电子秒表课程设计.docx
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电子秒表课程设计.docx
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电子秒表课程设计
湖南人文科技学院
课程设计报告
课程名称:
电子技术课程设计
设计题目数字电子秒表
系别:
专业:
班级:
学生姓名:
学号:
起止日期:
指导教师:
教研室主任:
指导教师评语:
指导教师签名:
年月日
成绩评定
项目
权重
成绩
彭月辉
熊俊辉
鄢卫
1、设计过程中出勤、学习态度等方面
0.2
2、课程设计质量与答辩
0.5
3、设计报告书写及图纸规范程度
0.3
总成绩
教研室审核意见:
教研室主任签字:
年月日
教学系审核意见:
主任签字:
年月日
摘要
本次设计的数字电子秒表以555定时器为核心,由多谐振荡电路,计数译码显示电路,控制电路三大主要模块构成。
由NE555定时器组成的多谐振荡电路通过控制阻值产生10Hz,1Hz的脉冲;输入由74LS192芯片组成的计数电路、74LS48组成的译码电路在数码管FJS5101显示器上输出,以上部分组成计数译码显示电路;通过控制电路实现复位,置数功能,灵活启动停止。
电路是采用外接电源来实现的。
经过仿真、布线、制板等工作,数字秒表成形。
本组在此次设计过程中主要是先分析设计要求,根据提出的设计要求选取合适的芯片,再用multisim10画出电路图,进行仿真。
再用Prote2004Sp2绘制原理图和PCB图,并把PCB图转印到印制板上完成焊接和调试等工作。
最终完成数字电子秒表的工作。
关键词:
NE555定时器;74LS192计数器;74LS48译码器;控制电路
数字电子秒表
设计要求
基本要求:
1 用单面PCB板设计一个数字电子秒表。
2 计时1至99秒,用数码管显示。
3 有直接置位,复位功能。
4 用按钮开关灵活启动和停止秒表的工作。
5 用6v干电池供电(也可以自己设置电源)。
发挥部分:
1 增加倒计时功能。
2 增加0.1s—9.9s的计时功能。
1、方案论证与对比
1.1方案一
显
示
显
示
译
码
译
码
计数器
灵活启动停止
小数点开关
复
位
清
零
时钟脉冲
图1方案一系统方框图
方案一,由555定时器组成的多谐振荡器,通过开关控制,形成两条路线,即可产生10Hz脉冲,也可产生1Hz脉冲,把脉冲送到计数器,通过计数译码,最后又数码管显示。
数码管的控制小数点的管脚处加一个开关,当产生时钟脉冲电路产生1Hz脉冲时,开关断开,不显示小数点。
当时钟脉冲产生10Hz脉冲时,开关闭合显示小数点。
显
示
译
码
显
示
显
示
译
码
译
码
计数器
时
钟
脉
冲
灵活启动
置
数
清
零
1.2方案二
图2方案二系统方框图
方案二,也由555定时器组成的多谐振荡电路产生时钟脉冲,但脉冲的频率已确定为10Hz,在把脉冲送到计数译码器,最后显示。
1.3方案的对比与选择
1)相同点:
1 都能实现该数字电子秒表的功能。
2 都主要有时钟脉冲电路,计数译码显示电路,控制电路三大模块。
3 都通过开关实现复位,清零。
2)不同点:
1 方案一用计数,译码,显示各三片芯片;方案二这三种芯片各用了三片。
2 方案一时钟脉冲通过开关控制可产生10Hz脉冲也可产生1Hz的脉冲;方案二只可产生10Hz脉冲。
3 方案一通在小数点管脚处接一个开关,用开关控制小数点的显示与否。
3)方案选择:
经过多方面的分析与论证,同时考虑到电路复杂[1],势必给后期的布线,焊接带来很多麻烦,线路复杂,布线困难,焊接调试也很难成功。
所以,最终本组选择了方案一。
此方案,在实现此次数字电子秒表的基础上。
还具有线路简单,经济等优点。
为后期的布线,焊接奠定了基础,避免繁琐,易出错的难题,同时,所用元器件较少,经济可靠,节省了大量元器件。
2、数字电子秒表总体方案的分析与设计
2.1电子秒表电路总图
通过多方面的分析,论证和对比,我们最终确定了方案一为此次数字电子秒表设计的方案图[2]。
此后,查阅大量资料,选择适应的芯片,以及其他各种元件,确定电阻,电容的阻值。
然后用仿真软件进行仿真,调试。
最终得到电子秒表的总电路图,如图3所示:
图3电子表秒总电路图
2.2控制电路
1)控制加减计数
图4计数开关
当开关1,4闭合,2,3打开时,实现加计数器;当开关2,3闭合,1,4打开,实现减计数器。
(2)控制置数,清零开关S1
图5置数清零开关S1
开关1打开,3闭合,产生1Hz脉冲。
开关1闭合,3打开,产生10Hz脉冲。
(3)控制不同频率脉冲产生开关S2
图6脉冲产生开关S2
当开关1,3闭合时,实现置数功能。
当3断开时,实现清零复位功能。
(4)控制显示小数点开关S3
图7小数点开关S3
当开关闭合,实现小数点显示。
2.3脉冲产生原理
1)NE555
时基集成电路555并不是一种通用型的集成电路[3],但是它却可以组成上百种实用电路,可谓变化无穷,故深受人们欢迎。
555时基电路具有以下几个特点:
a.555时基电路是一种将模拟电路和数字电路巧妙结合在一起的电路。
b.其电路可采用4.5~15V的单独电路,也可以和其他的运算放大器和TTL电路共用电源。
c.单独的555时基电路,可以提供将近15分钟的较准确的定时时间。
d.具有一定的输出功率,最大输出电驴达200mA,也可以直接驱动继电器,小电动机,指示灯及喇叭。
因此,555时基电路可做:
脉冲发生器,方波发生器,单稳态多谐振荡器,双稳态多谐振荡器等。
2)由555定时器构成的脉冲发生器
图8时钟脉冲发生器
R12=10K,R13=180K,C=3.3uF
a.产生1Hz脉冲(打开开关3,闭合开关1):
f=1.43/(R12+R13+Rw)C
(1)
Rw=31.67KΩ
b.产生10Hz脉冲(打开开关1,闭合开关2):
f=1.43/(R12+R11+Rw)C
(2)
Rw=12.77KΩ
图9波形图
3)555时钟电路构成多谐振荡器
表1555真值表
REST
THR
TRI
OUT
TD状态
0
X
X
0
导通
1
>2/3Vcc
>1/3Vcc
0
导通
1
<2/3Vcc
<1/3Vcc
不变
不变
1
>2/3Vcc
>1/3Vcc
1
截止
1
