数字跑表设计

学学 号 号 课课 程程 设设 计计 题题 目目数字跑表设计 学学 院院自动化学院 专专 业业 班班 级级 姓姓 名名 指导教师指导教师 年月日 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 题题 目目 数字跑表设计数字跑表设计 初始条件 初始条件 1 运用所学的模拟电路和数字电路等知识 2 用到的元件 实验板 电源 连接导线 74 系列芯片 555 芯片或微处理器等 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具体要 求 1 设计一个具有 分 秒 1 100 秒 的十进制数字显示的计时器 2 要有外部开关 控制计数器的直接清零 启动和暂停 连续计时功能 3 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书 时间安排 时间安排 第 1 天 下达课程设计任务书 根据任务书查找资料 第 2 4 天 进行方案论证 软件模拟仿真并确定设计方案 第 5 天 提交电路图 经审查后领取元器件 第 6 8 天 组装电路并调试 检查错误并提出问题 第 9 11 天 结果分析整理 撰写课程设计报告 验收调试结果 第 12 14 天 补充完成课程设计报告和答辩 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 目 录 引言 1 1 设计意义及要求 2 1 1 设计意义 2 1 2 设计要求 2 2 方案设计 3 2 1 设计思路 3 2 2 方案设计 4 2 2 1 设计方案一 个人方案 电路图 4 2 2 2 设计方案二 小组方案 电路图 简单说明 5 2 3 方案比较 6 3 部分电路设计 7 3 1 计数单元 7 3 2 开始和暂停单元 11 3 3 清零功能单元 12 3 4 脉冲输出电路 14 3 5 译码及显示电路 15 4 调试与检测 18 4 1 调试中故障及解决办法 18 4 2 调试与运行结果 18 5 仿真操作步骤及使用说明 19 结束语 20 参考文献 21 附录 1 22 附录 2 23 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 本科生课程设计成绩评定表 24 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 1 页 引言 过去的三个世纪 我们经历了第一次工业革命 人类开始进入蒸气时代 第二次工业革 命 人类开始进入电气时代并在信息革命资讯革命中达到顶峰 现在正处于第三次工业革 命 如今 电子技术获得了飞速的发展 各个领域都可以看见它的身影 汽车 数码摄 影机 电子计算机 空调等都是电子科技的典型应用 现代电子产品几乎渗透了社会的 各个领域 有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高 同时也使现代电 子产品性能进一步提高 产品更新换代的节奏也越来越快 数字跑表作为一个简易的数字集成电路的应用 在很多地方起到非常重要的作用 例如 我们上体育用的停表 实验用的电子停表以及我们自己用电子表就是它的应用的 典型例子 数字跑表使用简单 携带方便 广泛应用与各个领域中 数字跑表具有计时功能 本设计的数字跑表有启动 停止 复位的功能 可以精确 到 0 01 秒 在一定条件下能做到符合要求的准时计时 关键词关键词 计数器 门电路 数字跑表 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 2 页 1 设计意义及要求 1 1 设计意义 通过对本次数字跑表课程设计 我们自己设计 自己分析 自己动手 可以更加深 入学习各种电子元件的原理与使用方法 加深对已经学的模拟电子技术和数字电子技术 方面的理解和初步应用 并将之运用到实践中去 加深自己的理解 为以后的学习和工 作打下一个坚实的基础 掌握用各种进制计数器设计所需进制计数器的转换 译码器和数码管的使用 门电 路的控制作用以及用 555 定时器产生时序脉冲等 各种电路的组合需要经过精密的计算 和思考 整合各个功能电路 使之能达到数字跑表的基本要求 在课程设计中 我们用 到了很多的芯片 这对我们熟悉各种芯片的功能用途很有帮助 可以阔宽我们的视野 发散我们的设计 分析与理解思维 同时可以让我们明白同一个问题可以有多种解决的 方法 通过对不同方法的比较 学会选择最优解 