信号，经过3个十分频的电路，使信号频率变为1HZ，即为秒脉冲信号。4.1.2秒脉冲信号的参数计算555定时器输出脉冲信号参数的计算。输出高电平的持续时间是电容从上升到 所需的时间，它与充电回路的时间常数 相关，近似计算公式为： 输出低电平的持续时间是电容电压从下降到所需的时间，它与放电回路的时间常数相关，近似计算公式为：矩阵波振荡周期的近似计算公式为：=+=矩

13、阵波振荡频率的近似计算公式为：= 将各个变量的值代入上式可得=1KHz，得到1KHz再用分频电路，只用三片10进制计数器，每片计数器可将脉冲信号的大小缩小10倍，最后得到1Hz的脉冲信号，供CP应用。实现秒的计时功能。4.2时钟的计数译码显示及参数计算 图4.2时钟译码显示电路 4.2.1时钟译码显示电路的设计 时间计数器电路由秒个位、秒十位、分个位、十分位十个位和时十位计数器电路组成。其中秒个位和秒十位计数器，分个位和分十位计数器为60进制计数器，十个位和时十位为24进制计数器。计数器直接与译码显示器相连，以显示时间。此部分电路采用了6个74LS160和六个七段数码显示管实现，译码的部分运用

14、反馈清零法实现。 4.2.2时钟译码显示电路的参数计算 根据74LS160N计数器的特点，QD、QC、QB、QA分别为0、1、1、0时，为六进制，应为74LS160N计数器为十进制器，所以这两个计数器相接时，就构成了六十进制计数器，为了使到60变00(由于60变得快，看不见)，将为1的用与非门连接，另一端接CLR（置零端），当数字为60变为0；QD、QC、QB、QA分别为0、1、0、0，为四进制，QD、QC、QB、QA分别为0、0、1、0二进制，所以这两个计数器相连接，就构成了二十四进制，为了使到24变00(由于24变得快，看不见)将为1的接与非门，CLR再与与非门相接，到24就可以变为0。4

15、.3定时部分的设计及参数计算图4.3定时部分的电路4.3.1定时部分的电路设计 本电路的可以设置定时小时时间，再通过显示器显示。达到了预约的目的。4.4控制电路部分的设计及参数计算图4.4控制电路4.4.1控制电路部分的设计 时钟时间与预约时间通过比较器比较，当时间相同时，比较器输出高电平时，灯泡发光，同时控制电路开始加热。加热电路由四个74LS160组成，如上图所示。计时时间为四十分钟，加热时间为四十分钟。4.5比较电路部分的设计和参数计算 图4.5比较部分电路4.5.1比较电路部分的设计比较电路是由两个比较器组成，对日常时钟与预置时间进行比较，相等时输出为高电平“1”，把四个输出结果经过与

16、门，再与单稳态电路输出脉冲信号相与。输出结果为高电平“1”时，热水器开始加热；输出结果为低电平“0”时，热水器停止加热，并且加热时间为40分钟。 5 工作过程分析 本电路为电热水器预约加热电路，能够实现24小时计时系统，分和秒的周期为60，满59向前一位进一，整体的显示刻度为23时59分59秒。本电路可以预置热水器使用时间的功能，并且可设定加热时间为40分钟。 本系统的设计电路由秒脉冲产生电路、时钟电路、定时电路、加法电路、比较电路组成。石英晶体振荡电路产生1MZ的信号，然后经过6个74LS160N进行分频产生了1HZ的秒脉冲信号。然后秒脉冲信号连入时钟电路，秒脉冲器计满60个CP后，其60进

17、位输出作为分计数器的时钟，向分计数器进位，使分计数器计数计数；当分计数器计满60后再向时计数器进位。译码显示电路由译码器直接显示。定时电路由2个74LS160组成，输出连在寄存器上，可以显示时间。当时钟的时间与定时器时间相同时，输出高电平，控制电路开始工作加热四十分钟后自动断开。从而实现了预置加热的目的，方便了生活。 6 元器件清单 序号元件名称规格数量1555定时器5G555 1 2计数器74LS160N 193比较器74HC85AN 24与非门7400N 115与门NC7S08_3V 26显示器DCD_HEX_BLUE 87电阻1K 18电容10pF 27 主要元器件介绍7.1 555定时

18、器7.1.1功能介绍词名：555 timer中文解释：555定时器来历：555 timer555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器

19、广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，

20、可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。概述:是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（含有两个555）；CMOS两个：7555，7556（含有两个7555）。 555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。 两个比较器 C1和 C2各有一个输入端连接到三个

21、电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。 比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。,功能表输入输出阀值输入VccVcc触发输入VccVcc复位0111输出010不变放电管T导通截止导通不变各引脚功能1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”

22、，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。7.2计数器74LS160N7.2.1引脚图 7.2.2功能表CP（）预置LOAD使能清零 00 0 0 00 1A B C DA B C D10 11保 持11 01保 持11 11计 数7.2.3功能介绍它是很常见的的十进制计数器，

