多功能数字秒表的设计.doc

1、0目录1 Protues简介 .12 多功能数字秒表方案设计与论证 .33多功能数字秒表总体设计 .34多功能数字秒表的工作原理 .44.1脉冲源电路 .44.2总清零控制电路 .84.3时间计数单元 .94.4分频器电路 114.5 码驱动及显示单元 .144.6多功能数字秒表电路的组合 155 电路的调试 185.1 时钟发生器的测试 .185.2 计数、译码、显示单元的测试 .185.3 整体测试 .195.4 电子秒表准确度的测试 .196.硬件设计 207.课程设计心得 218.参考文献 22本科生课程设计成绩评定表 231初始条件 利用集成译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要的

2、门电路等器件设计实现数字秒表的功能。用数码管显示时间计数值。 也可以用单片机系统实现 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、课程设计工作量1 周内完成对数字秒表的设计、仿真、装配与调试。 2、技术要求 设计一个能测量 8 名运动员短跑成绩的数字秒表。要求用四位数码管显示时间格 式为 0000s 。 秒表设置 9 个开关输入 清零开关 1 个和记录开关 8 个 。按下“记录”开关 则 将当前计数时间暂存并显示在数码管上。 确定设计方案按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路 设计分电路 画出总体电路原理图 阐述基本原理。 参考文献 1 伍时和.

3、 数字电子技术基础 第 1 版. 北京 清华大学出版社2009 年 4 月 2 康华光. 数字电子技术基础 第 5 版 北京 高等教育出版社2006 年 1 月 3 王建校51 系列单片机及 C51 程序设计 北京 科学出版社2002.4 时间安排 1、 2011 年 6 月 2728 日 查阅相关资料学习设计原理。 2、 2011 年 6 月 2829 日 方案选择和电路设计仿真。 3、 2011 年 6 月 307 月 1 日 电路调试和设计说明书撰写。 4、 2011 年 7 月 2 日上交课程设计成果及报告 同时进行答辩。 指导教师签名 年 月 日 系主任 或责任教师 签名 年 月 日

4、1 Protues简介Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 其功能特点如下: Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：（1）原理布图（2）PCB 自动或人工布线（3）SPICE 电路仿真具有 3 大功能模块:2（1）个易用而又功能强大的 ISIS 原理布图工具；（

5、2）PROSPICE 混合模型 SPICE 仿真;（3） ARES PCB 设计. Protues 提供了丰富的资源: （1）Proteus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有 30 多个元件库。（2）Proteus 可提供的仿真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实存在的仪器外，Proteus 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器

6、仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。 （4）Proteus 可提供的调试手段 Proteus 提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 软件仿真:支持当前的主流单片机，如 51 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列、68000 系列等。（1）提供软件调试功能（2）提供丰富的外围接口器件及其仿真RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 SPI 器件，部分 IIC 器件。这样很接近实际。在训练学生时，可以选择不同的

7、方案，这样更利于培养学生。（3） 提供丰富的虚拟仪器利用虚拟仪器在仿真过程中可以测量外围电路的特性，培养学生实际硬件的调试能力。（4） 具有强大的原理图绘制功能电路功能仿真:在 PROTUES 绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在 PROTEUS 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 PROTEUS 是单片机课堂教学的先进助手。3PROTEUS 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代

8、了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于 PROTEUS 提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台 随着科技的发展， “计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中 PROTEUS 也能茯得愈来愈广泛的应用。本次多功能数字秒表课程设计

9、就是基于 PROTEUS 仿真软件进行仿真的设计与制作的。2 多功能数字秒表方案设计与论证电子秒表的工作原理就是不断输出连续脉冲给加法计数器，而加法计数器通过译码器来显示它所记忆的脉冲周期个数。1.时钟发生器：利用石英震荡 555 定时器构成的多谐振荡器做时钟源,产生脉冲。2.记数器：对时钟信号进行记数并进位 ,百分之一秒和十分之一秒以及个位秒之间 10进制, 十位秒为六进制; 本设计采用 可预置的十进制同步 加法计数器 74LS160 构成电子秒表的计数单元。3.译码器：对脉冲记数进行译码输出到显示单元中。4.显示器：采用 4 片 LED 显示器把各位的数值显示出来，是秒表最终的输出，共有4

