基于Multisim软件答辩倒计时的设计仿真

Design and Simulation of Interview Defense Countdown Based on Multisim Software

摘要: 基于Multisim14软件，本文设计了毕业答辩倒计时提醒电路，实现了在8分钟时间内自动提醒演讲者剩余时间的功能。该电路能够满足答辩时间的精确控制，通过数码管显示剩余时间，并在答辩结束前1分钟或者其他时间和答辩时间结束时发出声音提醒。设计加入了可以在倒计时某个具体的位置进行暂停然后报警以及随时可以复原为初始显示数字的功能。并且可以手动通过拨动拨码器，调节所要倒计时的分钟数。此外显示译码器电路中加逻辑门与其相连，通过小灯和蜂鸣器实现倒计时一分钟与时间截止(00:00)的报警功能。

Abstract: Based on Multisim14 software, the countdown reminding circuit of graduation defense is designed, which realizes the function of automatically reminding the speaker of the remaining time within 8 minutes. The circuit can meet the precise control of the defense time, display the remaining time through the digital tube, and issue a sound reminder 1 minute before the end of the defense or another time and the end of the defense time. The design has added a function that can pause at a specific position in the countdown and then alarm and can be restored to the initial display number at any time. The number of minutes to be counted can be adjusted manually by flipping the dip switch. In addition, the display decoder circuit is connected to a logic gate, and the alarm function of counting down one minute and time cutoff (00:00) is realized through small lights and buzzers.

1. 引言

在企业、学校以及各种公共场合，演讲和报告是经常需要进行的活动。而在这些活动中，时间掌控的重要性不言而喻。因此，设计一个可以实现倒计时提醒的电路 [1] ，帮助演讲者更加准确地控制时间，可以实现事半功倍的效果。时间显示模块包括分、秒部分，可用显示译码器来显示，从而实现计时作用。文献 [2] 等人基于触发器、编码器、显示译码器等典型的数字电路单元设计了一款抢答计时和答题计时功能的智力抢答器电路，同时该电路可以实现主持人控制。文献 [3] 万文等人采用芯片74LS192对倒计时电路进一步改进，改变了以往传统的倒计时模型。文献 [4] 陈婕羽等人基于Multisim的设计了火箭发射30秒倒计时器设计，但是并没有给出具体的任意时刻的复位操作，以及在最后时间的报警电路。文献 [5] 金子涵等人设计了一款多功能数字钟，采用正向的计数原理来实现其功能。本文在前人的基础上设计一个倒计时提醒电路，实现了在一定时间内自动提醒演讲者剩余时间以及报警的功能 [6] 。

2. 设计原理

采用555多谐振荡电路产生频率为1 Hz的脉冲，之后经过开始键，开始从八分钟倒计时，然后通过数码管将具体的时间显示出来，最后将在1分钟时，通过加入逻辑门进行判断条件，条件为1分钟时，逻辑门输出为1，采用的报警器开始报警 [7] ，提示答辩人时间剩余1分钟；在倒计时为零分钟时，这时倒计时停止，通过加入逻辑门，当输出的分和秒全为零时，条件成立，倒计时停止，同时通过逻辑门使计时器芯片的置零端工作，进而使数码管一直保持在0:00。此外，本设计加入复位键用来结束后，将其置位为原始的8分钟。原理框图见图1。

加入了拨码器开关，放在了分钟对应的计时芯片的下面，实际中答辩时间并不一定是8分钟，通过拨码器就能够修改具体的倒计时时间，并且只需要一个拨码器即可，其他两个计时器输入端直接接入高低电平即可。

3. 电路设计

在以往的电路倒计时设计中，并没有要求可重新开始性，也就是不能通过一个开关键实现复原初始状态以此来达到重复利用性。因此本设计想要加入可以在倒计时某个具体的位置进行暂停然后报警以及随时可以复原为初始显示数字的功能以及在倒计时过程中某个固定时刻报警功能，这里我们以处于1分钟报警为例。