数字跑表是采用数字电路实现对分 秒数字显示的计时装置 是人们日常生活中不可 少的必需品 数字化给人们生产生活带来了极大的方便 我们所做的数字跑表设计只是其 中最基础的电路设计 总之 此次设计对我们的作用非常大 可以提高自己的个项及综合能力 并将理论 与实践相结合 认识到理论与实际的差距 并能分析其中的误差 使自己能更好的运用 自己所学和没有学的 完成其他功能更多 更加复杂 完善的电子产品设与制作 现在 的设计是简单的 基础的 将来我们会遇到更多复杂的问题 不管如何 我相信 这次 的设计对我们的将来很有用处 会是一笔无价的财富 1 2 设计要求 设计一个数字跑表 1 量程在 00 分 00 00 秒 59 分 59 99 秒即时间以 1 小时为一个周期 2 具有 分 秒 1 100 秒 的十进制数字显示 3 要有外部开关 控制计数器的直接清零 启动和暂停 连续计时功能 4 用 7 位数码管显示分 秒 5 画出部分和整体的电路图 以及元器件及参数选择 6 给出仿真分析结果 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 3 页 2 方案设计 2 1 设计思路 1 利用 555 计时器构成能产生特定脉冲的多谢振荡器 产生 100Hz 的脉冲信号 满 足数字跑表的脉冲需求 2 用多功能计数器产生一百进制和六十进制 实现数字跑表的计数功能 3 利用各种门电路的组合 实现数字跑表的启动 暂停和清零 4 利用译码器和数码管实现译码及显示功能 系统框图如图 2 1 图 2 1 系统框图 设计方框图如下 2 2 图 2 2 数字跑表设计原理图 555 多谐振 荡器产生 时序脉冲 计 数 器 译 码 器 数码管显 示电路 逻辑门电路 逻辑门电路 开始 暂停 启动 清零 显示显示显示显示显示显示 译码器译码器译码器译码器译码器译码器 六十进制计数器六十进制计数器一百进制计数器 555 多谐振荡器 开始 暂停控制 启动 清零控制 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 4 页 2 2 方案设计 2 2 1 设计方案一 个人方案 电路图 图 2 3 方案一电路图 如图 2 3 所示 该电路由时序脉冲源 计数器 译码器 数码管及逻辑控制电路组 成 数字跑表的核心部件是计数器 给出合理的时钟脉冲从而实现最低位的计数以及对 高位的进位 时序脉冲源由 555 定时器构成的多谐振荡器 设置特定的参数可以产生频 率为 100Hz 的时序脉冲 为计数器提供时序脉冲 使之进行计数 计数器由 3 对 74LS390 双十计数器芯片组成 通过芯片间的连接实现百分秒 秒 分计时电路 量程在 00 分 00 00 秒 59 分 59 99 秒 把小数点后面的两位设计成一百进制的计数器 秒数和分钟 数分别设计成 60 进制的计数器数 计数器输出连接译码器 译码器再连接 7 位数码管显 示的数码管 从左到右分别为分十位 分个位 秒十位 秒个位 百分秒十位 百分秒 个位 逻辑门控制构成 RS 触发器 通过实现电路的通断控制计数器的启动 暂停及清零 接通电源后 直接显示计时器启动 SW1 处于低点平 SW2 处于高电平 开关 SW2 接 高电平 上端 电路即开始计时 将开关 SW2 接低电平 下端 电路就暂停计时 清 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 5 页 零开关 SW1 接高电平 下端 计时清零且停止 显示器显示 0 这样就实现了数字跑 表的各项基本功能 2 2 2 设计方案二 小组方案 电路图 简单说明 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 6 页 图 2 4 方案二电路图 如图 2 4 所示 电路的计数原理与方案一有些许区别 使用 74LS90 作为计数器 时 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 7 页 钟脉冲从而实现最低位的计数以及对高位的进位 把小数点后面的两位设计成一百进制 的计数器 秒数和分钟数分别设计成六十进制的计数器数 用 555 构成多协振荡器 逻 辑门电路构成控制器 译码器 数码管构成显示部分 开始 暂停部分开关断开 显示计 数器启动 计数未开始 闭合则计时器开始计时 控制清零部分由点触开关接高电平 使得所有计数器清零端接高电平 可实现清零功能 2 3 方案比较 通过对比方案一和方案二可以看出 