10、四位，精确到百分之一秒；74LS48 是 BCD 码到七段码的显示译码器。5.控制器：控制电路是对秒表的工作状态（记时开始/暂停）进行控制的单元。属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。 3多功能数字秒表总体设计图 3-1 总体工作流程图 图 3-2 单独模块工作流程图 4多功能数字秒表的工作原理4.1脉冲源电路 用 555 实现多谐振荡产生频率为 100Hz 的方波（即周期为 0.01 秒的方波）。5图 4-1 555 管脚图 图 4-2 555 内部原理图 （1）555 电路的工作原理555 电路的内部电路方框图如图 4-2 所示。它含有两个电压比较器，一个基本 RS 触发器，一

11、个放电开关管 T，比较器的参考电压由三只 5K Q 的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器 C1 的同相输入端和低电平比较器 C2 的反相输入端的参考电平为 2/3Vcc 和上 1/3Vcc。 C1 与 C2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管 T 的开关状态。当输入信号自 6 脚即高电平触发输入并超过参考电平 2/3Vcc 时，触发器复位，555 的输出端 3 脚输出低电平，同时放电开关管 T 导通：当输入信号自 2 脚输入并低于 1/3Vcc 时，触发器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电开关管截止。4 脚是复位端 ，当DR=0，555 的 3 脚输出低电平。平时 端

12、开路或接 Vcc， 5 脚 Vco 是控制电压端，平DRDR时输出 2/3Vcc 作为比较器 C1 的参考电平，当 5 脚外接一个输人电压，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，在不接外加电压时，通常接一个 0.047f 的电容器接地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。T 为放电管，当 T导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻值的放电通路。555 定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲

13、产生或波形变换电路。6（2）构成多谐振荡器如 图 4-3（ a）, 由 555 定时器和外接元件 、 、 构成多谐振荡器，脚 2 与脚1R21C6 直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过 、 向 充电，以及 通过 向 7 脚放电端 放电，其波形如 图 4-3（b ）所示。2R1C121输出信号的时间参数是 Ttw1 十 tw2， tw1 0.7( 十 ) ， tw20.7 ，555R21C2R1C电路要求 和 均应大于或等于 1K，但 十 应小于或等于 3.3M。12 12外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555 定时器配以少量的元件即可获得较

14、高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此这种形式的多谐振荡器应用很广。 图 4-3（a） 555 定时器构成多谐振荡器7图 4-3（b ） 555 定时器构成多谐振荡器输出波形（3）组成占空比可调的多谐振荡器图 4-4 555 组成占空比可调的多谐振荡器8电路如 图 4-4，它比 图 4-3 所示电路增加了一个电位器和两个相同的二极管。D1、D2 用来决定电容充、放电电流流经电阻的途径（充电时 D1 导通，D2 截止：放电时 D2 导通， D1 截止） 。占空比: Ptw1 / ( tw1 十 tw2) 0.7 /0.7 ( + ) /( + )AR1CABRABR可见，若取 = 。电路

15、即可输出占空比为 50的方波信号。ARB如图 4-5 是输出为占空比 50的方波图 4-5 输出占空比为 50的方波94.2总清零控制电路 如图 4-6 为电路的总清零控制电路，该电路在开关合上之后会输出低电平，作用于各个 74LS160 的 MR 端，实现异步清零功能；开关断开之后输出高电平，电路处于计时状态。总清零控制电路便于实现电路的总的清零控制，同时也对时钟脉冲起到控制作用。图 4-6 电路的总清零控制电路104.3时间计数单元 记数器 74160、74ls192 、 74LS90 等都能实现十进制记数，本设计采用十进制加法计数器 74LS160 构成电子秒表的计数单元，如图三所示，5