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
截止
注释:
6脚为THR,触发器输入端,低电平有效。
2脚为TRI,阀值输入端,高电平有效。
4脚为REST,总复位端,低电平有效。
7脚位DIS,放电端。
5脚位CON,控制端。
1脚接地,8脚接电源。
3脚位输出端,TD为内部三极管。
2.4计数译码显示单元
两片十进制加减计数器74LS192,两片74LS48译码器和两片FJS5101AH数码管共同构成构成数字电子秒表的计数译码单元。
第一个74LS192计数器接入脉冲,在输出端QD取得矩形脉冲,作为第二个计数器的时钟输入。
计数器接成8421码十进制形式,其输出端与实验装置上74LS48译码器的相应输入端连接,译码器的输出端再与FJS5101AH数码管相连,共同构成计数译码显示单元。
2.4.1计数器
1)计数器电路
图10计数电路
2)74LS192引脚图
图1174LS192引脚图
3)74LS192功能图
通过不同的连接方式,74LS192可以实现四种不同的逻辑功能;而且还可借助MR对计数器清零,
将计数器置,
,
实现加减。
TCD用于同步借位输出,即倒计时输出,TCU用于同步进位输出。
74LS192芯片的具体功能[3]如下表所示:
表274LS192真值表
输入
输出
功
能
清零
MR
置数
CPD
CPU
PD
PC
PB
PA
QD
QC
QB
QA
1
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
0
清零
0
0
X
X
d
c
b
a
d
c
b
a
置数
0
1
1
x
x
x
x
x
x
x
x
加法
0
1
1
x
x
x
x
x
x
x
x
减法
2.4.2译码器
1)74LS48引脚图
图1274LS48引脚图
2)74LS48引脚功能图
74LS48芯片[3],其中,A,B,C,D为译码器的输入端,a~g为输出端,
/
为灭灯输入/灭零输出端,
为灭零输入端,
为试灯输入端,它们是为了便于使用而设置的控制信号。
只要灭灯输入信号(
/
)和试灯输入信号(
)为高电平(
/
也可悬空,下同),就可对输入为十进制数1~15的二进制码(0001~1111)进行译码。
如果
、
和
/
均为高电平,则译码器对输入十进制数0的二进制码(0000)进行译码。
当灭灯输入(
)直接接低电平时,不管其他各输入端为何状态,各段输出a~g均为低电平,数码管所有发光段均熄灭。
当灭零输入(
)和A,B,C,D输入端为低电平,而灯测试输入(
)为高电平时,所有各段输出a~g均为低电平,使数码管全灭,不显示0字形,同时灭零输出(
)变为低电平(响应条件),用以指示译码器正处于灭零状态。
当灯测试输入(
)加入低电平,并且
/
端为开路或保持高电平时,所有各段输出a~g均为高电平,数码管显示数字“8”。
利用这一功能可用来检查74LS48和数码管七个发光段的好坏。
表374LS48功图
十进制
或功能
输入
/
输出
A
B
C
D
a
b
c
d
e
f
g
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
×
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
2
1
×
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
3
1
×
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
4
1
×
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
5
1
×
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
6
1
×
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
7
1
×
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
1
×
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
9
1
×
1
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
10
1
×
1
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
11
1
×
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
12
1
×
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
13
1
×
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
14
1
×
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
15
×
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
灭灯
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
0
0
灭零
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
试灯
0
×
×
×
×
×
1
1
1
1
1
1
1
1
2.4.3七段显示数码管
7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。
如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极,那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连接在一起并接地;它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上(也是abcdefg)!
