电子秒表计时器设计任务书.doc

电子技术课程设计任务书设计题目： 电子秒表计时器 专 业： 本13通信03班 学生姓名: 刘 洁 学 号: 20134400302 起迄日期: 2015年11月1日2015年12月30日 指导教师: 陈 蔚 教研室主任： 邓 贤 君 电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：一、课程设计内容 题目：电子秒表计时器要求：电压电源VCC为5V，能实现可启动、暂停、清零的60S计时功能。 注：采用555、74LS160和74LS48作为控制器，逻辑门74LS00、74LS01等芯片制作。二、课程设计要求1. 综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的电子电路设计和芯片使用方法。2. 一人一题，所设计的电路必须制作成功，并且全部或者部分通过计算机仿真。课程设计必须自己独立完成，不得从网上下载，一经发现该课程成绩记零分。3. 课程设计设计说明书（报告）应包括有： 电路工作原理分析 电路元器件参数设计计算 电路调试说明 电原理图和PCB图（必须自己画） 元器件装配图（必须自己画） 元器件清单 自己的收获和体会 要求字数不得少于3500字 要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel等软件绘制电原理图（SCH）、元器件布局图和印制电路板(PCB)。 4. 所有的文档和表格必须采用Word形式。5. 同类型的设计题可以组成一个设计组，组员之间可以开展研究与讨论。雷同者均计0分。6. 阅读有关芯片英文参考资料，理解资料内容。7. 英文资料中的曲线、参数、方框图、引脚端封装等图（不包括电原理图和PCB图）可以直接采用（pdf文档中的图可放大300倍后裁剪到Word文档中），图中的英文可以采用英文（中文）方式翻译在图下。8. 英文资料中的一些词，如果翻译拿不准，可以采用英文（中文）方式标注。9. 设计资料中的有关的公式可以直接采用。10. 课程设计结束，需要交制作的作品、文字稿和电子稿，采用Word文档形式。11. 成绩评定： 按ABCDE分档，其中：优秀为A，良好为B，中等为C，及格为D，不及格为E。 课程设计设计说明书占60%，实物制作占40%。 2对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3主要参考文献：（1） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛技能训练M北京：北京航空航天大学出版社，2011（2） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛制作实训M北京：北京航空航天大学出版社，2011（3） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，2011（4） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛电路设计M北京：北京航空航天大学出版社，2011（5） 黄智伟全国大学生电子设计竞赛 常用电路模块制作M北京：北京航空航天大学出版社，2011（6） 黄智伟等.基于NI multisim的电子电路计算机仿真设计与分析M北京：电子工业出版社，2007（7） 黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践M北京：电子工业出版社，2009（8） 高吉祥等.电子技术基础实验与课程设计M北京：电子工业出版社，2002（9） 吴运昌.模拟集成电路原理与应用M广州：华南理工大学出版社，2001年（10） 谭博学等. 集成电路原理及应用M北京：电子工业出版社，2003（11） 魏立军.CMOS 4000系列60种常用集成电路的应用M北京：人民邮电出版社，1993（12） 杨宝清.实用电路手册M北京：机械工业出版社.2002 （13） 陈有卿.报警集成电路和报警器制作实例M人民邮电出版社1996 （14） 肖景和.红外线热释电与超声波遥控电路M人民邮电出版社.20034课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容1. 