CD4013芯片在提醒器上的设计和应用

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  摘要:随着社会的发展,提醒器在控制对象中的应用显得越来越重要。文章就提醒器所存在的问题进行了认真地探讨,并用CD4013芯片对已有的提醒器进行了新的设计和应用,以提高提醒器在控制对象中的有效性和高效性。

  1CD4013芯片引脚及功能

  CD4013是CMOS双D触发器,内部集成了2个功能相同,引脚独立(电源共用)的D触发器,工作电源电压是3V~18V,采用14引脚双列直插式塑料封装,是目前设计开发电子电路的一种常用器件,使用相当灵活方便。

  CD4013的每个触发器都有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及输出,此器件可用作移位寄存器,且通过将Q输出连接到数据输入,可用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发时,加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关,而分别由置位或复位线上的高电平完成。一个D有6个端子:2个输出,4个控制。4个控制端分别为R,S,CP,D。R和S不能同时为高电平。当R=1、S=0时,输出Q一定为0,因此R可称为复位端;当R=0、S=1时,输出Q一定为1,因此S可称为置位端;当R、S均为0时,Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作,输出Q=D,即若D为1则Q也为1,若D为0则Q也为0。

  2系统的设计要求

  (1)在第1个人前方安装有指示灯,在后部安装指示灯,当按压按钮开关时,扬声器鸣响,同时前后方的指示灯亮;

  (2)当第2个人按压按钮开关后,前后方的指示灯仍然亮,提醒动作;

  (3)在拨动气缸电磁阀控制开关的同时,控制器将前后方的指示灯熄灭;

  (4)性能稳定可靠,成本低。

  3系统的硬件组成

  该系统由3部分组成,扬声器控制单元1,气缸电磁阀控制单元2,指示灯控制单元3。

  扬声器控制单元1由按钮开关、电阻和扬声器组成,当第2个人按压按钮开关时,扬声器发出声音或者放出预置的音乐,提醒第1个人有下1个动作;当按钮开关动作时,也同时向指示灯控制单元发出1个控制信号。

  气缸电磁阀控制单元2包括开关、气缸电磁阀等,当第1个人按下开关时,电磁阀的1个线圈通电,气缸动作使动作开始;当第1个人再次按下开关时,电磁阀的另1个线圈通电,气缸反向动作关闭;当开关动作时,也同时向指示灯控制单元发出1个控制信号。

  指示灯控制单元3至少包括2个指示灯,1个安装在后部,用于提醒是否有人按压按钮开关;另1个安装在第1个人前方的仪表板上,用于提醒第1个人是否有人按压按钮开关。

  4系统的工作原理

  4.1CD4013芯片的第一种计数和复位连接

  CD4013芯片在提醒器上的设计和应用

  图1CD4013芯片的第一种计数和复位连接图

  CD4013芯片的第一种计数和复位连接原理如图1所示,工作原理如下:当按下开关K时,提醒器加电,电解电容器C充电时相当于短路,引脚R为高电平引脚S为低电平,D1复位Q输出低电平,发光二极管D31、D32、D33熄灭,D1复位后处于计数工作状态。如果按压按钮开关SB,则扬声器控制单元1开始工作,扬声器SP开始鸣响,同时CP引脚由低电平变为高电平,D1发生翻转Q输出高电平,发光二极管D31、D32、D33点亮,这时确切知道下一个动作发生,其他人如果也想按压按钮开关SB,当他发现发光二极管D31或者D32处于点亮状态时,也确切知道有人按过按钮开关了,这样就会知道有动作发生了,自己不需要再次按压按钮开关SB了。动作完成后,按下开关SW时,气缸电磁阀控制单元2开始工作,后部开始动作,开关SW的一个回路使电解电容器C放电,当再次按下开关SW时,电解电容器C充电,D1再次复位Q输出低电平,发光二极管D31、D32、D33熄灭,D1复位后再次处于计数工作状态。

  系统的D触发器可以选用CD4013双D触发器,也可以选用JK触发器或者其他功能相同的触发器。发光二极管可以根据实际需要选用不同颜色的发光二极管,也可以增减发光二极管的数量。

  CD4013芯片的第一种计数和复位连接原理的不足之处是:当第1个人按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33点亮,当第2个人再次按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33就熄灭了。

  4.2CD4013芯片的第二种计数和复位连接

  CD4013芯片的第二种计数和复位连接原理如图2所示,工作原理如下:当按下开关K时,提醒器加电,电解电容器C充电时相当于短路,引脚R为高电平引脚S为低电平,D1复位Q输出低电平,发光二极管D31、D32、D33熄灭,D1复位后处于计数工作状态。如果有1个人按压按钮开关SB,则扬声器控制单元1开始工作,扬声器SP开始鸣响,同时CP引脚和S引脚由低电平变为高电平,因为引脚S为高电平而引脚R为低电平D1置位,Q输出高电平,发光二极管D31、D32、D33点亮,这时第1个人确切知道下一个动作发生,其他人如果也想按压按钮开关SB,当他发现发光二极管D31或者D32处于点亮状态时,也确切知道有人按过按钮开关了,第1个人前面的指示灯已经显示着动作发生,自己不需要再次按压按钮开关SB了。动作完成后,第1个人按下开关SW时,气缸电磁阀控制单元2开始工作,后部开始动作,开关SW的1个回路使电解电容器C放电,当第1个人再次按下开关SW时,电解电容器C充电,D1再次复位Q输出低电平,发光二极管D31、D32、D33熄灭,D1复位后引脚S为低电平而引脚R也为低电平,使D1再次处于计数工作状态。