此时若显示数字1,那么译码驱动电路输出段bc为高电平,其他段扫描输出端为低电平,以此类推。
如果7段数码管是共阳显示电路,那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。
本设计采用与共阴极数码管与74LS48相匹配。
1)七段显示数码管引脚图
图13数码管引脚图
2)数码管与译码管连接图
图14数码管与译码管连接图
3)真值表
FJS5101AH由七条线段围成8型,每一段包括一个发光二极管。
外加正向电压时二极管导通,发出清晰的光。
只要按规律控制各发光段的亮灭,就可以显示各种字形或字符号。
如,当输入8421码DCBA=0100时,应显示,即要求同时点亮b,c,f,g段,熄灭a,d,e段,故数码管输入应为a~b=0110011。
具体工作如下:
表4七段译码器真值表
输入
输出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁存
锁存
3、调试与检测
3.1调试方法
本次设计中,调试是一个重大的过程,调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。
本课程设计方案的调试包括仿真调试和实物调试。
在设计电子秒表的过程中,开始本组成员利用multisim10软件进行调试。
本组成员先分模块调试[4]。
分模块调试中,先从电源开始调试。
电源是整个设计首先要解决的问题,主要是看电源电路的输入输出是否正常,是否是+6V,当电压的波动较大时,要看整流电路是否正确,否则电压过大电路元件可能会烧坏。
时基产生电路的调试。
555定时器是否产生所需的10Hz或1Hz频率脉冲[3],关系到电子秒表的精确度,所以此部分的设计很关键。
计数部分与译码电路的调试。
74LS192加减计数器通过74LS48译码转化为共阴数码管段码,然后显示。
控制电路的调试。
这部分的调试工作有两方面,第一是要调试启动、停止按钮是否能实现,第二要调试74LS192能否正常受开关控制,要达到复位,置位功能。
各单元电路测试正常后,按总图把几个单元电路连接起来,进行电子秒表的总体测试。
先按一下停止按钮,此时电子秒表不工作,再按一下启动按钮,则计数器清零后便开始计时,观察数码管显示计数情况是否正常,如不需要计时或暂停计时,按一下停止按钮,计时立即停止,但数码管保留所计时之值。
总图调试完全后,制板,焊接,做成实物图。
进行实物调节,按照仿真调节步骤一步一步进行调节看能否达到预期结果。
若未能达到预期结果,检查,看是否焊点没焊好,或者有极性的原件是否接反,芯片管脚是否接对,一步步去检查,指导成功调试出预期结果。
3.2调试故障的原因与排除
在本次课程设计中采用EAD电路仿真,对设计电路进行调试。
运用软件Multisim10。
在调试的过程中遇到不少麻烦经过多次反复的检查和排除,最终达到了设计要求。
故障1:
不能计数。
原因:
芯片可能已烧坏。
排除方法:
检查芯片是否烧坏。
故障2:
时钟电路输出波形不正确。
原因:
电阻参数不正确。
排除方法:
利用公式,算出相符合的电阻,选择正确的参数元件。
故障3:
数码管显示错乱。
原因:
74LS192计数器管脚接错,显示管FJS5101AH极性接反。
排除方法:
查阅资料,弄清计数器管脚,正确接线。
调整数码管的阴阳极接线(按共阴极方法接线)。
故障4:
数码管数字跳动频率不均匀。
原因:
使能输入信号的波形不是规则的矩形波。
排除方法:
用仿真软件观察时钟脉冲和单稳态电路的脉冲波形并调节,最终达到预期效果。
故障5:
实物不能实现预期结果。
原因:
焊点没焊好,导致短路。
排除方法:
修改焊点,达到标准。
3.3调试结果
此次设计的数字电子秒表用单面PCB板设计的,共有16个元器件组成。
