孙敏《敦煌悲歌》文档.doc

武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书学 号： 0120911360433课 程 设 计题 目数字跑表设计学 院自动化学院专 业自动化专业班 级自动化0904姓 名陆嘉指导教师邓坚 李波2011年7月5日课程设计任务书学生姓名： 陆嘉 专业班级： 自动化 0904 指导教师： 邓坚 李波 工作单位： 自动化学院 题 目: 数字跑表设计 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: （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： 第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；第24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68天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；第911天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第1214天 补充完成课程设计报告和答辩。指导教师签名： 2011年 6月26日系主任（或责任教师）签名： 2011年 6月26日目 录引言11 设计意义及要求21.1 设计意义21.2 设计要求22 方案设计32.1 设计思路32.2 方案设计42.2.1设计方案一（个人方案）电路图42.2.2设计方案二（小组方案）电路图 简单说明52.3 方案比较63 部分电路设计73.1 计数单元73.2 开始和暂停单元113.3清零功能单元123.4脉冲输出电路143.5 译码及显示电路154 调试与检测184.1 调试中故障及解决办法184.2 调试与运行结果185 仿真操作步骤及使用说明19结束语20参考文献21附录122附录223本科生课程设计成绩评定表24引言20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，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。随着人们各方面素质的提高，不仅科学领域得到了飞速的发展，在体育领域中电子产品的应用也是对出可见。计时器作为一个简易的数字集成电路的应用，可以说无处不在，计时器实用简单，携带方便，各种大小规模的比赛都离不开了计时器。随着科技的发展，计时器的精度也越来越高，这就出现了本课题研究的电子跑表，用于测量完成某项体育运动所需时间，这类钟表要求计时精确，一般分辨力为百分之一秒。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，表的最小精确值为0.01秒。 关键词：计数器，门电路，数字跑表 1 设计意义及要求 1.1 设计意义 通过本次数字跑表课程设计，我们可以更加深入学习各种电子元件的原理与使用方法，应用自己所学的电子技术方面的知识，并将其运用到实践中去，加深自己的理解。牢固掌握各种进制的计数器的转换、各种芯片译码器和数码管的使用、门电路的控制作用以及利用芯片产生时序脉冲等。各种电路的组合都需要通过自身精密的计算及使用，综合各个功能电路，最终达成设计数字跑表的功能作用。这些可以让我们学以致用，熟悉熟记各种芯片的功能用途，通过自己从设计到制作的全过程可以开阔我们的眼界，发散我们的思维。而且可以让我们从各个角度思考问题，争取达到最多最优的设计方案，经过小组讨论，由各项指标的对比，选择最优方案解决问题。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。 此次设计真正能检测自己的实力，并将理论与实际相结合，从而了解理论的分析与实际运用方面的差距，让自己有更丰富的设计经验，在设计的同时不断补充新的知识，熟练运用各种方法解决同一问题。现在的设计与制作也是为了以后能够更好的走上工作岗位，有了实践经验也能更加得心应手。 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。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 逻辑门电路启动清零555多谐振荡器产生时序脉冲计数器译码器数码管显示电路开始暂停逻辑门电路图2-1 系统框图设计方框图如下2-2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一百进制计数器六十进制计数器六十进制计数器启动清零控制555多谐振荡器开始暂停控制图2-2 数字跑表设计原理图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U1：B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，S1与S2均处于高点平，闭合开关S1电路即开始计时，将开关S1断开，即回到高电平电路就暂停计时，闭合清零开关S2，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基本相同，仍用74LS390作为计数器，时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SW2接低电平显示计数器启动，计数未开始。接入高电平则启动与非门使计时器开始计时。控制清零部分由SW1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：方案一的控制开关电路由RS触发器的设计灵感设计出的开关、暂停、清零控制端电路较为繁琐，利用了较多的门电路，而且线路多，设计图显得复杂；而方案二则比方案一更为简洁、明了，所用门电路也力求最少。同时可以看到，方案二中开关中的清零与暂停部分都直接利用接高电平与低电平来控制，在控制电路上节省了材料与设计复杂度。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，但线路较为繁琐；方案二优点是所需门电路较少，电路简单，但在最终显示方面布局不够合理，稍有改动能够有更好成果。考虑到实际情形，我认为方案二更具有实用性与可行性，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。