数字电子秒表的设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

摘要本次设计的数字电子秒表以555定时器为核心，由多谐振荡电路，计数译码显示电路，控制电路三大主要模块构成。由NE555定时器组成的多谐振荡电路通过控制阻值产生10Hz，1Hz的脉冲，输入由74LS192芯片组成的计数电路。74LS48组成的译码电路在数码管FJS5101显示器上输出,以上部分组成计数译码显示电路；通过控制电路实现复位，置数功能，灵活启动停止,电路是采用外接电源来实现的。在此次设计过程中主要是先分析设计要求，根据提出的设计要求选取合适的芯片，再用multisim10画出电路图，进行仿真。最终完成数字电子秒表的工作。关键词NE555定时器；计数器；控制电路I目录摘要.1第1章绪论.2第2章方案选择与实施.32.1方案的提出.32.2方案的比较及选择.4第3章单元电路设计.53.1控制电路.53.2脉冲产生电路.63.3计数译码显示单元.93.3.1计数器电路.93.3.2译码显示电路.11第4章整机电路及工作原理.15第5章电路仿真与调试.165.1仿真与调试方法.165.2仿真结果.165.2.199s-00s秒表减数计数.165.2.200s-99s秒表加法计数.175.2.39.9s-0.0s秒表减法计数.175.2.40.0s-9.9s秒表加法计数.19总结.20参考文献.21附录1整机原理图.22附录2仿真电路.23附录3元件明细表.24第0页共24页第1章绪论随着社会的进步，电子技术的飞速发展，数字模拟电子技术、微电子技术也快速发展使得大量集成芯片出现，其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、仪器仪表、工业控制单元以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。同时可以实现很多功能代替原来的模拟电路。这样利用集成芯片和电子电路就可以很方便的进行设计，其中现在最典型、应用也很多的就是电子产品的设计。电子秒表已为人们生活中必不可少的一种电子产品，尤其是在现在这个讲究效率的年代，电子秒表更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。在很多实际生活中，电子秒表不单是简单的计数，更多的是运用到控制系统中。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等自动化的精确控制中。因此，研究电子秒表及扩大其应用，有着非常现实的意义。电子秒表的设计方法有很多种，例如可以用专用的芯片配以显示电路及所需要的外围电路组成电子秒表；也可以用中小规模的集成电路组成电子秒表；还可以利用单片机来制作电子秒表。这些方法各有特点，其中利用555芯片设计的电子秒表电路的具有稳定度好，精度高，电路结构简单，元件芯片市场较易购买等特点。此次设计选用了555芯片设计的实用数字电子秒表。第1页共24页第2章方案选择与实施2.1方案的提出方案一：框图如图2-1所示。图2-1方案一系统方框图方案二：框图如图2-2所示。图2-2方案二系统方框图方案一是由555定时器组成的多谐振荡器，通过开关控制，形成两条路线，即其第2页共24页中一条可产生10Hz脉冲，另一条产生1Hz脉冲，把脉冲送到计数器，通过计数器计数，再送入译码器经行译码，最后送入数码管由数码管显示。在数码管的控制小数点的管脚处加一个开关，当产生时钟脉冲电路产生1Hz脉冲时，开关断开，不显示小数点。当时钟脉冲产生10Hz脉冲时，闭合开关，此时显示小数点，最后实现计数功能。方案二是由555定时器组成的多谐振荡电路产生时钟脉冲，但脉冲的频率已确定为10Hz,再把脉冲送到计数器和译码器进行计数译码，最后由数码管显示。2.2方案的比较及选择1.相同点（1）都能实现该数字电子秒表的功能。（2）都主要由时钟脉冲电路、计数译码显示电路、控制电路三大模块构成。（3）都通过开关实现复位、清零。2.不同点（1）方案一用计数，译码，显示各二片芯片；方案二这三种芯片各用了三片。（2）方案一时钟脉冲通过开关控制可产生10Hz脉冲也可产生1Hz的脉冲；方案二只可产生10Hz脉冲。（3）方案一在小数点管脚处接一个开关，用开关控制小数点的显示与不显示。3.方案选择：经过多方面的分析与论证，同时考虑到电路的复杂性，最终选择了方案一。此方案在实现此次数字电子秒表的基础上，还具有线路简单，避免繁琐，并解决了易出错的难题。第3页共24页第3章单元电路设计3.1控制电路1.开关S0控制加减计数，如图3-1所示。图3-1计数开关当开关1、4闭合，2、3断开时，实现加计数功能；当开关2、3闭合，1、4断开，实现减计数功能。2.开关S1控制置数、清零，如图3-2所示。图3-2置数清零开关S1当开关1断开3闭合时，实现置数功能。当3断开时，实现计数器清零复位功能。第4页共24页3.开关S2控制产生不同频率脉冲的信号，电路如图3-3所示。图3-3脉冲产生开关S2当开关1断开，3闭合产生1Hz脉冲。开关1闭合，3断开产生10Hz脉冲。4.开关S3控制显示小数点，如图3-4所示。图3-4小数点开关S3当开关1闭合，实现小数点显示。此时可以进行0.0s-9.9s的加、减计数。当开关、1断开时，实现小数点隐藏。此时可以进行00-99s的加、减计数。3.2脉冲产生电路1.由555定时器构成的脉冲发生器本设计采用555定时器构成的多谐振荡器产生所需要的时钟脉冲信号。电路如同第5页共24页3-5所示。图3-5时钟脉冲发生器2.NE555时基集成电路555并不是一种通用型的集成电路，但是它却可以组成上百种实用电路，可谓变化无穷，深受人们欢迎。555时基电路具有以下几个特点：（1）555时基电路是一种将模拟电路和数字电路巧妙结合在一起的电路。（2）其电路可采用4.5-15V的单独电路，也可以和其他的运算放大器和TTL电路共用电源。（3）单独的555时基电路，可以提供将近15分钟的较准确的定时时间。（4）具有一定的输出功率，最大输出电流达200mA，也可以直接驱动继电器，小电动机，指示灯及喇叭。因此，555定时器可构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器等。