触摸开关的循环数显装置(年赛题)

1．题意

现提供一批元件，也只能选用所提供的元器件，用模电、数电等有关知识，设计并制作带有触摸电极的电路，当电路得电，便能以“1－4－7－2－5－8－3－6－9”的顺序循环显示数字，几秒钟后就停显、消隐。而后，再触摸，又重复以上显示，约10s后自行停显并消隐的工作过程，如此周而复始。

为了显示工作状态，用绿色发光二极管指示电源工作状态; 用红色发光二极管指示触摸开关的工作状态，当手指未触摸电路电极时，红色发光管亮，而当手指触摸电极，一旦触摸开关工作时，红色发光管熄灭。

2．赛题分析

按照赛题要求，当电路得电工作时，首先必须要产生一个几秒(2～4)的开机延时脉冲，利用此脉冲控制开机循环显示数字，几秒钟后就停显、消隐。本作品没有触摸控制，当触摸电极时必须产生一个10s的单稳态电路，利用此脉冲控制循环显示教字，10s后就停显、消隐; 利用这两个脉冲控制计数脉冲的输出，当控制脉冲为高电平时，有计数脉冲输出; 然后再利用计数脉冲控制计数器计数输出显示; 电路主要工作波形图，如图10－13所示。

通过电路工作波形图画出电路方框图，如图10－14所示。

图10－13 工作电路波形图

图10－14 电路方框图

3．作品设计

将电路分成7大模块设计，即电源电路、译码/驱动/显示电路、计数/编码电路、计数脉冲发生器、开机延时电路二触摸单稳态电路、消隐电路。

(1)单元电路的设计

①电源电路。采用变压器降压、二极管整流、电容滤波、LM317稳压输出，利用绿色发光二极管指示电源工作状态，电路原理如图10－15所示。

图10－15 LM317直流稳压电路

220V市电经220V/12V变压器降压、二极管桥式整流、电容C2和C1滤波后送入LM317的第③脚(输入端)，C1选用1000μF的电解电容; C2选用0．01μF的瓷片电容，滤除高频纹波。第②脚输出稳定的直流电压。第①脚为调整端，调整端与输出端之间的电压为1．25V的基准电压。为了保证稳压器的输出性能，R2的阻值应小于240Ω，本电路选用200 Ω的电阻。为了使输出电压可调，调整端与地之间接可变电阻器RP3，改变RP3的阻值便可以改变输出电压。输出电压计算公式为U0=1．25(1+RP3/R2)，此电路要求输出电压为7．1 V，选用RP3的选用5kΩ的电阻即可。C4、C3是为了进一步改善输出电压的纹波。D5、D6是保护二极管，若输入端发生短路，C3的放电电流会反向流经LM317，有可能导致其击穿损坏。D5的接入可旁路反向冲击电流，使LM317得到保护。同理若输出端短路，C2上的放电电流被D6短路起保护作用。通过绿色发光管LED1指示电源的工作状态，R6为D7的限流电阻，取值为510Ω，流过D7的电流约为10m A，发光二极管的正常工作电流为10m A。

②译码/驱动/显示电路的设计。CD4511是一块含BCD七段锁存/译码/驱动/消隐电路于一体的集成电路。CD4511的1、2、6、7脚为BCD码输入端，在本电路中用于输入二极管编码输出的BCD码; 译码输出端分别是“a－b－c－d－e－f－g”，其输出端接数码管显示，数码管每段的工作电流为10m A左右，所以必须在CD4511的输出端接上7个限流电阻，其阻值为510Ω，计算方法为: (7～2)V/10m A≈510Ω; 按照设计要求，CD4511必须工作在两种状态中: 计数、消隐。根据CD4511的真值表可知，LT为测试端，当LT为低电平时，输出全为1，显示“8”，此端可以用来测试数码管的好坏情况，本制作LT接高电平; BT端为消隐端，当它为低电平时显示消隐，为高电平时显示正常，所以本制作可以通过此引脚控制显示与消隐部分; LE为锁存端，高电平锁存，本制作LE接低电平，见图10－16所示。

图10－16 译码/驱动/显示电路的设计

③计数/编码电路的设计。设计要求循环显示“1－4－ 7－2－5－8－3－6－9”，而计数器CD4017是5位Johson计数器，具有10个译码输出端，需要通过IN4148编码输出。当CD4017的③脚输出“1”时，通过二极管编码输出的8421BCD码为1; 当②脚输出“1”时，通过二极管编码输出的8421BCD码为4; 同理，当⑨脚输出“1”时，通过二极管编码输出的8421BCD码为9; 当⑩脚榆出“1”时，对计数器的复位端(⑩脚，高电平复位)进行复位，计数器重新开始、计数; C4为复位电容，同样也可以对计数器的⑩脚进行复位; 时钟输入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制INH(EN)为低电平时，计数器在时钟上升沿计数; 反之，计数功能无效，计数/编码电路如图10－17所示。