在仿真中，我们研究了基于Multisim软件设计分秒计时器的可行性，设计一个能实现与真实时间同步的分秒倒计时显示，通过加入逻辑门元件使设计的电路在某一个固定时间提醒，可以使倒计时电路与报警电路相连接，从而达到声音提醒的功能。随后设计了一个脉冲输入信号。按照功能要求，依次设计了倒计时电路，报警电路，时间脉冲电路。通过555多谐振荡器产生矩形脉冲，输出到第一片计时芯片down端口上，通过拨码器调整倒计时显示为8分钟，整个电路置于复位状态，按下开始键，开始倒计时。

Figure 1. Schematic block diagram

图1. 原理框图

3.1. 倒计时电路

74LS192芯片是一个具有双计数功能的芯片，既可以做加法计数器，也可以做减法计数器。将两片74LS192的置数端与键盘上的空格键相连，开关空格键控制置数端与高电平还是低电平，从而实现当倒计时到0时，通过手动操作开关空格键可以重新开始倒计时 [8] [9] 。74LS192功能表见表1。

Table 1. Function list of 74LS192

表1. 74LS192功能表

倒计时电路是由3片74LS192加减计数器组成，从左至右分别对应分钟个位，秒的十位、个位计数，他们都接成减法计数器，都是通过低位的借位端连接高位端，实现向高位的借位。U8，U7即74LS192 (秒的个位)输入端A~D分别接0110、000。在1 Hz秒信号脉冲作用下，从60减到00。下一个秒脉冲到来，U8、U7的输出端变为1001，1001，经过所设置的与非门连接到置数端，使其置数，并且U8、U7出现1001的时间很短，即阴极数码管仅仅只是闪一下。U6计数器置数输入端A~D分别接0001，为十进制计数器。直至显示器数据为001时，计时停止，并报警提示。

我们可以手动通过拨动拨码器进行调节所要倒计时的分钟数。倒计时实验电路图见下图2。

3.2. 报警电路

本实验需要在1分钟以及00:00时进行报警，1分钟报警用来提示剩余时间。0分钟提示答辩人时间已到，停止答辩。1分钟报警时，该报警电路右边第一、二片74LS192N芯片输出端接四输入端或非门，型号为4002BD_5V，第三片芯片输出端的QA接一个非门，然后接入四输入端或非门，此后再接入三输入端与门，也就是当三端输入信号为111时，蜂鸣器报警；在0分钟时，三个芯片输出端都接一个四输入端或非门(4002BD_5V)，然后再接入三端输入与门。三极管基极的高电平使蜂鸣器发声；而基极低电平则使蜂鸣器停止发声 [10] [11] 。报警电路图见图3。

Figure 2. Schematic diagram of the countdown experiment circuit

图2. 倒计时实验电路的原理框图

Figure 3. Schematic block diagram of alarm circuit

图3. 报警电路的原理框图

3.3. 时间脉冲的设计

本文采用由555多谐振荡器来产生周期为1 s的脉冲，从而提供了合适的信号输入 [12] 。引脚功能见表2。

Table 2. 555 Pin function of timer chip

表2. 555定时器芯片引脚功能

通过Vc的波形球的电容C的充电时间 $T_1$ 和放电时间 $T_2$ 计算公式如下：

充电时间 $T_1$ 与放电时间 $T_2$ 计算公式：

$T_1=\left(R_1+R_2\right)C\ln \frac{V_{CC}-V_{T-}}{V_{CC}-V_{T+}}$ (1)

$T_2=R_{2}C\ln \frac{0-V_{T+}}{0-V_{T-}}=R_{2}C\ln \frac{V_{T+}}{V_{T-}}$ (2)

故电路的振荡周期为：

$T=T_1+T_2=\left(R_1+R_2\right)C\ln \frac{V_{CC}-V_{T-}}{V_{CC}-V_{T+}}+R_{2}C\ln \frac{V_{T+}}{V_{T-}}$ (3)

当Vco悬空(接电容后接地)：

$V_{T+}=\frac{2}{3}{V}_{CC},V_{T-}=\frac{1}{3}{V}_{CC}$ (4)