23、异步清零端LOAD，当它为低电平时，无论其它输入端是何状态（包括时钟信号CLK），都使片内所有的触发器状态置零，只有在LOAD接入高电平是才起作用。并行置数使能CLR，只需在LOAD之前保持低电平，数据输入端DA的逻辑值便能在CLK下降沿到来后置入片内4个相应的触发器中。由于该操作与CLK下降沿同步，且DA的数据同时置入计数器，CLR置数操作具有次高优先级，仅低于LOAD，计数和保持操作时都需要求为1 ；数据输入端，在LOAD上升沿到来前至少提前将预置数据摆在DA输入端，且CLK=0，则下降沿到来后，DA便置入触发器。计数使能CEP只要在下降沿到来前至少一个建立时间期间内保持高电平，且CET=

24、1，下降沿就能使计数器进行一次计数操作。CEP主要控制本芯片的计数操作。计数使能CET，该信号和CEP做与运算后实现对本芯片的计数控制，当CEP=0，即两个计数使能端中有0时，不管有无脉冲作用，计数器都将停止计数，保持原有状态；当LOAD=CLR=CET=CEP=1时处于计数状态。与CEP不同的是，CET还直接控制着进位输出信号RCO。计数输出QDQA计数器中4个触发器的Q端状态输出。进位信号RCO，只有当CET=1且QDQA=1111时，RCO才为1；当清零信号为0时，各触发器置0，当清零信号为1时，若预置为0，在下一个时钟脉冲下降沿到来后，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同。在清零和预

25、置都为1的条件下，若使能端为1，则电路处于计数状态。直到使能端为0时当需要不同的进制时，如：1.你需要六进制计数器时，可以将、接到CLR端，这样当到0、1、1、0时，就会自动清零，就可以变成六进制计数器了；2.当你需要四进制计数器时，可以将 接到CLR端，当到0、1、0、0时，清零，就变成了四进制计数器了； 3.当你需要二进制计数器时，将接到CLR端，当到0、0、1、0时，清零，就变成了二进制计数器。7.3比较器74HC85 7.3.1引脚图 7.3.2功能表输入输出A3 B3A2 B2A1 B1A0 B0IABIABFAB3HLLA3B2HLLA3=B3A2B1HLLA3=B3A2=B2A1

26、B0HLLA3=B3A2=B2A1=B1A0B、FA=B、FAB、IA=B、IAB。扩展输入端与其他数值比较器的输出连接，以便组成位数更多的数值比较器。该比较器的原理和2位比较器的比较原理相同。两个4位数的比较器是从A的最高位A3和B的最高位B3进行比较，如果它们不相等，则该位的比较结果可以作为两数的比较结果。若最高位相等，就比较次高位，以此类推。7.4数码显示器7.4.1引脚图 在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观的显示出来，数码显示表示七段式数字显示器就是用来显示数字，文字或符号的器件。七段显示器是目前常用的显示方式，可以显示19等阿拉伯数字7.4.2介绍发光二极管，即LED

27、是由半导体材料制成的PN结，在正向偏置时会发光，具有工作电压低、体积小、寿命长、响应快等优点。常用的颜色有红、绿、黄。发光二极管的正向压降为2.2V2.6V，工作电流为510mA，其发光亮度基本与工作电流成正比。因此在使用发光二极管时，必须串限流电阻。发光二极管可工作于脉冲状态，在平均电流相同的情况下，脉冲工作状态比直流工作状态的亮度增加约20%。发光二极管可以单个的形式使用，也可将几个发光二极管封装在一起，根据封装的形状有七段数码显示器、米字型显示器和点阵式显示器等不同的形式。当发光二极管导通时，点亮相应的笔划或点。控制这些发光二极管的亮与暗，即可显示不同的字符或符号。 多个发光二极管封装在

28、一起的七段数码显示器按其连接形式可分为共阳显示器和共阴显示器。图7-1所示为共阳和共阴的七段显示器，在显示器中除了显示数字必须的七段笔画外，还提供了小数点。共阳显示器的阳极连接在一起，此时对阳极提供一正电压，通过限流电阻控制其阴极为高电平或是低电平来决定其暗或是亮。共阴显示器的阴极连在一起，此时可将阴极接地，通过限流电阻控制其阳极为高电平或是低电平来决定其亮或是暗。采用七段数码显示器显示的字型受到显示器本身结构的限制。因此，在显示比较复杂的字符、汉字或图形时，可采用点陈显示的办法。参考文献（1）欧阳星明.数字逻辑（第三版）.华中科技大学出版社，2006（2）陈振官.数字电路及制作实例.北京.国防工业出版社.2006年8月（3）云立实，孙雪妹，数字电子技术基础，西安科技大学出版社，2000.7（4）薛华日，数字计书电路，北京：人民邮电出版社，1981.4（5）尹雪飞，陈克安，集成电路速查大全，西安：西安电子科技大学出版社，2002.4 附 录 A1 逻辑电路图