电子秒表的设计与制作毕业论文

学号课程设计题目电子秒表的设计与制作学院自动化学院专业电气工程及其自动化班级姓名指导教师2012年7月6日课程设计任务书学生姓名专业班级指导教师工作单位题目电子秒表的设计与制作初始条件（1）计数精度可达1/100秒（2）可显示时间9999秒（3）具有开关可启动，暂停，清零功能选作设计可改变计时时间（最大5999秒）的电路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）设计任务及要求（2）方案比较及认证（3）系统框图，原理说明（4）硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明（5）调试记录及结果分析（6）对成果的评价及改进方法（7）总结（收获及体会）（8）参考资料（9）附录器件表，芯片资料时间安排6月25日6月28日明确课题，收集资料，方案确定7月28日7月2日整体设计，硬件电路调试7月2日7月6日；报告撰写，交设计报告，答辩指导教师签名2012年7月日年月日前言21世纪，电子科技技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎参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。时间对人们来说总是那么的宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。秒表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。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、定时启闭电路、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，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字计时器及扩大其应用，有着非常现实的意义。本次课程设计多功能电子秒表是用数字电子技术实现时、分、秒计时的装置，采用555振荡器，计数器、译码器、显示器、和功能扩展电路等组成。由LED数码管来显示译码器所输出的信号，采用了大量74LS系列中小规模集成芯片，使用与非门组成的校时电路。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成电子秒表的基本功能计时。本课题的设计达到的目的除了使没有真正进行过电子技术实验的学生，通过课程设计，能够加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际问题能力。通过本课题的设计，能培养我们掌握电子技术的科学实验规律，实验技术，测量技术等实验研究方法，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。本设计所涉及的知识方案分析及论证，产品功能的说明，原理说明，安装工艺，调试与测试，焊接技术，操作说明以及用到的EWB，PROTEUS，PROTEL，MICROSOFTVISIO等软件技术的新手段，新工具。目录摘要21课题分析32方案的选择与讨论321时间脉冲产生电路3211方案一石英晶体振荡器3212方案二555与RC组成的多谐振荡器422计时器5221方案一同步时序逻辑电路5222方案二异步时序逻辑电路523译码器显示电路624防抖电路63电子秒表系统主体流程框图64主体单元电路的设计741振荡器的设计742计数器的设计944译码显示电路1445清零和暂停155仿真测试和误差分析1551仿真测试1652误差分析16第6章设计总结与体会16参考文献17附录二器件表19摘要电子秒表是一种用数字显示计时装置，与传统的机械秒表相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到了广泛的应用。大家都知道小到人们日常生活中的电子手表秒表，大到大型场合或比赛的大屏幕计时装置。电子秒表从原理上讲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。目前，电子秒表的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。电子秒表适用于自动打铃、自动广播，也适用于节电、节水及自动控制多路电器设备。多功能电子秒表由以下几部分组成555定时器组成的多谐振荡器构成秒脉冲发生器；六十进制的秒、分计数器和十或二十进制的时计数器；秒、分、时的数码显示部分等。具体要求如下计数精度可达1/100秒；可显示时间9999秒；具有开关可启动，暂停，清零功能，并通过电子秒表的制作进一步了解中小规模集成电路，提高自己的分析和解决现实中所遇到的问题的能力，为以后的学习或工作中打下一个良好的基础。关键词电子秒表，定时器，效率电子秒表的设计与制作1课题分析数字电子计时器实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计时的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路。