2015.11.1-2015.11.04资料查找和阅读22015.11.5-2015.11.15电路方案选择，电路设计和计算，电路仿真32015.11.16-2015.11.26材料购买，电路设计和PCB设计42015.11.27-2015.12.07PCB制作，电路元器件安装52015.12.08-2015.12.18作品调试，课程设计设计说明书写作62015.12.25-2015.12.28课程设计作品抽查和报告初稿检查72015.12.29-2015.12.30课程设计作品和报告检查指导教师陈蔚 日期： 2015年10 月 20日目录1、题目72、内容摘要73、目的74、设计任务与内容:75、电路原理方案框图86、单元电路的设计86.1 时钟脉冲86.1.1 元器件555的引脚封装及其功能86.1.2 555的参数计算106.1.3时钟脉冲模块的电路设计及电路图106.2 计数器116.2.1 74LS160的引脚封装及其功能116.2.2 计数器模块的电路设计及电路图126.3 译码器146.3.1 74LS48的引脚封装及其功能146.3.2 译码器模块的电路设计及电路图166.4 显示器186.5 开关216.5.1 基本RS触发器电路及其功能216.5.2 开关逻辑门芯片226.5.3开关模块的电路设计及电路图237、总电路237.1 总电路原理图237.2 电路工作原理267.3 总电路仿真图267.4 实物图288、组装与调试298.1调试过程中用到的主要仪表仪器298.2 组装与调试的方法与技巧298.3 组装与调试过程中的问题及解决方案309、心得体会30参考文献31附录：元器件清单321、题目 电子秒表计时器2、内容摘要关键词：秒表 时钟脉冲 计数器 译码器 本次课程设计主要是设计一个具有60S计时功能的计时器，并且可通过开关操作实现启动、暂停和清零功能。通过时钟脉冲控制计时器的计时周期，然后通过译码器将计数值通过数码管显示，再加上开关的控制实现设计功能。本次设计主要完成具备基本功能的电子秒表的设计，并且该设计中计时器为1ms递增计时，计时间隔为1ms，计时十分精准。在生活中，电子秒表是重要的记时工具,广泛运用于各行各业中。作为一种测量工具，电子秒表相对其它一般的记时工具具有便捷、准确、可比性高等优点，不仅可以提高精确度，而且可以大大减轻操作人员的负担，降低错误率。3、目的学习电子技术基本理论在实践综合运用中的使用，掌握电子电路设计的一般方法、设计步骤，并应用这些方法进行一个实际的电子电路系统设计。培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。4、设计任务与内容:设计一个电子秒表计时器，其设计内容如下：1）电路具有60s计时功能;2）设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能;3）计时器为1ms递增计时，计时间隔为1ms。5、电路原理方案框图显示器译码器计数器时钟脉冲开关 图1 原理方案框图原理说明：按下启动按钮，时钟脉冲输出频率为1000HZ的方波脉冲，传入计数器（最高位是六进制，其余为十进制），计数器将方波脉冲转化成二进制信号输出，二进制信号传入译码器，译码器再将传入的二进制代码转化成与代码相对应的十进制数，译码器输出的相对应的信号能驱动显示器发光，将译码器中的十进制显示出来。6、单元电路的设计6.1 时钟脉冲本次实验在电路中采用555定时器构成的多谐振荡器作为振荡源，用来产生1000HZ的脉冲信号。555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。这些都是我们数电中刚学过的知识。6.1.1 元器件555的引脚封装及其功能 555集成电路的内部结构如下图1所示，引脚封装如图2所示。 图2 555的内部电路结构 图3 555的引脚封装555的引脚功能：Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。表1 555的功能表6.1.2 555的参数计算555定时器的频率和占空比尤其外部所接的电阻和电容共同决定，因此只要选择好电容和电阻的参数就能够产生所需频率的脉冲。频率：f=1.43/(R1+R2)C=1000Hz，产生1000Hz频率 占空比：q=R1/(R1+R2)=2/3 本电路中，选取了C=Cf=10nF=0.01uF，然后算出电阻，R1=28K，R2=57K。6.1.3时钟脉冲模块的电路设计及电路图 图4 555的电路仿真图 图5 555的仿真波形图 6 555的电路电路图 如图5所示，本次课程设计中555产生1ms的方波脉冲，该脉冲将通过开关逻辑门电路后输入计数器，实现以毫秒计数的功能。6.2 计数器计数器是用来累计时钟脉冲个数的时序逻辑部件，它是数字系统中用途最广泛的基本部件之一，几乎在各种数字系统中都有计数器。它不仅可以计数，还可以对时钟脉冲分频，以及构成时间分配器或时钟发生器，对数字系统进行定时、程序控制操作外，还能用它执行数字运算。本次课程设计中，选取了74LS160作为计数器。74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。