数字秒表的课程设计最终稿.doc

数字秒表1、课题设计任务及指标通过本次电子设计大赛的选题、方案论证、设计计算、安装调试、资料整理、撰写“设计报告”等环节，初步掌握电子工程设计方法和组织实施的基本技能，深化、扩展并综合运用课堂上所学的电子电路分析设计方法以及集成电路知识完成小系统的电路设计。 利用基本SR触发器、脉冲发生器及计数、译码、显示等单元电路设计数字秒表。在实验装置上或者利用仿真软件完成数字秒表的线路连接和调试。2、课题设计的基本要求（1） 用单面的PCB板设计制作一个数字电子表。（2） 计时从00秒到99秒，用数码管显示。（3） 有识别、复位、清零、暂停等基本秒表功能。（4） 开关能灵活启动和停止秒表的工作。（5） 电源电路设计合理。3、系统设计方案论证作为数字式秒表，所以必须有一个数字显示。按设计要求，须用数码管来做显示器。题目要求最大记数值为99秒，那则需要两个个数码管。要求计数分辨率为0. 1秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。选择信号发生器时，有两种方案：一种是用晶体震荡器，另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。其核心部分使用三个74LS192计数器采用串联方式构成，这种连接方式简单，使用元器件数量少。CP脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器，产生10赫兹脉冲，如果精度要求高，也可采用石英振荡器。在选择译码器的时候，有多种选择，74LS46，74LS47，74LS48等4-7线译码器。当然，为了减小设计的误差，还需要设计在开关端设计消抖电路、整形电路。为了满足上电复位，还应该设计上点复位电路。系统框图如下： 图1 设计总框架图4、单元电路设计、参数计算和元器件4.1消抖电路 通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号会有一定的失真。由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，所以我们用74LS00芯片上的与非门构成了一个SR锁存器，使得其能输入稳定的电平。 图2 消抖电路框4.2 0.1脉冲发生器（由555构成的多些振荡器） 图3 555定时器的连接图和引脚图555定时器各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。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。3脚：输出端Vo2脚：低触发端6脚：TH高触发端4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”，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。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。脉冲波形图如下：图4 脉冲波形图由于频率f=1.43/(R1+2R2)C=10Hz，要产生10Hz频率,所以，电容C=10u，定值电阻R=4.7K，可变电阻R=2K。端口3为脉冲发生器的输出端口。4.3 计数电路（十进制计数器74LS192的）74LS192是同步可逆双时钟计数器，它们的管脚排列见图四（a）（b），功能如表。74LS192是十进制计数器，它具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。当需要进行多级扩展连接时，只要将前级的端接到下一级的CP+端，端接到下一级的CP-端即可 图5 计数器74LS192的封装图和引脚图 4.4 显示电路（七段数码管（LED）LED数码管由发光二极管组成，LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。下图是七段数码管（LED）BS201的示意图，图中引脚6为VCC的为共阳数码管，引脚6为GND的为共阴数码管。 图6 共阴共阳数码管的引脚图本设计采用共阴数码管与74LS48匹配4.5 译码电路（4-7线译码器74LS48）共阴极译码器74LS48，用74LS48把输入的8421BCD码ABCD译成七段输出a-g，再由七段数码管显示相应的数。 74LS48的管脚图如图7。在管脚图中，管脚LT、RBI、BI/RBO都是低电平是起作用，作用分别为：LT为灯测检查，用LT可检查七段显示器个字段是否能正常被点燃。BI是灭灯输入，可以使显示灯熄灭。RBI是灭零输入，可以按照需要将显示的零予以熄灭。BI/RBO是共用输出端，RBO称为灭零输出端，可以配合灭零输出端RBI，在多位十进制数表示时，把多余零位熄灭掉，以提高视图的清晰度。也可用共阴译码器74LS248，CD4511。 图7 译码器74LS48的封装图和引脚图74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路系统的显示系统中。本设计中，用它与共阴极数码管连接。连接图如下 图8 74LS48和共阴数码管连接方式4.6 加减法变换电路（数据选择器74LS158）74LS158 为反码输出的四组 2 选 1 数据选择器，共有 54/74S158 54/74LS158 两种线路 结构型式。数据选择端（S）为四组共用，供四组从各自的 2 个数据（A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4）中分别选取 1 个所需数据，只有在四组共用 的选通端 G 为低电平时才可选择数据。输出端 Y 为反码数据 输入输出GSABYHLLXLLXXLXHXHHLLLHHXLXHHL 图9 74LS158的引脚图和逻辑功能图为了实现数字秒表的加减法计数，我们采用了数据选择器74LS158的数据选择功能，使得电路的加减计数能够得以实现。5、电路图及电路的工作原理：各部分工作原理如下：消抖电路：它是由两个74LS00集成与非门元件构成。