16、55 定时器构成的多谐振荡器作为计数器 74LS160 的时钟输入。计数器 1 及计数器 2 接成 5421 码十进制形式，其输出端与实验装置上译码显示单元的相应输入端连接，可显示 0.10.9 秒计时，计数器 2 及计数器 3 也接成 8421 码十进制形式，计数器 3 和计数 4 接成 60 进制的形式，实现秒对分的进位。计数器 2 及计数器 3 也接成 8421 码十进制形式.集成异步计数器 74LS160 简介 74LS160 是异步十进制加法计数器，它既可以作二进制加法计数器，又可以作五进制和十进制加法计数器。 要实现 0.1 秒计数，须设计一个 10 进制计数器；要实现秒计数，须设

17、计一个 60 进制计数器；要实现分计数，须设计一个 10 进制计数器，这里选用 74LS160 实现。74LS160 中文资料内容说明：74LS160 是十进制同步计数器（异步清除）74LS160 为可预置的十进制同步计数器，共有 54/74160 和 54/74LS160 两种线路结构型式， 160 的清除端是异步的。当清除端 /MR 为低电平时，不管时钟端 CP 状态如何，即可完成清除功能。160 的预置是同步的。当置入控制器 /PE 为低电平时，在 CP 上升沿作用下，输出端 Q0Q3 与数据输入端 DOD3 一致。对于 54/74160，当 CP 由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端

18、ENP、ENT 为高电平，则/PE 应避免由低至高电平的跳变，而 54/74LS160 无此种限制。160 的计数是同步的，靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的。当 ENP、ENT 均为高电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于 54/74160，只有当 CP 为高电平时，ENP、ENT 才允许由高至低电平的跳变，而 54/74LS160 的 ENP、ENT 跳变与 CP 无关。160 有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为 Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。对

19、于1154/74LS160，在 CP 出现前，即使 ENP、ENT、MR 发生变化，电路的功能也不受影响。如 图 4-7 为 74LS160 管脚图；如表 4-1 为 74LS160 的功能表。RCO 进位输出端ENP 计数控制端ENT 计数控制端Q0Q3 输出端图 4-7 74LS160 管脚图表 4-1 74LS160 的功能表MRLOADENT ENP Action on the Rising Clock Edge()L RESET(Clear)H L LOAD(DnQn)H H H H COUNT(Incremeny)H H L NO CHANGE(Hold)H H L NO CHAN

20、GE(Hold)124.4分频器电路 通常，由 555 构成的多谢振荡器输出频率是 100Hz 的，是比较高，为了得到 10Hz、1Hz、0.1Hz 的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。 须设计三个十进制计数器 ，对频率为 100Hz 的时钟脉冲进行十分频得到 10Hz，再对频率为 10Hz 的时钟脉冲进行十分频得到 1Hz，对频率为 1Hz 的时钟脉冲进行十分频得到 0.1Hz。一个单独的模块有四个 74LS160 组成，四块分别控制四位，在最低位的 74LS160 的进位输出端 RCO（进位时输出有效为高电平）取得周期为 0.1S 的矩形脉冲，作为记录十分之一秒位的使能端控制位，

21、从而使得每十个 100Hz 的脉冲到来后十分之一位加一。以此内推，由十分之一秒位 可以控制秒位，由秒位控制十位。 用集成 160 为可预置的十进制同步计数器实现，电路图如下：如 图 4-8 是 74LS160 构成十进制计数器 图 4-8 74LS160 构成十进制计数器 13如 图 4-9 是 74LS160 构成 0.01 秒位和 0.1 秒位计数器图 4-9 74LS160 构成 0.01 秒位和 0.1 秒位计数器如 图 4-10 是 74LS160 构成 0.01 秒位、0.1 秒位、1 秒位、十秒位计数器图 4-10 74LS160 构成 0.01 秒位、0.1 秒位、1 秒位、十

22、秒位计数器14为了使实现 60 秒技术后显示器重新计数，应该在显示器显示 59:99 后显示 00:00,所以应该在最高位加一个重新置数电路，使最高位在显示 6 时就置零（现实中 6 是不显示的），如 图 4-11 是 74LS160 构成的六进制计数器。图 4-11 74LS160 构成的六进制计数器154.5 码驱动及显示单元 计数器实现了对时间的累计以 8421BCD 码形式输出，用显示译码电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流。译码显示单元:本部分由 7448 译码器和七段显示共阴极数码管构成。在其引脚当中 A、B、C、D 为BCD 码输入端，QA、QB、

