田径运动会计时器的设计 沈阳航空航天大学.docx

沈阳航空航天大学课 程 设 计（说明书）田径运动会计时器的设计班 级 24010104 学 号 2012040101180 学 生 姓 名 指 导 教 师 黎红梅 沈阳航空航天大学课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 数字逻辑课程设计 课程设计题目 田径运动会计时器的设计 课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个田径运动会计时器电路，技术指标如下：最大计时值为99分59.99秒用6位数码管显示，分辨率为0.01秒； 具有清零、启动计时、暂停及继续计数的功能；二、设计要求1在选择器件时，应考虑成本。2根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。2进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1. 阎石主编数字电子技术基础M北京：高等教育出版社，2006年五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表：序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（35分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 2014 年 7 月 10 日一、 概述计时器是运动场上不可或缺的重要工具。它对于我们并不陌生，本次的课程设计即计时器的设计正是满足于田径运动会各种比赛所需要的计时。计时器是实现分、秒、毫秒计时的装置，由于具有较长的使用寿命，也因此得到了非常广泛的使用。计时器原理上是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。本次课设主要是由信号发生系统和计时系统构成。信号发生系统是一个100Hz的脉冲。计时系统由计数器、显示器组成。其中，计数器由74LS160构成， 这是一个十进制的计时器。用这样的十进制计数器组成了六十进制计数器和一百进制的计数器，采用异步进位方式。显示器由两种数码管构成，一个带有小数点的八段数码管和不带小数点的七段数码管，这样就可以显示出所要的数字。 本次课程设计要求设计的计时器最大计时值为99分59.99秒。具体过程是将大小100Hz脉冲信号传入计数系统，先进入计数器，将“分”和“毫秒”设为为一百进制，“秒”为六十进制。然后用数码管显示。最后分别用两个开关来实现启动、暂停、继续和清零。本课程设计报告主要有六部分组成。包括概述、方案论证、电路的设计、性能的测试及结论构成。二、方案论证方案一:石英晶体振荡器产生的标准信号送入分频器，分频器将时标信号分频为每秒一次的方波作为秒信号送入计数器进行计数，并把累计的结果以“时”“分”秒等数字显示出来，其中“秒”的显示有两级计数器和译码器组成的六十进制计数器实现，“分”的显示也一样。而“时”的显示由两级计数器和译码器组成的二十四进制计数电路实现。方案一原理图如图1所示。译码和显示计数器分频器脉冲信号图1 方案一原理图方案二:用一个555定时器搭建一个多谐振荡器来产生大小为100Hz的基准毫秒脉冲信号。课程设计要求最大计时数是99分59.99秒，所以对于毫秒以及分钟采取百进制进位，对于秒采取六十进制进位，分别用六个74LS160D计数器实现。因为毫秒与秒之间有小数点，所以再将其中五个计数器的对应的输出接入到七段数码管的输入端，把计数秒的各位数的计数器的输出端接入一个74LS48D译码器，然后在通过一个180的电阻接入一个八段数码管。按设计要求，所以须用五个七段数码管和一个八段数码管来做显示器。最后，用两个控制键分别来实现计时器的启动、暂停、继续、清零的功能。其中用一个控制健实现计时器的清零功能。再用一个控制键实现计时器的启动、暂停、继续计数功能。方案二原理图如图2所示。 七段数码管显示器分秒、秒、毫秒计数电路控制开关脉冲信号发生电路 译码器八段数码管显示图2 方案二原理图通过比较两种方案，第一种方案石英晶体振荡器具有频率稳定的优点，但从经济角度考虑选择石英震荡器并不合适，而555定时器使用灵活、方便，性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，且不贵的特点更适合设计要求，所以选择第二种方案。三、 电路设计1脉冲信号发生电路脉冲信号发生电路主要是由555定时器搭建的多谐振荡器。555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，性能优良，适用范围很因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生等方面。 555定时器能很方便地接成施密特触发器，然后在施密特触发器的基础上改接成多谐振荡器。充电时间 放电时间矩形波的振荡周期这里需要100Hz，5V的脉冲信号，由计算取C=0.1F,R1=45千欧，R250千欧。多谐振荡器如图3所示。图3 多谐振荡器2 计数器电路图4 多谐振荡器 1）74LS160D计数器共有16个引脚，A、B、C、D为输入端，QD、QC、QB、QA为计数输出端，RCO是进位输出端，LOAD为预置数控制端，CLR为异步清零端，ENP和ENT是计数使能端，RCO是进位输出端，脉冲输入引脚CLK。74LS160D的引脚如图4所示。 图4 74LS160D引脚图 2）100进制（乘数法）：将两片74LS160计数器直接级联则可得到100进制计数器。100进制计数器电路如图5所示。 