通过多方面的调试,最终实现了理想功能。
不仅实现了设计要求的基本功能:
数码管能够显示1s-99s的计数,有直接置位,复位功能,还能灵活启动停止。
同时也完成了拓展功能,不仅能够实现倒计时功能,还能显示0.1s-9.9s.而且布线和焊接工艺都非常好,可以说是一件完美的作品。
4、总结与致谢
本组成员,接到课题后,经过认真激烈的讨论,并开始从网上和大量书籍中查阅了各方面资料,然后确定其基本思路和主要元件。
然后设计出电路图,采用555定时器组成多谐振荡器通过调节电容,电阻阻值来为74LS192提供10Hz,1Hz的时钟脉冲,用74LS48作为译码驱动加到数码管FJS5101AH上。
在用multisim10画出电路图,进行仿真,通过调试最终实现各种功能,确定最终电路图。
再用protel2004sp2画出PCB图,得到印刷图。
由印刷图制板,最后根据电路图,把各个元件在板子上焊接起来,得到了数字电子秒表的实物。
自从进入大学以来,本来应该精彩的大学生活,却没做一点有意义的事情,没有追求,没有目标。
但这三个星期以来,感觉到从来没有过的充实,重新获得了奋斗的动力,不但让我们认识到专业在生活中的实用性,还让我们知道学习的乐趣和努力的方向。
通过这次课程设计,感觉成长了很多,不但学到了专业知识,更确定了人生的目标。
第一:
巩固和加深了数字电子技术和模拟电子技术的基本知识和理解,提高了综合运用所学知识的能力。
第二,增加根据课程需要选修参考资料,查阅手册,图表,文献资料的自学能力。
第三,通过实际电路方案的分析比较,设计计算,元件选取,安装调试等环节,初步掌握了简单的使用电路的分析方法和工程设计方法。
第四,意识到,光有理论知识是不够的,还必须懂一些实践中的知识。
所以在课程设计的实践中,本组成员将理论知识与实际想结合,锻炼自己理论联系实际的能力和实际动手能力。
第五、掌握了比较常用的仪器的使用方法,提高了动手能力,熟悉了一些芯片的功能及各管脚的棕作用。
第六、充分意识到团结的需要性,明白了团结的力量是无穷大的。
为以后的工作打下基础。
第七、培养了严谨的工作作风和科学态度。
第八、在此次设计过程了,本组成员也学习了与专业相结合的企业软件protel2004sp2,multisim10,同时熟练了Word,以及PPt等软件。
第九、熟悉了论文的正确规范的写作格式以及论文的基本框架的写作思路。
这些收获不管是对我们今后的学习还是工作,生活都有着非常重要的作用,帮助我们更好的在学习,更好的生活。
此次的课程设计能过顺利完成,主要来自于各位老师的细心指导和同学们的热心帮助。
借此机会,本组成员在这感谢各位老师和同学的帮助,衷心的说一声:
“谢谢你们”。
特别要感谢的是李新君老师和刘永贵老师,谢谢你们的悉心指导,以及宝贵意见。
祝你们身体健康,万事如意。
5、参考文献
[1]阎石主编.电子技术基础学习指导[M].辽宁:
科技出版社.1985
[2]夏路易主编.电路原理图与电路板设计教程[M].北京:
希望电子工业出版.2002
[3]康华光主编.数字技术基础(第五版)[M].北京:
高等教育出版社.2000
[4]任为民主编.数字电子电路学习和实验指导[M].北京:
广播电视大学出版社.1992
6、附录
附录一元件清单
表1元件清单
符号
型号、参数
数量
备注
定时器
NE555
2
产生脉冲
计数器
74LS192
2
十进制加减计数器
数码管显示器
LC5011-11
2
共阴极
电阻
10k
3
180k
3.9k
1
电位器
33K
电容
0.01uF
1
3.3uF
1
具有极性
拨码开关
3
6个脚
1
8脚
附录二总电路的PCB图
图1总电路图的PCB图
附录三总电路的仿真图
图2总电路图的仿真图
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