3.NE555工作原理及组成555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡第6页共24页器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面，其管脚排列如图3-6所示。图3-6555定时器引脚排列555定时器原理图如图3-7所示。定时器内部由比较器、分压电路、触发器及RS放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给和提供参考电平1A232和。和的输出端控制触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自Vc311A2RS6脚输入大于时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号Vc自2脚输入并低于时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。1图3-7555定时器内部框图图3-8波形图4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则；正常工作时4脚接为高电平。0V5脚为控制端，平时输入作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，32c第7页共24页即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通第8页共24页常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。其工作波形如图3-8所示。综上，可知功能表如下表3-1所示：表3-1555功能表RESTTHRTRIOUT状态D0XX0导通132Vc31Vc0导通132c31c1截止1VV1截止注释：6脚为THR,触发器输入端，低电平有效。2脚为TRI,阀值输入端，高电平有效。4脚为REST，总复位端，低电平有效。7脚位DIS，放电端。5脚位CON，控制端。1脚接地，8脚接电源。3脚位输出端，TD为内部三极管。3.3计数译码显示单元两片十进制加减计数器74LS192，两片74LS48译码器和两片FJS5101AH数码管共同构成构成数字电子秒表的计数译码单元。第一个74LS192计数器接入脉冲，在输出端QD取得矩形脉冲，作为第二个计数器的时钟输入。计数器接成8421码十进制形式，其输出端与实验装置上74LS48译码器的相应输入端连接，译码器的输出端再与数码管相连，共同构成计数译码显示单元。3.3.1计数器电路由两片74LS192连接构成计数电路。其连接电路图如图3-9所示。第9页共24页图3-9计数电路1.芯片74LS192引脚图74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图3-10所示。图3-1074LS192引脚图图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出PLUCPDCPUTC端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，DTCQ0、Q1、Q2、Q3为数据端。2.芯片74LS192功能图通过不同的连接方式，74LS192可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助MR对计数器清零，将计数器置数，、实现加减。TCD用于同步借位输出，即PLDCPU倒计时输出，TCU用于同步进位输出。74LS192芯片的具体功能如表3-2所示：第10页共24页表3-274LS192真值表输入输出清零MR置数PLCPDCPUPDPCPBPAQDQCQBQA功能1XXX00000000清零00XXdcbadcba置数011xxxxxxxx加法011xxxxxxxx减法3.3.2译码显示电路译码器74LS48和数码管相连，构成的计数译码显示电路如图3-11所示。f9ge2K345678Spylu-I/ROTVGN图3-11数码管与译码管连接图1.显示译码器74LS48简介（1）74LS48引脚图图3-1274LS48引脚图（2）74LS48引脚功能表第11页共24页74LS48芯片中为译码器的输入端,为输出端,/为灭灯输入/DCBA,gaBIRO灭零输出端，为灭零输入端,为试灯输入端，它们是为了便于使用而设置的控RILT制信号，管脚排列如图3-12所示。只要灭灯输入信号（/）和试灯输入信号（I）为高电平（/也可悬空，下同），就可对输入为十进制数115的二进制LTIO码（00011111）进行译码。如果、和/均为高电平，则译码器对输LTRBIO入十进制数0的二进制码（0000）进行译码。当灭灯输入（)直接接低电平时，不管BI其他各输入端为何状态，各段输出ag均为低电平，数码管所有发光段均熄灭。当灭零输入（）和输入端为低电平，而灯测试输入（）为高电平时，所有RBIDCA,LT各段输出ag均为低电平，使数码管全灭，不显示0字形，同时灭零输出（）变RBO为低电平（响应条件），用以指示译码器正处于灭零状态。当灯测试输入（）加入低电平，并且/端为开路或保持高电平时，所有各段输出均为高电平，数IOga码管显示数字“8”。利用这一功能可用来检查74LS48和数码管七个发光段的好坏。其功能表如表3-3所示。表3-374LS48功能表输入输出十进制或功能LTRBIABCD/IRBOabcdefg011000011111110110001101100002100101110110131001111111001410100101100115101011101101161011010011111710111111100008110001111111191100111110011101101010001101111101110011001121110010100011131110111001011第12页共24页14111101000111115111110000000灭灯BI00000000灭零R10000000000000试灯LT0111111112.