$T_1=\left(R_1+R_2\right)C\ln 2$ (5)

$T_2=R_{2}C\ln 2$ (6)

振荡周期：

$T=\left(R_1+2R_2\right)C\ln 2$ (7)

根据公式

$f=\frac{1}{\left(R_1+2R_2\right)C}$ (8)

这里选取参数为R₁ = 44 KΩ，R₂ = 50 KΩ，C₁ = 10 uF，代入公式计算得：

$f=\frac{1.443}{\left(R_1+2R_2\right)C}=0.995\text{Hz}$ (9)

符合设计脉冲为1 Hz的要求，具体电路图见图4。

在图5中， $t_{w1}$ 为 $Vc$ 由 $2/3Vcc$ 上升到 $1/3Vcc$ 所需时间， $t_{w2}$ 为电容C放电所需时间。555电路要求 $R_1$ 与 $R_2$ 均应不小于 $1\text{KΩ}$ ，但两者之和应不大于 $3.3\text{MΩ}$ 。用555多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小 [13] 。

Figure 4. 555 block diagram of multivibrator circuit

图4. 555多谐振荡器电路的原理框图

Figure 5. Waveform diagram of a multivibrator

图5. 多谐振荡器的波形图

4. 性能测试

下面通过测试整个电路的各部分电路来验证设计的正确性以及合理性，电路测试分为稳压电源、报警电路、倒计时电路、脉冲信号电路的性能测试。通过加入万能表测试稳压电源输出值，以及采用示波器观察555多谐振荡器的输出波形，算出实验值输出频率是否为1 Hz等等。

4.1. 脉冲信号电路的测试

从图6中，我们通过示波器可以看到555多谐振荡电路的输出波形为矩形波，且一个周期为1 s，满足设计要求。

Figure 6. Pulse output waveform test diagram

图6. 脉冲输出波形测试图

4.2. 毕业答辩倒计时电路测试

从图7中我们可以看到，三片数码管正在进行倒计时，同时开关置于高电平，在1Hz的脉冲下，数码管与实际时间间隔一样倒计时，符合设计要求。

4.3. 报警部分电路测试

这里我通过加入2.5V小灯来显示。在0分钟时，三个芯片输出端都接一个四输入端或非门(4002BD_5V)，然后再接入三端输入与门，同样当三端输入与门输入信号为000时，两者通过一个或门接入蜂鸣器，即可实现在1分钟以及0分钟报警。

我们可以看到，在图8中，当数码显示器显示1分钟时，最左上方小灯亮起，代表蜂鸣器BUZZER响起。同时在0分钟时，报警器响起以及倒计时暂停，数码管显示为0:00。见图9。

在倒计时开始后，这里通过加入逻辑门或门来实现在1分钟时以及0分钟时分别进行报警，二者互不干扰，符合设计要求。总的电路图见图10。

5. 结论

我们得出，在加入逻辑门的作用下，该设计可以加入复位键，在倒计时开始过程中的任意时刻可以恢复到初始状态数码管显示的时间，以及在一分钟以及零分钟时通过蜂鸣器进行报警，并且在零分钟处自动暂停。同时加入了拨码器开关，实际中答辩时间并不一定是8分钟，通过手动拨动拨码器就能够修改具体的倒计时时间。到时间为0:00时，通过加入或门与输入脉冲相连，电路自动暂停同时蜂鸣器一直报警。通过仿真软件Multisim对该设计提供实践提供了可行性，在一定范围中，我们可

Figure 7. Countdown circuit test for graduation defense

图7. 毕业答辩倒计时电路测试

Figure 8. Alarm part circuit test

图8. 报警部分电路测试

Figure 9. Zero-minute test circuit diagram of alarm circuit

图9. 报警电路零分钟测试电路图

Figure 10. Schematic diagram of the total circuit

图10. 总电路原理框图

以将此设计应用到实际社会生活，满足人们的日常需求。在实际使用过程中，只需设置好倒计时时间即可，电路会自动提醒演讲者剩余时间，避免了时间的超限和浪费。