23、QC、QD、QE、QF、QG 为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动LED 数码管。电路如 图 4-12：图 4-12 由 7448 译码器和七段显示共阴极数码管构成的译码电路电路仿真的时候，为了简化电路，所以没有将 7448 译码器和七段显示共阴极数码管构成的译码电路画出，只是用一个虚拟显示器代替。如果要做出实物的话，就用 7448 译码器和七段显示共阴极数码管构成的译码电路进行实物焊接。164.6多功能数字秒表电路的组合1. 由计数、分频、译码组成的电路，如 图 4-13 所示。该电路组成之后，就可以进行 00：00 到 59：99 的循环显示过程。各显示器从左到右依次对应的是十秒位、秒位

24、、十分之一秒位、百分之一秒位。17图 4-13 由计数、分频、译码组成的电路2. 一个单独的电子秒表电路如 图 4-14 是单独的电子秒表电路 。该电路可以实现单个电子秒表计数，可实现显示器全部清零、开始计时功能。其中，为了防止现实中实物制作后，按键会出现抖动的情况，在时钟发生器开始按键后接一个触发器防止出现抖动的情况。闭合时钟发生器开关，触发器输出低电平，使时钟发生器不能够产生脉冲，计数停止；断开时钟发生器开关，触发器输出高电平，使时钟发生器能够产生脉冲，计数开始，由此可以实现电路中的计数总的控制。该电路可以实现单个电子秒表计数，因此可以测量一个运动员的成绩。D03 Q01414 113D2

25、5 Q21236 31RCO15ENP7T10CLK2LOAD9MR1U374LS160D03 Q01414 113D25 Q21236 31RCO15ENP7T10CLK2LOAD9MR1U474LS160D03 Q01414 113D25 Q21236 31RCO15ENP7T10CLK2LOAD9MR1U57LS160D03 Q01414 113D25 Q21236 31RCO15ENP7T10CLK2LOAD9MR1U674LS160123U2:A74LS0R4 DC7Q3GND1VC8TR2 TH6CV5U155R110kR210kC10.47uFC20.47uFU15(VC)VAL

26、UE=550%RW420D11N401D21N401SW1SW-SPTR4 DC7Q3GND1VC8TR2 TH6CV5U165R510kC30.47uF C41uFU16(VC)VALUE=5R41k4%RV110k12 3U1:A74LS045 6U1:B74LS012U17:A74LS04D1(A)D1(K)U1:A(Y)脉 冲 开 关清 零 开 关图 4-14 单独的电子秒表电路183.多功能数字秒表完整图为了实现同时记住八名运动员的短跑成绩，因此电路中需要设计出记录八个单独的计数电路，可以将一个单独的计数电路经过修改之后与时钟发生器相连接，其中脉冲和清零是总的控制电路，可实现电路中全

27、部计数器的控制，而不影响电路的单独控制。为了单独控制一个单独的电路，在每个单独的电路的脉冲输入端接一个开关，用以控制一个运动员的计时控制。在电路需要实现八个运动员的计时，只需将相应的开关断开和闭合。如 图 4-15 是多功能数字秒表完整图。19图 4-15 多功能数字秒表完整图5 电路的调试5.1 时钟发生器的测试用示波器观察时钟输出电压波形并测量其频率，调节 RW1，使输出波形频率为100Hz（周期为 10ms） ，若无波形输出，检查 555 定时器。 如 图 5-1 是时钟发生器输出的周期为 10ms 的方波。20图 5-1 时钟发生器输出的周期为 10ms 的方波5.2 计数、译码、显示

28、单元的测试测量计数器功能和分频器功能，看输出频率是否为 10 倍关系，各段测量显示管的功能是否正常。如 图 5-2 是 0.01 秒、0.1 秒、1 秒、10 秒对应的输入信号波形。图 5-2 0.01 秒、0.1 秒、1 秒、10 秒对应的输入信号波形5.3 整体测试先按按钮清零开关，此时电子秒表不工作，再按一下清零开关，则计数器清零后变开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常。如不需要计时或暂停时，按一下开关脉冲开关，立即会出现暂停状态。如果希望单独的显示器暂停计时，就把相对应的暂停开关断开。然后再对单独的每一个计数单元进行测试，在各个时间段分别断开各个单独的计时开关，21模拟现实中的对八

