电子秒表的设计与制作

课 程 设 计

题 目

学 院

专 业 班 级

姓 名

指导教师

2012 年 7 月 3

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99.99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59.99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

目录

摘要 ................................................................................................................................ 1

1 总体设计框图与方案选择 ........................................................................................ 2

1.1 设计思路 ............................................................................................................. 2

1.2 方案的选择与论证 ............................................................................................. 2

1.2．1 方案一总体设计框图 ................................................................................ 2

2 单元电路的分析与设计 ............................................................................................ 4

2.1 基准脉冲电路设计 ............................................................................................. 4

2.2 控制电路的设计 ................................................................................................. 6

2.2.1 启动暂停以及清零开关 ............................................................................... 6

2.3 显示电路设计 ..................................................................................................... 7

2.3.1 计数器的设计 ............................................................................................... 7

2.3.2 显示单元电路 ............................................................................................... 8

3 总体电路设计 .......................................................................................................... 10

3.1 整体手绘电路图如图（复印版，原图已上交） ............................................ 10

4 系统调试与仿真 ...................................................................................................... 11

4.1 仿真软件简介 ................................................................................................... 11

4.2 仿真调试 ........................................................................................................... 11

5 实物制作与调试 ...................................................................................................... 12

5.1 实物的制作 ....................................................................................................... 12

结束语 .......................................................................................................................... 13

参考文献 ...................................................................................................................... 14

摘要

随着电子技术的发展，在电子秒表的设计上功能不断完善。本次的设计任务便是设计一个可以精确到百分之一位的电子秒表。因此，本文首先对电子秒表的初步设计思路进行分析并列出整体框架，在此基础上，再进一步详细介绍了其中的基准脉冲，控制，和显示电路，并用multisim进行了初步仿真。然后，通过在面包板上连接实物对此实验的原理有了更深刻的理解，最后，本文就本次课程设计进行了归纳与总结。

关键词：秒表 基准脉冲 计数 仿真

电子秒表的设计与制作

1 总体设计框图与方案选择

1.1 设计思路

首先，本次电子秒表的设计任务要求计数精度可达百分之一秒，因此基准脉冲应该获得频率为100HZ的脉冲信号。要求可显示时间99.99秒，因此每一位都为十进制位。控制部分可用三个控制键分别进行启动、暂停、清零功能。分别实现以上模块功能，即可设计出符合要求的电子秒表。

1.2 方案的选择与论证

方案一 基于十进制计数芯片74LS160的设计

题目要求达到可计数99.99秒，则需要四个数码管；要求计数分辨率为0.01秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。可采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。秒表核心部分使用四个74LS160计数器级联而成，这种连接方式简单，使用元器件数量少。

1.2．1 方案一总体设计框图

图1.1 方案一原理方框图

本电路由启动、暂停、清零电路、多谐振荡电路、计数电路、译码显示电路等组成，整体上是按照基准脉冲产生部分，控制部分和计数、译码、显示部分这三大部分来设计的。

方案二 基于单片机的电子秒表设计

此方案采用单片机作为总体控制部分，利用8051单片机的定时器/计数器定时和记数的原理，使其能精确计时。利用中断系统使其能实现开始暂停的功能。P0口输出段码数据，P2.0-P2.4口作列扫描输出，P1.1、P3.2、P3.3、P2.5分别接四个按钮开关，分别实现开始、暂停、清零和查看上次时间的功能。显示电路由五位共阴极数码管组成

图1.2 方案二硬件设计框图

比较两种方案，方案一使用555定时器构成的多谐振荡器可通过对其电阻电容的计算产生0.01秒脉冲，然后连接计数器电路以及译码显示电路，简单实用，成本低廉。而方案二用单片机组成控制部分在其中输入程序来控制按键，输入脉冲等部分，较为精确和方便，减少了芯片的使用，但是它原理较为复杂且成本较高，因此我们选择方案一。

2 单元电路的分析与设计

2.1 基准脉冲电路设计

（1）555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，输出驱动电流大约为 200mA，因而它的输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

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。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列R如图2.1 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。

图2.1 555定时器电路结构图

由图2.1知，555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则C1的输出为0，C2 的输出为1，可将 RS 触发器置0使输出为0电平。

⑵由555定时器构成的多谐振荡器如图2.2（a）所示，图2.2(b)为其工作波形

图2.2 555构成的多谐振荡器

其工作原理如下：接通电源后，VCC经R1、 R2给电容C充电。由于电容上电压不能突变，电源刚接通时υC

当υC上升到大于Vcc／3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状态不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC／3时，RD =0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。这时Q=1，使内部放电管饱合导通。于是电容C经R2和内部放电管放电，υc按指数规律减小。

当υC下降略小于Vcc／3时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。这时，Q=0，内部放电管截止。于是C结束放电并重新开始充电。如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲，如图2.2（b）所示。

由图2.2（b）可见，υC将在Vcc／3和2VCC／3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2

充电时间 T1(R1R2)Cln20.7(R1R2)C

放电时间 T2R2Cln20.7R2C

矩形的振荡周期TT1T2ln2(R12R2)C0.7(R12R2)C„„„„„„① 因此改变R1、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。

当矩形波的频率f=100 Hz时，振荡周期T=0.01s。当取C=0.1µF,R1=40千欧，若使T=0.01s，那么，R2≈51千欧。

2.2 控制电路的设计

2.2.1 启动暂停以及清零开关

启动和暂停控制开关是由基本RS触发器构成的。基本RS触发器是由两个与非门交叉耦合而成的，是TTL触发器的最基本组成部分，其逻辑图如图2.3所示，它能够存储1位二进制信息，但存在 R+S =1的约束条件，如图2.3所示。