使用74LS160通过置零法或置数法可以实现0-9任意进制的计数器。6.2.1 74LS160的引脚封装及其功能 本设计中采用74LS160作为计数器，计数器部分采用5片74ls160并行的方式构成。74ls160是十进制的计数器，具有置数、清零的功能。EP、ET是使能端，为高电平有效。将低位的输出信号接至高位的使能端，将最高位芯片通过与非门产生进位清零信号，其功能表和管脚图如下：表2 74LS160的引脚排列及功能介绍表3 74LS160的真值表 74LS160的基本功能：异步清零：当DR0时，Q 0Q1Q2Q30。同步预置：当LD0时，在时钟脉冲CP上升沿作用下，Q 0D0，Q1D1，Q2D2，Q3D3。锁存：当使能端EP、ET为0时，计数器禁止计数，为锁存状态。计数：当使能端EPET1时，为计数状态。6.2.2 计数器模块的电路设计及电路图本次设计共用了5块74LS160来进行计数。最高位为六进制，其余为十进制。计数器模块图如下图所示：图7 74LS160的电路图由图7可以看出，由于74LS160芯片是十进制芯片，所以低四位计数器在输出QDQCQBQA=1010时，芯片会自动清零，且（15引脚RCO）产生进位输出到下一个74LS160的时钟脉冲输入端（2号引脚CLK），即实现了低四位十进制的计数。而最高位则在QDQCQBQA=0110时，QC、QB分别将“1”信号传入与非门（74LS00）中后，输出低电平“0”，触发74LS160的清零端清零；从而实现了最高位的六进制计数，最高位15引脚RCO不产生进位输出，不用连接。6.3 译码器8421BCD码译码器：这种译码器的输入端子有四个，分别输入四位8421BCD二进制代码的各位，输入端子有10个。每当输入一组一组8421BCD码时，输出端子有10个端子中对应于该二进制数所表示的十进制数的段子就输出高低电平，而其它端子保持原来的高低电平。本次设计里选用了74LS48译码器。74ls48是控制七段显示器显示的集成译码电路之一，A、B、C、D为BCD 码输入端，A为最高位，ag为输入端，分别接入七段显示器的ag输入端，高电平触发显示，可驱动共阴极发光二极管组成的七段显示器显示。其它端为使能端。6.3.1 74LS48的引脚封装及其功能74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（ag）端外，74LS48还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。 由74LS48真值表可获知74LS48所具有的逻辑功能： （1）7段译码功能（LT=1，RBI=1） 在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平。 （2） 消隐功能（BI=0） 此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。 （3） 灯测试功能（LT = 0） 此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。 （4） 动态灭零功能（LT=1，RBI=1） 此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零.下列为74LS48的引脚封装图其功能表：图8 74LS48的引脚封装图表4 74LS48的功能表6.3.2 译码器模块的电路设计及电路图本次设计共用了5块74LS48来进行计数。译码器模块电路图如下图所示：图9 74LS48与74LS160的电路连接图因设计需要，同理与计数器，本电路用了5片译码器。其中3、4、5、16引脚均接入高电平，7引脚GND接地，输入端为AD，A为最高位，分别接计数器74LS160的QAQD引脚，输出端ag将接入显示器数码管的相对应的引脚。6.4 显示器 74LS48可控制七段数码显示器显示的集成电路之一，它的输出信号能驱动七段显示器发光发光二极管，即LED是由半导体材料制成的PN结，在正向偏置 时会发光，具有工作电压低、体积小、寿命长、响应快等优点。常用的颜色有红、绿、黄。发光二极管的正向压降为2.2V2.6V，工作电流为510mA，其发光亮度基本与工作电流成正比。发光二极管可以单个的形式使用，也可将几个发光二极管封装在一起，根据封装的形状有七段数码显示器、米字型显示器和点阵式显示器等不同的形式。当发光二极管导通时，点亮相应的笔划或点。控制这些发光二极管的亮与暗，即可显示不同的字符或符号。 多个发光二极管封装在一起的七段数码显示器按其连接形式可分为共阳显示器和共阴显示器。共阳显示器的阳极连接在一起，此时对阳极提供一正电压，通过限流电阻控制其阴极为高电平或是低电平来决定其暗或是亮。