29、个运动员的成绩计时，仿真波形如 图 5-3。图 5-3 多功能数字秒表的综合仿真5.4 电子秒表准确度的测试利用电子钟或手表的计时对电子秒表进行校准，若时间不准，调节 RW1，使误差在0.01s 之内。6.硬件设计元器件的选择由于市场上的元器件的问题，在做实际物品时要考虑到电阻的问题以及电路在应用22过程中遇到的问题，所选元器件要符合实际，因此需要把元器件的理论值改为实际中常见的最终元器件如下：表 6-1 多功能数字秒表课设选取原件列表元件名称与规格 数量NE555 2 个74LS160 32 个74LS112 1 个7448 32 个数码管 32 个74LS00 2 个0.47F 瓷片电容

30、2 个0.O47F 瓷片电容 2 个二极管 1N4001 2 个电阻 若干复位器 10 个导线 若干7.课程设计心得通过上一次的模电课程设计制作一个简易电子琴，我学到了很多的模电知识，而这次，通过尝试制作了一个多功能数字秒表的数字课程设计的作业，我又学到了许多关于数字电路的知识。虽然这个课程设计很难，但是当我做出来之后我还是感觉很高兴的。23总的来说这次课程设计不是很好做的，最开始的时候经过我个人的思考发现，如果用数字电路的知识是很难完成的，因为数电做的话用的芯片会很多。这样的话电路的设计会很复杂，以至于不能进行实物的制作，所以应该用单片机制作。我想这个方向应该是对的，但是对于单片机这门课程我

31、还不是很熟悉，因此在前期的工作中我的重点是放在单片机制作多功能数字秒表上面的，结果发现如果用单片机做的话，所要写的程序对我来说是很复杂的。经过很长的时间，我一直在之中比较纠结，用单片机，自己又不会，但是实物容易做；用数电知识做的话，实物肯定不好做，芯片就比较多，所连的线更多。最终，我还是决定用数电知识做，因为这毕竟是数字电路课程设计，理所当然应该用数电做。下定决心之后，我就专心用数电做。经过自己的精心设计和制作，最终把课程设计的完整图设计出来了。当然，我有点高兴，但是更多的是悲哀，因为这意味着我很有可能不做实物了，我个人认为不做实物就相当于没有做课设。总的来说，这次课设我还是学到很多东西的。通

32、过这次对数字钟的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于数字秒表的原理与设计理念。在此次的数字秒表设计过程中，更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。通过这次课程设计学习，我们对许多电路都有了了解，也加深了我对Proteus 软件的使用。最后我来总结一下这次数字电路课程设计的不足。我认为多功能数字秒表，这个课程设计的题目很好是很不错的，但是要做好的话是很难的，尤其是在我们没有学习用有关程序（如单片机、ARM、FPGA 等）设计知识的情况下。如果能用单片机实现多功能数字秒表的设计与制作的话，我想这应该是很好的，做出来的实物应该可以和市场上的这种秒表相比

33、。所以，在以后的时间，像今年的暑假，我应该看一下有关单片机、FPGA 方面的书，加深对我们专业的了解。最后感谢杨媛媛老师对我们的帮助！8.参考文献1 伍时和. 数字电子技术基础. 北京：清华大学出版社， 2009. 2 阎石.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社， 2006. 243 康华光.电子技术基础数字部分. 北京：高等教育出版社， 2006.4 岳怡.数字电路与数字电子技术. 西安: 西北工业大学出版社，2004.5 吴友宇.模拟电子技术基础. 北京：清华教育出版社， 2009.6 Howard Johnson(美国 ),Martin Graham(美国). High-Speed Digital Design A Handbook of Black Magic . 北京：电子工业出版社， 2003.本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别专业、班级25课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日