Vcc 2CKA 2CLR 2QA 2CKB 2QB 2QC 2QD1CKA 1CLR 2QA 1CKB 1QB 1QC 1QD GND1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 974LS390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功能表计数输出QDQCQBQA0LLLL1LLLH2LLHL3LLHH4LHLL5LHLH6LHHL7LHHH8HLLL9HLLHH=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74LS90组成，构成了数字跑表的以下3个部分。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 。U1:A和U1：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U1：B中的Q3接U1：A的 CKA ,当U1：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U1：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所示图3-3 秒电路图如图3-3所示，U2：A和U2：B的CKB端接法同U1。U2：B的CKA接U1：A的Q3, U2：B的接法与U1：A完全相同，原理也类似。U2：A的CKA端接U2：B的Q3，U2：A的Q1和Q2接到二输入与门U13：A上，输出再接到一个二输入或门U14：B上,U14：B的另一个输入端接清零控制电路，输出端接到U2：A的MR上，U2：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。图3-4 分电路图U1U3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74LS02芯片，开关接地时，启动计时，开关断开时，或非门输入接电源，有或非门的控制作用，将高电平输入74LS02将输出低电平。74LS02引脚图如图3-6所示 Y=A+B图3-6 74LS02引脚图 其功能表如表3-2所示ABYLLHLHLHLLHHL表3-2 74LS02功能表3.3清零功能单元清零电路如图3-7所示 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双刀双掷开关。当开关端置“1”时（即开关断开），计数器正常工作，或非门输出为低电平：当清零开关置“0”时（即开关闭合），通过或非门输出高电平,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图3-8 74LS08引脚图74LS08功能表如表3-3所示 表3-3 74LS08功能表ABYLLLLHLHLLHHH 两输入或门芯片74LS32引脚图如图3-9所示 Y=A+B图3-9 74LS32引脚图74LS32功能表如表3-4所示表3-4 74LS27功能表ABYLLLLHHHLHHHH3.4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，3脚为脉冲输出端，其中参数选择为： R3=2.2K，R4=6.2K，C1=0.1F,C2=0.1F。555定时器的引脚图如图3-11所示：12365478555定时器RQTIRGGNDCITHRDISVCC 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 74LS00功能表如表3-5所示表3-5 74LS00功能表ABYLLHLHHHLHHHL3.5 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。 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，我们小组选择了部分电路接线，只接通了百分秒和秒计时电路，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，我们首先在555多谐振荡器的输出端接了一个发光二极管，待接通电源后，观察发现二极管发光，可以说明有脉冲产生。然后再将脉冲输出端接通到计数器的脉冲输入端，接通电源，闭合开关后观察显示器。如无显示，则检查译码器和数码管的连接是否正确，找出错误，直到显示正常为止。 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S1为开始暂停端，开关S2为启动清零端，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： 1).开始时S1与开关S2都断开置空，即为输入高电平，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S1置0（即按钮闭合）即开始计时。3).S1置1（即按钮断开）表示暂停，S1置0（即按钮闭合）即可实现继续计时。4).任何时候S2置0（即双刀双掷开关闭合）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S2置1）。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S1开关S2电平显示器状态10全零跑表未启动11全零跑表启动，未计时01跑表跳动开始计时11某一数字暂停0全零清零备注：表格中S1置1，S2置1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 两周的课程设计很快就结束了，虽然时间很短，但是收获颇丰。此次课程设计，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。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。这次对数字跑表的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于跑表的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。通过这次学习，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，以前学习过程中只注重原理，从不考虑实际状况，所以刚开始仿真时，结果常常出现错误，理论和实际之间还是有很大的区别的，它也让我明白了学东西是要用的，而不是单单课本上学好、明白了就行，如果这样，将来我们很难有技术的，它给我积累了宝贵的经验。同时经过此次设计，我对数字电路有了全新的了解，对于一些简单功能的实现可以利用各种芯片以及逻辑门电路做出符合要求的产品，但真正的复杂、精密的电子仪器还是需要运用编程单片机等实现其功能，这让我想到一句话：世