七段数码管简介（1）七段显示数码管引脚图3-13数码管引脚图7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。如图3-13是共阴数码管。如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把这7个发光二abcdefg极管的负极连接在一起并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上（也是）！此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段为高电abcdefg平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。本设计采用与共阴极数码管与74LS48相匹配。（2）真值表FJS5101AH由七条线段围成8型，每一段包括一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段的亮灭，就可以显示各种字形或字符号。比如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示4，即要求同时点亮段，gfcb,熄灭段，故数码管输入应为ab=0110011。具体工作如表3-4所示。eda,第13页共24页表3-4七段译码器真值表输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐0111111000000消隐111XXXX锁存锁存按照数码管真值表的电平输入，就可以得到所要显示的数值。第14页共24页第4章整机电路及工作原理已知数字电子秒表的整机电路原理图如附录一所示。其工作原理如下：当电路接通时，键盘开关S1中开关1为置数端，开关3为清0端。首先闭合键盘开关S1的3开关，断开1开关，再闭合S0键盘开关中的1、4开关，断开2、3开关。在S2中闭合1开关断开3开关，555定时器构成的多谐振荡器开始工作由R12、R13、RW、C455决定了它的3脚输出为秒脉冲，数码管开始加0099s的加法计数，且同秒表同步。先闭合键盘开关S1中的3开关，断开1开关，再闭合键盘开关S0的2、3开关，断开1、4开关。S2中闭合1开关断开3开关，555定时器构成的多谐振荡器3脚输出为秒脉冲，数码管开始加9900s的减法计数，且同秒表同步。先闭合S1中的3开关，断开1开关，再闭合S0键盘的1、4开关，断开2、3开关。对开关S2中闭合3开关断开1开关。开关S3的3开关闭合，555定时器构成的多谐振荡器3脚输出为0.1s的秒脉冲，数码管开始加0.09.9s的加法计数，且同秒表同步。先闭合S1的3开关，断开1开关，再闭合键盘开关S0的1、4开关，断开2、3开关。S2中闭合1开关断开3开关，S3的1开关闭合，555定时器构成的多谐振荡器3脚输出为0.1秒脉冲，数码管开始加9.90.0的减法计数，且同秒表同步。第15页共24页第5章电路仿真与调试5.1仿真与调试方法本次设计中，调试是一个重大的过程。本毕业设计方案的调试包括仿真和调试。在设计电子秒表的过程中，利用multisim10软件进行仿真。仿真调试时先分模块进行。操作过程中，应从电源开始调试。电源是整个设计首先要解决的问题，主要是看电源电路的输入输出是否正常，是否是+6V，当电压的波动较大时，要看整流电路是否正确，否则电压过大电路可能仿真效果不明确。时基电路产生脉冲的调试。555定时器是否产生所需的10Hz或1Hz频率脉冲，关系到电子秒表的精确度，所以此部分的设计很关键。计数部分与译码电路的调试。74LS192加减计数器通过74LS48译码器译码后转向共阴数码管段码，然后显示。控制电路的调试。这部分的调试工作有两方面，第一是要调试启动、停止按钮是否能实现，第二要调试74LS192能否正常受开关控制，要达到复位，置位功能。各单元电路测试正常后，按总图把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。先按一下停止按钮，此时电子秒表不工作，再按一下启动按钮，则计数器清零后便开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，按一下停止按钮，计时立即停止，数码管保留所计时之值。5.2仿真结果此次设计的数字电子秒表共有17个元器件组成。通过多方面的调试，最终实现了理想功能。不仅实现了设计要求的基本功能包括数码管能够显示1s-99s加、减的计数，有直接置位，复位功能，还能灵活启动停止。同时也完成了拓展功能，不仅能够实现倒计时功能，还能显示0.1s-9.9s的加、减计数。5.2.199s-00s秒表减数计数如图5-1所示，电路实现99s-00s秒表减数计数,先S1的闭合3开关，断开1开关，在闭合S0键盘的2、3开关，断开1、4开关。S2闭合1开关断开3开关，555定第16页共24页时器构成的多谐振荡器3脚输出为秒脉冲，数码管开始加99s00s的减法计数，且同秒表同步。U374LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U474LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U574LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U674LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U7LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2S4s31234789101121314VCC5V16171819VCC5V2021223R110kR210k50%R4Key=A32kR5180kR93.9kVCC5V262728VCC5VVCC5VR610kVCC32C210nFC423nFIC=10V3736VCC6515U1ABCDEFGCKHU2ABCDEFGCKHR1010k30VCCVCCs1S2242533343529GNDGND00310VCC值值2,值值1V:5.00VV(值-值):5.00VV(值值值):3.57VV(值值):2.55VI:0AI(值-值):0AI(值值值):0AI(值值):0A值值:155Hz图5-199s-00s秒表减数计数5.2.200s-99s秒表加法计数如图5-1所示，电路实现00s-99s秒表加法计数。