共阴显示器的阴极连在一起，此时可将阴极接地，通过限流电阻控制其阳极为高电平或是低电平来决定其亮或是暗。由于74LS48是可驱动共阴极发光二极管组成的七段显示器显示，所以根据需要，这里选用共阴极发光二极管组数码管。下图为共阴极数码管的封装图及其仿真元件图。 图10 数码管的引脚封装 图11 数码管的仿真元件图本次实验需要用5个数码管，其中以秒为单位的数码管的H脚接高电平，即显示小数点，其余4位接低电平，不显示小数点。引脚CK为接地。引脚AG分别接入译码器74LS48相应的输出ag。下图是译码器和数码管的电路图：图12 译码器和数码管的电路图6.5 开关由任务书可知，本次设计中的开关需要实现控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能。根据需要选取了基本RS触发器，基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作。清零工作则由开关接入高电平与计数器的1号CLR清零引脚来实现功能。6.5.1 基本RS触发器电路及其功能基本RS触发器由两个“与非”门构成的基本R-S触发器。RD、SD是两个输入端，Q及y是两个输出端。正常工作时，触发器的Q和y应保持相反，因而触发器具有两个稳定状态： 1）Q=1，y=0。通常将Q端作为触发器的状态。若Q端处于高电平，就说触发器是1状态； 2） Q=0，y=1。Q端处于低电平，就说触发器是0状态；Q端称为触发器的原端或1端，y端称为触发器的非端或0端。3） 其电路图如下：图13 基本RS触发器电路图R-S触发器的逻辑功能，可以用输入、输出之间的逻辑关系构成一个真值表如下：表5 基本RS触发器的真值表当Sd=0、Rd=1时，不管触发器原来出于什么状态，其次态一定为1，即Qn+1=1，故触发器处于置1状态（位置状态）。 当Sd=1、Rd=0时，不管触发器原来出于什么状态，其次态一定为0，即Qn+1=0，故触发器处于置0状态（复位状态）。 当Sd=Rd=1时，触发器状态保持不变，即Qn+1=Qn。 当Sd=Rd=0时，触发器两个输出端Q和Q不互补，破坏了触发器的正常工作， 使触发器失效。当输入条件同时消失时，触发器状态不定，即Qn+1=。这种情况在触发器工作时不允许出现。因此，使用这种触发器时，禁止Sd=Rd=0的输入状态出现。6.5.2 开关逻辑门芯片基本RS触发器中需要用到两个与非逻辑门。本次设计中选取了四组2输入端与非门芯片74LS01。下图为74LS01的引脚封装及其内部结构：图14 74LS01引脚及内部结构表6.5.3开关模块的电路设计及电路图 与非门芯片对工作电压、电流敏感，所以不能直接接入高电平，所以设计开关电路的时候加用了电阻。仿真图如下图所示：图15 开关模块的电路图7、总电路7.1 总电路原理图 该设计是用Altium Designer软件画的总电路原理图（SHB）以及PCB图。如下所示：图 16 总电路原理图图 17 总电路PCB图7.2 电路工作原理电路由555输出1ms的时钟脉冲，经过RS基本触发器的开关控制电路，当开关A、B均打开时，时钟脉冲输出到计数器最低位74LS161的2号CLK引脚。计数器开始计数工作，74LS160的输入端AD接低电平，即计数器从0开始计时，当74LS160计数到9，会进位输出到下一位的时钟输入，即其15号引脚RCO接入下一位74LS160的时钟输入CLK端；74LS160的输出端QAQD连接在相应的译码器74LS48的输入端AD，译码器74LS48开始译码工作，74LS48的输出端ag，分别接入共阴极数码管的输入端ag，驱动数码管显示19数值。该计时器的最高位为六进制，则计数最高达到59.999s。电路的清零信号是由开关接在高电平与各计数器的CLR清零端控制的。如上图所示，开关A实现清零功能，开关B实现启动与暂停功能。7.3 总电路仿真图 这次课程设计的仿真软件选用的是Multisim，仿真的总电路图如下所示： 图18 总电路仿真图7.4 实物图图 19 总电路实物图之清零状态图 20 总电路实物图之暂停状态图 21 总电路实物图之计时最大值59.999S8、组装与调试8.1调试过程中用到的主要仪表仪器 这次课程设计做实物的过程用到的仪器仪表如下：万用表、函数信号发生器、示波器、电源。8.2 组装与调试的方法与技巧（1） 按电子秒表设计总电路图16搭接好设计电路； （2） 用示波器观察555第3管脚输出的矩形脉冲，调电路中的电阻电容使555输出脉冲为50Hz； （3） 先将最低位的电路链接好，查看电路是否能实现1至9的计数功能；再焊接下一位，测试电路是否能实现进位操作； （4） 焊接好所有电路，查看电路是否能实现0s到59,999s的计时功能；（5） 测试开关A、B是否能实现清零、启动和暂停功能；8.3 组装与调试