CD4013芯片在提醒器上的设计和应用

　　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

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。