当电路接通时，键盘开关S1，开关1为置数端，开关3为清0端。先S1的闭合3开关，断开1开关，在闭合S0键盘的1、4开关，断开2、3开关。S2闭合1开关断开3开关，555定时器构成的多谐振荡器开始工作由R12、R13、RW、C455决定了它的3脚输出为秒脉冲，数码管开始加0s99s的加法计数，且同秒表同步。5.2.39.9s-0.0s秒表减法计数先S1的闭合3开关，断开1开关，在闭合S0键盘的1、4开关，断开2、3开关。S2闭合1开关断开3开关，S3的1开关闭合，555定时器构成的多谐振荡器3脚输出为0.1秒脉冲，LED开始加9.9s0.0s的减法计数。且同秒表同步。第17页共24页U374LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U474LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U574LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U674LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U7LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2S4s31234789101121314VCC5V16171819VCC5V2021223R110kR210k50%R4Key=A32kR5180kR93.9kVCC5V262728VCC5VVCC5VR610kVCC32C210nFC423nFIC=10V3736VCC6515U1ABCDEFGCKHU2ABCDEFGCKHR1010k30VCCVCCs1S2242533343529GNDGND00310VCC值值2,值值1V:5.00VV(值-值):5.00VV(值值值):3.57VV(值值):2.55VI:0AI(值-值):0AI(值值值):0AI(值值):0A值值:155Hz图5-200s-99s秒表加法计数U374LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U474LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U574LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U674LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U7LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2S4s31234789101121314VCC5V16171819VCC5V2021223R110kR210k50%R4Key=A32kR5180kR93.9kVCC5V262728VCC5VVCC5VR610kVCC32C210nFC423nFIC=10V3736VCC6515U1ABCDEFGCKHU2ABCDEFGCKHR1010k30VCCVCCs1S2242533343529GNDGND00310VCC值值2,值值1V:5.00VV(值-值):5.00VV(值值值):3.86VV(值值):2.98VI:0AI(值-值):0AI(值值值):0AI(值值):0A值值:1.23kHz图5-30.0s-9.9s秒表减法计数第18页共24页5.2.40.0s-9.9s秒表加法计数先S1的闭合3开关，断开1开关，在闭合S0键盘的1、4开关，断开2、3开关。S2闭合3开关断开1开关，S3的3开关闭合，555定时器构成的多谐振荡器3脚输出为0.1秒脉冲，LED开始加0.09.9的加法计数。且同秒表同步。U374LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U474LS248DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U574LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U674LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U7LMC555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2S4s31234789101121314VCC5V16171819VCC5V2021223R110kR210k50%R4Key=A32kR5180kR93.9kVCC5V262728VCC5VVCC5VR610kVCC32C210nFC423nFIC=10V3736VCC6515U1ABCDEFGCKHU2ABCDEFGCKHR1010k30VCCVCCs1S2242533343529GNDGND00310VCC值值2,值值1V:4.87VV(值-值):5.00VV(值值值):3.86VV(值值):2.98VI:0AI(值-值):0AI(值值值):0AI(值值):0A值值:1.23kHz图5-40.0s-9.9s秒表加法计数第19页共24页总结我在此次毕业设计先开始确定基本思路，然后查阅了大量资料，确定主要元件，也就是各种芯片。然后设计出电路图，采用555定时器组成多谐振荡器通过调节电容，电阻阻值来为74LS192提供10Hz，1Hz的时钟脉冲，用74LS48作为译码驱动加到数码管FJS5101AH上。在用multisim10画出电路图，进行仿真，通过调试最终实现各种功能，确定最终电路图。通过这次毕业设计，收获了很多。第一：巩