方案一的脉冲输出电路是直接由 555 定时器产生 频率为 100Hz 的时序脉冲 为计数器提供时序脉冲 使之进行计数 而方案二则比方案 一更为精确 由 555 定时器产生频率为 10000Hz 的时序脉冲 再经过 2 片 74LS90 进行 100 分频 产生频率为 100Hz 的时序脉冲 同时可以看到 方案二中开关中的清零部分使 用的点触式开关 更接近于真实的秒表 方案一的优点在于最终结果显示一目了然 各 控制部分排布合理 但精确度较差 方案二优点是精确度强 但较为繁琐 实际器材略 微不够 考虑到实际情形 我认为方案二更精确 也更科学 比较具有实际意义 因此 选择方案二作为小组方案 更加合理 3 部分电路设计 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 8 页 3 1 计数单元 电路采用 3 对 74LS390 芯片构成数字跑表的主体计时部分 74LS390 为双四位十进制 计数器 74LS390 引脚图如图 3 1 图 3 1 74LS390 集成计数器引脚图 74L390 功能表如表 3 1 所示 表 3 1 74LS390 功能表 输出计数 QDQCQBQA 0LLLL 1LLLH 2LLHL 3LLHH 4LHLL 5LHLH 6LHHL 7LHHH 8HLLL 9HLLH H 高电平 L 低电平 说明 电路有八个主从触发器和附加门 以构成两个独立的4位计数器 可以实现等 于2分频 5分频乃至100分频的任何累加倍数的周期长度 当连成二 五进制计数器时 可以用独立的2分频电路在最后输出级形成对称波形 矩形波 每个计数器又有一个清 除输入和一个时钟输入 由于每个计数级都有并行输出 所以系统定时信号可以获得输 入计数频率的任何因子 计数器部分由 3 对 74LS390 组成 构成了数字跑表的以下 3 个部分 Vcc 2CKA 2CLR 2QA 2CKB 2QB 2QC 2QD 1CKA 1CLR 2QA 1CKB 1QB 1QC 1QD GND 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 9 页 1 百分秒 电路如图 3 2 所示 图 3 2 百分秒电路图 如图 3 2 所示 电路是利用 74LS390 芯片构成的一百进制计数器 U9 A 和 U9 B 均将 Q0 接 CKB MR 接在一起经过门电路经清零开关接地 分别进行十进制计数 而 U9 B 中的 Q3 接 U9 A 的 CKA 当 U9 B 中计数从 9 到变为 0 时 从二进制数 1001 变成 0000 Q3 从 1 变 0 产生下降沿脉冲 使 U9 A 开始计数 从而就构成了一百进制 计数器 2 秒 电路图如图 3 3 所示 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 10 页 图 3 3 秒电路图 如图 3 3 所示 U8 A 和 U8 B 的 CKB 端接法同 U9 U8 B 的 CKA 接 U9 A 的 Q3 U8 B 的接法与 U9 A 完全相同 原理也类似 U8 A 的 CKA 端接 U8 B 的 Q3 U8 A 的 Q1 和 Q2 接到二输入与门 U10 A 上 输出再接到一个二输入或门 U11 A 上 U11 A 的另一个输入端接清零控制电路 输出端接到 U8 A 的 MR 上 U8 B 的 MR 直接接到或非门再接地 3 分 电路与秒电路类似 如图 3 4 所示 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 11 页 图 3 4 分电路图 U7 U9 的输出端分别接译码器 4511 再接 7 端数码管即可完成显示功能 3 2 开始和暂停单元 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 12 页 开始 暂停控制电路图如图 3 5 所示 图 3 5 开始 暂停控制电路图 如图 3 5 所示 开始 暂停部分采用 2 输入或非门 74LS00 芯片 开关接高电平 上 端 时 或非门输入接电源 有或非门的控制作用 将高电平输入 启动计时 开关接 低电平 下端 时 将低电平输入 74LS00 将输出高电平 暂停 74LS00 引脚图如图 3 6 所示 Y AB 图 3 6 74LS00 引脚图 其功能表如表 3 2 所示 表 3 2 74LS00 功能表 3 3 清零功能单元 清零电路如图 3 