同时标准的1HZ时间信号必须做到准备稳定。一个用来计时、分、秒的数字钟，主要由振荡器、计数器、译码器、显示器四个部分组成。要想构成电子秒表，首先应选择一个脉冲源能自动地产生稳定的标准时间脉冲信号，可由555定时器构成多谐振荡电路或石英晶体振荡电路作为激励源是频率达到001秒。计时的规律是加计数时当计到01秒时，01秒电路的十位十进制74LS192的C0端为高电平，送到分电路的个位十进制74LS192的CKA端（低电平有效），作为01秒脉冲信号。同理，我们易知1秒电路也是怎样给10秒电路提供10秒脉冲信号的。各计数器的输出端输出不同的8421BCD码，经译码器、驱动器到数字显示器，从而把对应秒数数字的形式显示出来。2方案的选择与讨论21时间脉冲产生电路211方案一石英晶体振荡器振荡器是电子秒表的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了电子秒表计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。石英晶体振荡器框图如图221所示,它的作用是产生时间标准信号，从图中的各元器件值经过推算可知道它的精确度挺高的。因此，一般采用石英晶体振荡器经过分频得到这一时间脉冲信号。在我们本课程设计中没有选择它,我们现在搞课程设计目的主要还是多弄懂一些原理知识,石英晶体振荡器够成的时间脉冲产生电路的原理简单。图211石英晶体振荡器电路图212方案二555与RC组成的多谐振荡器由集成电路定时器555与RC组成的多荡器作为时间标准信号源，如图222。555定时器的内部结构的够成能让我们学到关于多方面的知识,因为其内部主要电压比较器、电阻分压器、与非门组成的基本RS触发器、放电管、输出缓冲级等组成，并且考虑到系统尽量采用同类型的元器件，这里就选用了此方案。这里选用由555构成的多谐振荡器，设振荡频率F0100HZ，其电路参数如图222所示。图212由555构成的多谐振荡器22计时器221方案一同步时序逻辑电路采用同步时序逻辑电路，计时器组中的触发器采用相同的触发信号，按条件进行计数，这种方法的时钟信号单一，有利于校时控制，唯一的缺点是进位信号较复杂。222方案二异步时序逻辑电路采用异步时序逻辑电路，按001秒，01秒,1秒和10秒电路各设计四个计数器实现计时功能。001秒计数器用100HZ脉冲信号驱动，01秒计数器用001秒计数器的进位信号驱动，1秒计数器用01秒计数器的进位信号驱动，10秒计数器用1秒计数器的进位信号驱动。这种方案的逻辑关系比较简单，容易模块化，虽有缺点，小时和分钟计数器的触发脉冲周期较长，不利于在校时时利用与非门对时钟信号进行切换，但这种方案便于手工制作。故选用此方案。23译码器显示电路因本课题全部采用十进制集成块，因而计数器的译码显示均采用BCD七段译码器，显示器采用共阴的LED显示器。24防抖电路两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时,输出为1当键按下时,输出为0。此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开B）,中要按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。3电子秒表系统主体流程框图经过方案的选择与讨论，得到多功能电子秒表系统的整体框图如图3所示，主体电路完成电子秒表的基本功能，我们在设计的过程中还扩展了其他功能,如暂停，清零等该系统的工作原理是振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，经防抖电路输出标准的秒脉冲，计数器的输出经译码器送显示器。扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展，采用与非门接到分计数器和秒计数器相应的输出端。图311数字电子计时器系统主体流程框图4主体单元电路的设计主体电路是由功能部件或单元电路组成的，在设计这些电路或选择功能部件时，尽量选用同类型的器件，如所有功能部件都采用TTL集成电路或都采用COMS集成电路。整个系统所用器件类型应尽可能少。下面介绍各功能部件和单元电路的设计。41振荡器的设计振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，这里精确度要求不高，采用由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。555定时器的引脚功能图和功能表分别如图41和表41所示，这里选用555定时器构成多谐振荡器，设震荡频率F0100HZ，电路及参数如图411所示。