脉冲信号图5 100进制计数器3）60进制（反馈置数法）：将一片74LS160设置成60进制计数器，再将其与一片74LS160级联，即可得到一个60进制计数器。其电路连接如图6所示： 进位信号 图6 60进制计数器3七段数码管和八段数码管工作原理在这个部分我们用五个七段数码管和一个八段数码管来显示结果，七段数码管有七个发光管，八段数码管比七段数码管多一个用于显示小数点的发光二极管单元DP。七段数码管和八段数码管如图7和图8所示。图7 七段数码管图8 八段数码管4. 控制开关设置两个控制开关A,B。B控制计时器的启动和停止，A控制计时器的清零和复位。开关B与脉冲信号连接，当切断脉冲信号便实现了数码管的暂停。控制开关如图9所示。 图9 控制开关5译码器 译码器是一种组合逻辑电路，是将二进制代码翻译成所需输出信号，本次设计采用74LS48N译码器。译码器如图10所示。 图10 译码器4、 性能的测试1. 用555定时器搭建多谐振荡器，取C=0.1F,R1=45千欧，R250千欧。多谐振荡器产生的波形如图11所示。 图11 多谐振荡器产生的波形多谐振荡器产生5V,100Hz脉冲信号，达到设计要求。2. 开始时把A B合上，由555多谐振荡器产生脉冲信号，运行本电路计时器正开始计数。计时器开始如图12所示。 图12 计时器开始计时计数器数码管显示开始计数，结果显示正常。3. B打开，脉冲不能给上面的计数电路，整个电路暂停计数。计时器暂停计时如图13所示。图13 计时器暂停计时计数器数码管显示停止计数，结果正常。4.闭合B，电路重新获得脉冲信号，开始计数，计时器继续计时如图14所示。图14 计数器继续计数计数器数码管显示继续计数，结果显示正常，达到设计要求。5.闭合A B，电路处于计数状态，当给计数电路9个脉冲的时候，继续再给一个脉冲，就会产生进位，再用最高位来触发下一个计数器，这样给电路第十个脉冲以后，电路计数结果就会成“10”，继续给脉冲，到第99个时候，继续给一个脉冲，我们同样用第二个芯片的最高位来触发下一个芯片，也就是用最高位的下降沿来当做下一个芯片的脉冲。毫秒进位如图15和图16所示。毫秒进位如图15和图16所示。图15 毫秒将进位图16毫秒进位计数器数码管显示毫秒进位正常，达到设计要求。6.同理在两个74LS160D的基础上配合一个与非门和一个非门将实现秒的60进制进位。当第四个计数器得到五个脉冲信号，继续给一个脉冲信号将触发进位。秒进位如图17和图18所示。图17 秒将进位图18 秒进位计数器数码管显示秒进位正常，达到设计要求。7.当B开关闭合，把开关A开关打开，将给计数器一个的清零信号。当开始计数，B开关闭合，A开关打开，数码管显示清零，整个电路的清零功能。计时器清零如图19所示。 图19计时器清零计数器显示清零功能正常，达到设计要求。8.计时器的的最大计时值为99分59.99秒。计时器最大示数如图20所示。图20 计时器最大示数计数器显示最大计时时间为99分59.99秒，达到设计要求。5、 结论 这次数电课程设计，通过仿真电路的多次调试分析，最终显示出时间并具有所要求的启动、暂停、继续、清零功能，其最大计时为99分59.99秒，达到了任务书的设计要求，但在细节方面还有很多不足和改进之处。通此次设计，我加深了对74LS160D计数器和74LS48N译码器的认识，对仿真软件也有了深入了解。我对此次的设计很满意。数电课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,是对学生实际工作能力的具体训练和考察.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨万千，从选择方案到确定最终方案，从理论到实践，在半个月内，颇多坎坷，颇多收获，学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的理论知识，而且得到了实践锻炼。通过这次数电课程设计使我懂得了理论学习与实际相结合才能有更深认识的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。通过这次数电课设，总体来说我受益颇多.在摸索如何设计程序使之实现所需功能的过程中,非常有趣,在挑战与愉悦中培养了我的设计思维,增加了实际操作能力。在让我体会到了设计的辛苦的同时,更让我体会到学习的乐趣和成长的快乐。提高了我的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深 我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还充分的认识到，数字电路课程在科学发展中的重要性。在独立解决问题和独立思考的能力的过程中会到很多问题，我们每面临一次挑战每解决一个问题都是一种进步与成长。 参考文献1 童诗白. 华成英主编模拟电子技术基础. M北京：高等教育出版社，2006年2 阎石主编. 数字电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2008年3 戴伏生主编. 基础电子电路设计与实践.M北京：国防工业出版社，2002年4 谭博学主编. 集成电路原理与应用.M北京：电子工业出版社，2003年5 南新志、刘计训主编. 数字电路实验教程.M济南：山东大学出版社，2003年6 谢自美主编. 电子线路设计实验测试.M武汉：华中科技大学出版社，2006年7 吴慎山主编. 电子线路设计与实践. M北京：电子工业出版社，2005年8 康华光. 电子技术基础.数字部分 北京:高等教育出版社,2000年 9 林涛主编. 数字电子技术基础. M北京：清华大学出版社，2006年10 陈振官等编著. 新颖高效声光报警器. M北京：国防工业出版社，2