  CD4013芯片在提醒器上的设计和应用

  图2CD4013芯片的第二种计数和复位连接图

  系统的D触发器可以选用CD4013双D触发器,也可以选用JK触发器或者其他功能相同的触发器。

  CD4013芯片的第二种计数和复位连接原理解决了CD4013芯片的第一种计数和复位连接原理的不足之处:当第1个人按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33点亮,当第2个人再次按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33仍然处于点亮状态,只有当第1个人通过开关SW关上后部后,发光二极管D31、D32、D33才熄灭。

  4.3CD4013芯片的置位和复位连接

  CD4013芯片的置位和复位连接原理如图3所示,工作原理如下:当按下开关K时,提醒器加电,电解电容器C充电时相当于短路,引脚R为高电平,引脚S通过按钮开关SB与地线连接为低电平,D1复位Q输出低电平,发光二极管D31、D32、D33熄灭,D1复位后处于计数工作状态。如果有1个人按压按钮开关SB,则扬声器控制单元1开始工作,扬声器SP开始鸣响,同时S引脚由低电平变为高电平,因为引脚S为高电平而引脚R为低电平,D1置位,Q输出高电平,发光二极管D31、D32、D33点亮,这时第1个人确切知道下一个动作发生,其他人如果也想按压按钮开关SB,当他发现发光二极管D31或者D32处于点亮状态时,也确切知道有人按过按钮开关了,那么第1个人已经知道动作发生了,自己就无需再次按压按钮开关SB了。动作完成后,第1个人按下开关SW时,气缸电磁阀控制单元2开始工作,后部开始动作,开关SW的1个回路使电解电容器C放电,当第1个人再次按下开关SW时,电解电容器C充电,D1再次复位Q输出低电平,发光二极管D31、D32、D33熄灭,D1复位后引脚S为低电平而引脚R也为低电平,使D1再次处于计数工作状态。

  CD4013芯片在提醒器上的设计和应用

  图3CD4013芯片的置位和复位连接图

  系统的D触发器选用CD4013双D触发器,也可以选用任何带有复位端和置位端的触发器。发光二极管可以根据实际需要选用不同颜色的发光二极管,也可以增减发光二极管的数量。

  CD4013芯片的置位和复位连接原理解决了CD4013芯片的第1种计数和复位连接原理的不足之处:当第1个人按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33点亮,当第2个人再次按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33仍然处于点亮状态,只有当第1个人通过开关SW打开后门之后,发光二极管D31、D32、D33才熄灭。事实上,电路的D触发器工作在复位状态和置位状态,当有人按压按钮开关SB时D触发器工作在置位状态,当第1个人通过开关SW打开后门之后D触发器工作在复位状态。

  5系统的优点

  (1)设计是基于CD4013芯片提醒器的设计和应用,只需要有1人按压1次按钮开关,通过指示灯其他人就明确知道下一个动作的发生;

  (2)在控制对象内减少了扬声器频繁鸣响产生的噪声;

  (3)可以延长按钮开关的使用寿命;

  (4)现有技术的提醒器可以方便地升级为本设计的提醒器。

  6结语

  在设计中,基于CD4013的提醒器很好地达到了设计要求,当第1个人按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33点亮,当第2个人再次按压按钮开关SB后,发光二极管D31、D32、D33仍然处于点亮状态,只有当第1个人通过开关SW打开后门之后,发光二极管D31、D32、D33才熄灭。

  CD4013芯片的第一种计数和复位连接原理中所使用的D触发器只工作在计数状态,只要有人按压1次按钮开关,D触发器就翻转1次,这样发光二极管的亮灭与按压的次数有关,奇数次发光二极管亮,偶数次发光二极管灭。CD4013芯片的第二种计数和复位连接原理和CD4013芯片的置位和复位连接原理中所使用的D触发器工作在复位状态和置位状态,很好地解决了发光二极管的亮灭与按压次数有关的问题。

  系统中使用的发光二极管也可以采用隐藏式设计,将发光二极管隐藏在按钮开关外壳内部,在正对应发光二极管的外壳处印有相关文字,如“已经有人按过”等等。

  系统也可以采用以单片机为核心的最小系统来设计,系统的硬件组成将更加简单,在实际应用中可以直接使用控制对象上现有的微控制器,如语音报站器中的微控制器等,相应提醒器中的指示灯也可以采用LED点阵或者小型液晶显示屏等等。

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