7 所示 ABY LLH LHH HLH HHL 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 13 页 图 3 7 清零电路图 如图 3 7 所示 清零部分使用二输入或非门和单刀双掷开关 当开关端置低电平时 上 端 计数器正常工作 或门输出为低电平 当清零开关置高电平时 下端 通过或门 输出高电平 连接每个计数器的高点平清零端 强制清零 74LS08 与门芯片引脚图如图 3 8 所示 Y AB 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 14 页 图 3 8 74LS08 引脚图 74LS08 功能表如表 3 3 所示 表 3 3 74LS08 功能表 两输入或门芯片 74LS32 引脚图如图 3 9 所示 Y A B ABY LLL LHL HLL HHH 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 15 页 图 3 9 74LS32 引脚图 74LS32 功能表如表 3 4 所示 表 3 4 74LS32 功能表 3 4 脉冲输出电路 555 多谐振荡器脉冲输出电路如图 3 10 所示 图 3 10 脉冲产生电路图 如图 3 10 所示 采用 555 定时器构成的多谐振荡器产生频率为 100HZ 的时序脉冲 ABY LLL LHH HLH HHH 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 16 页 3 脚为脉冲输出端 其中参数选择为 R1 3K R2 10K C1 1 F C2 1 F 555 定时器的引脚图如图 3 11 所示 1 2 36 54 7 8 555 定时器 R Q TIRG GND CI THR DIS VCC 图 3 11 555 定时器引脚图 两输入与非门芯片 74LS00 引脚图如图 3 12 所示 图 3 1274LS00 引脚图 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 17 页 74LS00 功能表如表 3 5 所示 表 3 5 74LS00 功能表 3 5 译码及显示电路 译码器选择 4 线 7 线译码器即 74HC4511 芯片 数码管选 7 段数码管 7SEG COM ANODE 74HC4511 引脚图如图 3 13 所示 图 3 13 74HC4511 引脚图 74HC4511 功能表如表 3 6 所示 表 3 6 74HC4511 功能表 输 入输 出 LEBILTDCBAabcdefg显示 XX0XXXX11111118 X01XXXX0000000消隐 011000011111100 011000101100001 011001011011012 011001111110013 011010001100114 011010110110115 011011000111116 011011111100007 011100011111118 ABY LLH LHH HLH HHL 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 18 页 011100111100119 01110100000000消隐 01110110000000消隐 01111000000000消隐 01111010000000消隐 01111100000000消隐 0111111000000消隐 111XXXX锁 存锁存 7 段数码器的引脚图如图 3 14 所示 图 3 14 7 段数码管引脚图 8421 BCD 码对应的显示见下图 3 15 图 3 15 8421BCD 码对应显示 此处使用的是共阴极数码管 须将图 3 14 中的 端接地 此部分使用 4 线 7 线译码器的四个输入端分别接计数器的 4 个输出端 再将译码器的 7 个输出端接到数 码管的 7 个输入端 这样就构成了译码及显示电路 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 19 页 图 3 16 译码及显示电路 4 调试与检测 4 1 调试中故障及解决办法 按照小组方案原理图 我们小组在第一次连线失败后 选择了部分电路依次接线 层层检查的方法 经过认真仔细的连线 注意到各芯片之间不要混搭 连线要清晰 待接好线后 我们首先未使用 555 多谐振荡器 而是手动触发产生脉冲信号 