图2.3

基本RS触发器的用途之一是作无抖动开关。例如触发器是具有记忆功能的二进制信息存储器件，是时序逻辑电路的基本器件之一。在图2.3（a）所示的电路中通过希望在开关S闭合时，A点电压的变化是从+5V到0V的清楚跃迁，但是由于机械开关的接触抖动，往往在几十毫秒内电压会出现多次抖动，相当于连续出现了几个脉冲信号。显然，用这样的开关产生的信号直接作为电路的驱动信号可能导致电路产生错误动作，这在有些情况下是不允许的。为了消除开关的接触抖动，可在机械开关与驱动电路间接入一个基本RS触发器，把带RS触发器的无抖动的开关称为逻辑开关。

电路中，将S端开关和R端开关接地，输出的Q端与CP信号一起接入与非门，分别控制启动和暂停功能。当启动键按下时S端输入低电平Q端输出为1与非门开启CP信号输入有效，当暂停键按下时，R端输入低电平，Q端输出为0，与非门关闭CP信号输入无效，因此达到暂停功能。清零开关便是把所有74LS160的CR端连起来一起接地即可。

2.3 显示电路设计

2.3.1 计数器的设计

基准脉冲通过四级计数器，“秒”十分位、百分位、个位、十位的计时。由要求可知计数器可以采用74LS160。74LS160是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器，且有进位信号输出端，可将其级联计数使用。其管脚图和逻辑功能表如图

图2.4 74LS160逻辑功能表

图2.5 74LS160引脚图

由74LS160构成的100进制计数器如图

图2.6 两片74LS160构成的100进制计数器

如图所示，要使计数能达到99.99秒则依照此连接方式使四片74LS160串联即可实现该要求。

2.3.2 显示单元电路

本设计中选用的74LS48是BCD码七段译码器兼驱动器，输出端（Ya－Yg）为高电平有效，可驱动共阴极LED显示器，其外引线排列图和功能表分别如图2.7和表2.8所示。

U1

~BI/RBO~RBI~LTABCD

OA

OBOCODOEOFOG

74LS48D

表2.8 74LS48功能表

图2.7 74LS48 外引线排列图

显示器采用七段发光二极管显示器，它可直接显示出译码器输出的十进制数。七段发光显示器有共阳和共阴两种接法。与74LS48译码器配套的显示器为共阴型。显示部分电路如图

图2.9 显示部分电路（仿真时省略了译码器）

3 总体电路设计

3.1 整体手绘电路图如图（复印版，原图已上交）

图3.1

4 系统调试与仿真

4.1 仿真软件简介

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

4.2 仿真调试

在Multisim中将总体简化电路图画好以后，启动仿真会发现虽然理论计算值的基准脉冲信号确实为0.01秒脉冲，在秒脉冲处加上一个示波器测量也的确基本上为0.01秒，但是由于仿真软件有一定延迟性因此秒计数并没有达到应该达到的速度，因此在调试中我们加大了基准脉冲，使秒计数达到预计的效果如图。

图4.1

5 实物制作与调试

5.1 实物的制作

通过小组成员的讨论，最终讨论出了一个小组最优方案：利用三片74LS90，将A端与Qa端相连构成十进制计数器，将555输出的脉冲信号输入低位90，将Qa端与上一级的CP相连，当从零到1001再到零时有下降脉冲使前一级的计数器工作，便构成了三位秒表的结构。最终通过连线和调试得到了满意的结果。

在电路调试过程中，刚开始由于555构成的多谐振荡器出现了一定的问题，脉冲信号不能成功输出，显示器停留在0不显示，最后通过小组成员共同努力下调整了555定时器的参数，使秒表正常运行。在整个电路调试过程中可以发现，理论计算出的值在实际运行中还是误差很大，需要在实际调试中试出最恰当的电阻和电容值。

结束语

在这次课程设计中，本来以为我们这一组的题目比较简单，应该能很快就完成，就像平时做数电实验一样。可是我发现平时我们做数电实验也就连一下导线，什么显示器脉冲信号都是给好了的，但是课程设计不一样，它是要求从根本上理解和运用，这让我深深体会到了设计过程的辛苦与甘甜。首先，我花了一两天时间在图书馆里翻阅相关资料，其间，我经常在网上搜阅资料，网上的资料浩如烟海，找到自己需要的东西也不易；最后，我们队友之间还要经常在一起讨论设计方案。这一过程真的好辛苦，以前可没有这种感受，不过，这一过程同时也是甘甜的，因为我学到了好多知识，感到很充实，将自己所学知识用于实物制作也感到很自豪。真正感觉是自己在设计，在制作，而不是机械地对着书连线而已。

总之，这次的课程设计，它锻炼了我找寻资料的能力，锻炼了我自主解决问题的能力，更锻炼了我的动手能力。它让我体会到了队友合作的重要性，更让我真实的体会到了学与用的不可分割性。学习知识是一个长期的过程，这个过程也就是我们不断的遇到问题、解决问题。通过我们解决问题，就可掌握新的知识。这次是我第一次接触课程设计，对我来说是一个难得的历练机会，尽管它很短暂，但我收获颇多，让我明白了以后怎样学习知识，也为以后设计制作打下了基础。由于所学知识有限，我们小组所设计的电路在理论达到要求时在实际电路中还需要不断调试才能达到要求，这也真正让我们脱离书本运用理论到实际。

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]周新民.工程实践与训练教程.武汉:武汉理工大学出版社.2009 [3]罗中华.数字电路与逻辑设计教程:北京.电子工业出版社,2006 [4]欧阳星明,数字电路逻辑设计.北京:人民邮电出版社,2011

本科生课程设计成绩评定表

指导教师签字：

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