接在机械开关K的后面，防止开关K在打开和闭合时一些假信号窜入逻辑电路。0.1秒脉冲发生器电路：它由555集成定时器元件和外围的电阻和电容等元件构成。调节电阻或电容的数值，可以改变脉冲发生器的输出频率。计数器电路：从进位制来分，有二进制计数器，十进制计数器等多种形式。在此采用的是二十进制计数器即8421编码方式。由74LS192构成一位输出电路。译码器电路：是将数码转换为一定的控制信号。在此由74LS48集成元件构成，它能将十个二进制数码转换为输出端上的电平信号以控制显示器。显示器电路：有辉光数码管和荧光数码管等多种显示电路。在此采用的是共阴极七段LED显示器。电路图如下： 图10 秒表的设计原理图 图11 设计电路的仿真图 图12 设计电路的PCB图电路工作原理：上电时，上点复位电路产生复位信号，经整形后，使两个计数器清零。当第一次按动开关K，经消抖电路产生一个单脉冲，输出端产生高电平，经与门后，使0.1秒脉冲进入计数器计数，并译码，显示出来。当第二次按动开关K，产生第二个单脉冲使输出端输出低电平，关闭与门，使计数停止6、组装调试：本设计采用EDA电路仿真对设计电路进行了调试。运用软件Multisim。在调试的过程中遇到不少的麻烦，经过多次反复的检查和排除，最终实现了部分功能。在组装调试的过程中，我们发觉出现了以下的错误： 错误1： 数码管显示，但不计数； 原因：三块74LS192芯片的14引脚没有接上低电平，第一块74LS1925脚进位脚和第二块74LS192的12引脚没有连接上，导致脉冲不能传输，不能使数码管计数。错误2：暂停功能时好时坏；原因：暂停开关的引脚没有接稳，开关左右晃动。 错误3： 数码管跳动很快，几乎看不出变化； 原因：555构成的脉冲发生器的两个电容位置接反，电位器的引脚接反，导致脉冲发生器产生的脉冲频率过高，使得数码管跳动的过快，就好像数码管什么都没变化一样。 错误4数码管个位能计数，但十位和百位上一直显示0；原因：计数器74LS192芯片上的14号引脚一直处于高电平状态，使得数码管一直在清零。 错误5：复位功能不能实现；原因：选取的复位电路上的电阻过于大，导致在复位电路上分的的压降过于大，导致达到高电平复位功能。7、设计需要的元器件： 表2 元件清单元器件型号数量芯片78061译码器74LS1923无极性电容1031电解电容10uf1编码器74LS483数据选择器74LS157 1数码管一位3开关单刀双掷2开关自锁1电阻30021电阻4.7K2电阻1k3电位器2k1电容3300uf 2电容473p2整流器In40071 8、设计成果的评价：通过这些天的设计，总算是有了一个结果。方案和结果都令我十分的满意。首先是方案，主要是参考了网上的一些资料在加上我们自己的一些改进，其中突出的就是在计数器选择加法和减法的时候，我们采用了数据选择器74LS158来实现的。经过不断地改进和调整，最终我们团队实现这次电子设计大赛上数字秒表课题所要求的所有功能，这些功能包括电路的复位、暂停、清零和加减法计数的功能，。总的来说，我们对本次的设计取得这样的成果已经感到很满意，毕竟这是我们的团队第一次参与这样的大赛，能把实物做出来，我们已经感到非常的满意了。9、课程设计的收获、体会：课程设计已经结束，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。要有耐心和毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是利用Multisim 仿真和protel制图,首先这两个软件我们都是第一次用到的，所以我们一切都要要从头学起，自行摸索的学习。尤其是protel制图，在上面我们花费了大量的时间和精力，但是由于粗心，最终还是导致我们的PCB图上的电路接错了一小部分的线路，使得我们在调试的过程中，前前后后找了很久的原因，在调试这一块就花费了大量的时间和精力。其后就是各个单元电路的设计了，在各个单元电路的连接上花费了大量时间。我们在设计时做出了几种单元电路的方案，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，在网上也参照了许多的资料，也问了我们的指导老师，最终这才确定了我们的电路。实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，要考虑到各个元器件的功能和特性，要翻阅大量资料，参考别人的经验。只有这样才能把自己的电路设计的完美。通过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字秒表的原理与设计理念。在此次的数字秒表设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。在设计电路中,输入输出端口不一定是固定的，例如74LS192就有好几种计数共能和分频共能，在不同的功能下，它的输入和输出端口是不一样的。再就是注意数码管的共极性（是共阴极还是共阳极），不能将其 “ ” 与 “ ” 极接错。比如，共阴极数码管和74LS48接，共阳极数码管和74LS46/74LS47接。在电路的仿真过程中出错的主要原因都主要是接线的错误所引起的。接线的时候一定要细心，不要接错，同时也要学会如何判别芯片的功能，要是芯片不具备要求的功能，或者，不匹配，即使接线再正确也出不来结果。对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确等。总体来说，通过这次课程设计学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用绘图软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。同时，让我明白：这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获，所谓“一行胜千言”果然不假。参考文献1康华光主编.电子技术基础（模拟部分）第五版.北京：高等教育出版社，