图41555触发器的引脚图表41555定时器的引脚功能表图411555多谐振荡器电路图多谐振荡器的振荡频率为代入图中给出参数计算得R1333K欧姆，R2RL333K,C1001UF42计数器的设计421采用十进制计数器以74LS192为例，这是一个加法计数过程为000010010000的数字芯片，我们只需要将上一级的BO作为下一级的脉冲就能实现将几个芯片连在一起，实现我们的计数，下面是7ALS192的管脚图，逻辑图以及BCD码十进制计数时序表CKAQ3Q2Q1Q000000100012001030011401005010160110701118100091001表421BCD码十进制计数时序表图42174LS192管脚图表42274LS192功能表经过仔细的分析和思考，可以通过以下连接方式图42274LS192芯片连接图422采用十六进制计数器以74LS161为例，74LS161是十六进制计数器，使用反馈清零法可转换成十进制，表423和图423分别是74LS161的功能表和管脚图表42374LS161的功能表图42374LS161管脚图经过分析和思考，我决定按下图连接方式连接74LS161芯片图42474LS161连接电路图选择结果我最终决定选择74LS192作为计数器的芯片因为（1）十六进制计数器要转换成为十进制计数器操作困难，电路繁琐，不仅在连接的时候易出差错，还浪费材料，且使用的门电路也比较多，增加了实验过程中的不确定性；（2）十六进制虽然也有进位端，但不想十进制的那样在10010000的过程中输出进位信号，这就给电路最终计数到9999的时候停止造成了困难综上所诉，我决定使用十进制芯片作为本次课设的芯片,具体对比可参照仿真结果。43防抖电路防抖原理两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时,输出为1当键按下时,输出为0。此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开B）,中要按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。图431防抖电路44译码显示电路LED显示管可接受4输入8421BCD编码，因其内部有译码器，所以尤为方便。可采用74LS47，74LS48，CD4511等集成电路将BCD码译成段码发送给8段发光二极管数码管，当然要选择相匹配的共阴极或共阳极译码驱动器。本设计我们选用74LS47芯片，它是输出低电平有效的七段字形译码器。译码驱动显示单元电路如图图4674LS48与数码管连接框图工作原理译码器74LS48通过四个输入端A,B,C,D输入015个不同的二进制将其翻译成不同的高低电平组合，从而在数码管上显示出相应的16个不相同的数字符号。本设计最多只需00001001九个不同的二进制码元，所以数码管只显示09九个数字。45清零和暂停对于清零和暂停，我们选择了使用两个开关来控制，其中一个开关控制与脉冲信号同接一个与非门，以此来控制清零端，而另一个开关则在防抖电路控制输入脉冲让电路可以暂停，关于清零和暂停在这里就不多加阐述了。5仿真测试和误差分析51仿真测试1启用PROTEUS，对于我们所需要测试的参数主要是振荡电路输出脉冲周期及脉冲稳定性。2从元器件库中调出各种系列的芯片，电容，电感，电阻以及示波器等我们所需要的各种元器件，元器件调出后，认真连接各元件，对元器件的位置进行调整以求电路原理图美观简易，并保存图，使布局比较合理。3点击PROTEUS的测试按钮，对电路系统进行测试，观察LED显示时间的变化。52误差分析综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的主要误差因素有元件本身存在误差；焊接时，焊接点存在微小电阻；万用表本身的准确度而造成的系统误差；读数有误差；电源输出电压的不稳定等。第6章设计总结与体会通过这次对电子秒表的设计与制作,让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字式电子计时器的原理与设计方法，要设计一个电路总要先用仿真，仿真成功之后才实际接线的。但是最后制作出来的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，在实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。通过这次学习，让我对各种电路都有大概的了解并掌握了许多数字电子技术知识，不仅在理论上，而且在动手能力方面得到大大的提高。所以说，坐而言不如立于行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会深刻理解。在此次设计的数字式电子计时器过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构、管脚图、功能表及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。而且这些知识是对我们大学生来说十分宝贵的实践经验，是无法在课堂上获得的，是现今社会最重视的同时也是我们最需要提高的部分。总之，我们在本次课程设计中获得了不少的知识和实践经验财富，促进我们能更快乐的去学习。参考文献【1】华容茂电工、电子技术实习与课程设计北京电子工业出版