显示 器有显示 说明译码器和数码管的连接是正确的 若不显示 则检查译码器和数码管的 连接 然后再将 555 多谐振荡器脉冲输出端接通到计数器的脉冲输入端 接通电源 闭合 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 20 页 开关后观察显示器 有显示 说明 555 多谐振荡器正常 期间 我们组调节了 555 多谐 振荡器各连接元件数值 保证其产生 100HZ 脉冲信号 控制电路存在开始 暂停开关和启动 清零开关 在计数过程中使用各开关 观察显 示器 看是否实现各功能 若不能实现 则检查各个逻辑门电路线路连接是否正确 直 到正确实现功能为止 4 2 调试与运行结果 待检查线路连接正确无误后 接通电源 合上开关 启动计时功能 通过观察显示器 可以看到 电路实现了数字跑表的计时功能 且各开关也具有开始 暂停和启动 清零功 能 各功能都正常 说明数字跑表设计成功 5 仿真操作步骤及使用说明 一 各部件说明 1 开关 SW1 为启动 清零端 开关 SW2 为开始 暂停端 开关为人为控制 2 电平显示从左到右分别为分十位 分个位 秒十位 秒个位 百分秒十位 百分 秒十位 二 操作说明 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 21 页 1 开始时 SW1 置高电平 下端 开关 SW2 置高电平 上端 此时六个显示器都处 于 00 00 00 状态 表示跑表已启动 计时未开始 2 把 SW1 置低电平 上端 即开始计时 3 SW2 置低电平 下端 表示暂停 SW2 置高电平 上端 即可实现继续计时 4 任何时候 SW1 置高电平 下端 就可以实现清零功能 清零同时跑表停止 若要 重新计时则将 SW1 置低电平 上端 5 当计时到 59 分 59 秒 99 微妙时 在下一个时序脉冲到来后显示器显示 00 00 00 完成一个计时循环 并且系统自动跳到下一个计时循环 开关 SW1开关 SW2电平显示器状态 高 下 低 下 全零跑表未启动 低 上 低 下 全零跑表启动 未计时 低 上 高 上 跑表跳动开始计时 低 上 低 下 某一数字暂停 高 下 全零清零 备注 表格中 SW1 置低电平 SW2 置低电平的两种状态表示跑表刚启动 电平显示为全零的状态与计时后暂停时电平显示为某一数字的状态 结束语 这次的课程设计为时两周 分为小组方案和个人方案两部分 既锻炼了我们自己独 立思考的能力又加强了我们的团队协作意识 使我受益匪浅 此次课程设计 在设计过 程中遇到了一些问题 虽然在电脑上仿真通过了 但是实际接线调试时却出现了很多问 题 由于电路接线很复杂 这对查找错误提供了很大的障碍 但经过一次又一次的思考 一遍又一遍的检查终于找出了原因所在 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验 武汉理工大学 电工电子综合课程设计 说明书 第 22 页 不足 不过最终经过小组探讨与最后电路整改 终于成功完成实际的电路组装 通过这次数字跑表设计 本人在多方面都有所提高 通过这次设计提高了我综合运 用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行实际的电路制作的能力 巩固与扩充了数 电课程所学的内容 掌握了关于跑表的原理与设计理念 让我对各种电路都有了大概的 了解 也让我对所学的知识有所加深 并且有了一次新的认识 同时各科相关的课程都 有了全面的复习 独立思考的能力也有了提高 另外 此次设计后我对各种芯片的认识和理解更加熟练 而且对于查找相关知识的 方法也掌握了不少 增强了我的实践动手能力 使我深刻地认识到仅仅学习课本上的知 识是远远不够的 必须要多多动手 多多实践 才能真正理解并掌握所学的知识 达到 学以致用的目的 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练 是我们迈向社会 从事职业工 作前一个必不少的过程 千里之行始于足下 通过这次课程设计 我深深体会到这句 千古名言的真正含义 我今天认真的进行课程设计 学会脚踏实地迈开这一步 就是为 明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础 参考文献 1 祁存荣 陈伟 电子技术基础实验 数字部分 武汉理工大学教材中心 2 康华光 电子技术基础 数字部分 第五版 高等教育出版 2006 1 3 朱宝华主编 电子测试