④计数脉冲发生器的设计。最常见的多谐振荡器是用NE555组成的，它电路结构简单、性能良好。本电路以NE555构成多谐振荡器，计数脉冲控制如图10－18所示，其最大振荡周期T=0．69(R10+2R4)C6=0．788s。

如果要改变振荡频率，可以调节微调电位控制R4。在电位器R4串接电阻可以减小振荡频。

图10－17 计数/编码电路

图10－18 计数脉冲发生器

NE555的③脚接信号控制端，当④脚为高电平时，有信号输出，黄色信号指示信号输出，当④脚为低电平时，没有信号输出。

⑤开机延时电路的设计。电路如图10－19(a)、(b)所示。当接通电源时，7V电源通过R1向C1充电，充电过程中，CD4069的①脚由低电平到高电平，此时通过门电路IC2A、IC2B反相后再通过IN4148输出高电平，通过IC2C再一次反相输出低电平。此电平控制IC6的④脚，使得开机时，IC6的④脚由高电平通过延时几秒后变低电平，所为计数器计数几秒后停止计数。D2和D3组成或门，触摸输出的单稳态信号同样也可以通过IC2C门电路控制计数脉冲信号的输出。图10－19(b)中的开机延时电路，在第五章中已有详细介绍，读者可自行参阅。

⑥触摸单稳态电路的设计。触摸信号输入电路是由一只NE555组成的脉冲启动式单稳态触发器，电路如图10－20所示。平时触发器处于稳态，③脚输出低电平。按键代替为触摸电极，当用手触摸电极后，人体上的电信号输入②脚，触发器翻转，③脚输出高电平。触发器翻转后，电源通过R4和向C3充电，充电时间约几秒后，触发器又翻转，③脚恢复输出低电平，只有等下一次触摸电极才能使③脚输出高电平。如此往复循环。

⑦消隐电路的设计。通过控制CD4511的消隐端即可控制显示器消隐，消隐端为低电平便消隐，此电路原理与八路抢答器中的消隐相同。

(2)整体电路设计

当单元电路设计完成之后就是整体电路的设计，也就是根据电路方框图和电路逻辑关系把所有的单元电路组合起来，这样就完成了整个电路的设计。在组合过程中各单元电路确定以后，还要认真仔细地考虑他们之间的级联问题，如电气特性的相互匹配、信号耦合方式、时序配合，以及相互干扰等问题。

图10－19 两种开机延时电路

图10－20 NE555单稳延时电路

4．电路制作与调试

电路原理图设计好之后就是将所有的电子元件焊接在专用的万能板上组成实际电路，在整个时间分配上，电路制作必须要用4～6h，所以当题目下来之后必须在1～3h的时间内完成电路原理图的设计。

在制作过程中，焊接工作是一项重要的工序，它不但要求将元件固定在电路板上，而且要求焊点必须牢固、圆滑。锡焊工作好坏会直接影响到电路的成功与否，因此焊接技术是每一个电子制作者必须掌握的基本功，焊接时应使电烙铁的温度高于焊锡的温度，但也不能太高，否则，烧黑烙铁头，影响沾锡。焊接时间太短，焊点的温度过低，焊点融化不充分，会使焊点粗糙，容易造成虚焊，反之焊接时间过长，焊锡容易流淌，但要防止元件过热受损。焊接点上的焊锡量不能太少，太少了焊接不牢，机械强度也太差，而太多又容易造成外观一大堆而内部未接通，焊锡应该刚好将焊接点上的元件引脚全部浸没，轮廓隐约可见为好。

整个电路的制作顺序是: 电源部分－数码显示部分－编码部分－计数部分－NE555多谐振荡部分－ NE555单稳态部分－延时部分。

每装一部分电路都必须通电检查是否正常，如果不正常则必须检查哪里出了故障，再把故障解决好才可以制作下一部分电路，这样一步一步完成可以保证成功率。

电路调试也是一个非常重要的环节，在各个单元电路制作过程中也必须调试，把电源电压调整在7～9V之间，把单稳态时间调整在规定时间内。最后是整体电路的调试，主要是在电路安全性、稳定性和时序准确性方面的调试。

注意: 元器件引脚之间的连接宜用+0．3的裸线焊接，不可用焊锡当导线用。