电子秒表实验报告0213124835.docx
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电子秒表实验报告0213124835
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1绪论
1.1课题背景
1.2秒表的发展趋势
1.3本课题研究内容
2研究方案与预期成果
2.1研究方案
2.2预期成果
3设计任务与思想
3.1设计任务
3.2设计目的
3.3设计总体思想
4系统硬件设计.
4.1系统硬件设计框图
4.2LED显示电路
4.3时钟分频计数电路
4.4秒脉冲电路.
4.5控制开关电路
4.6系统电路图.
5系统仿真与调试
5.1软件平台
5.2系统仿真
5.3系统软件调试
5.4仿真测试
6电路板焊接与调试
6.1焊接步骤
6.2注意事项
6.3元件清单
6.2实物图
7总结
电子秒表的设计
摘要:
本次设计的电子秒表计数器利用显示电路、数码管以及外部中断电路来设计秒表。
使得电路能够实现7段数码管的动态显示。
仿真系统利用EW睐实现,简单且易于观察,在仿真中就可以观察到实际的工作状态。
利用555芯片实现秒信号脉冲本次设计的秒表作为电路脉冲源,利用基本RS触发器实现
电路的暂停、复位,用三个74SI90实现100进制。
具有从0秒0到99秒9计数功能以及暂停功能,具有一定的研究价值。
关键字:
触发器,555芯片,74Ls90
1绪论
1.1课题背景
奥运男子百米飞人大战中,牙买加飞人博尔特以9秒69的成绩夺得冠军。
而博尔特冲过终点的瞬间,荧屏显示其成绩为9秒68。
相差的这个0.01秒,由电子计时系统确认。
奥运会男子100米蝶泳决赛上,美国选手菲尔普斯以50秒58的成绩惊险夺冠,距离“八金梦想”仅一步之遥。
塞尔维亚选手查维奇以50.59秒获得银牌,只比菲尔普斯慢0.01秒。
这种细微的差距,即使是现场大屏幕用经典超慢镜头回放,也无法分辨。
2004年8月28日15点15分,中国选手孟关良/杨文军在雅典奥运会男子500米划艇决赛中,以1分40秒278的成绩获得中国在雅典奥运会的第28金。
这是中国皮划艇项目的第一枚奥运金牌,也是中国水上项目在历届奥运会上所获得的第一枚金牌。
孟关良/杨文军的成绩比获得银牌的古巴选手只快了0.072秒,以至于两人在夺冠之后还不敢相信。
在现在的体育竞技比赛中,随着运动员的水平不断提高,差距也在不断缩小。
有些运动对时间精度的要求也越来越高,有时比赛冠亚军之间的差距只有几毫秒,因此就需要高精度的秒表来记录成绩。
1.2秒表的发展趋势时间是日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域最常遇到的一个物理量。
测量时间的基本方法是使用秒表直接测量。
其中秒表的精度是人们最
关心的,这就要求它的计时最小单位足够小,显示模块的灵敏度足够高。
随着人类科技文明的发展,人们对于秒表的要求在不断地提高。
秒表已不仅仅被看成一种用来计时的工具,在很多实际应用中它还需要能够实现更多其它的功能。
高精度、多功能、小体积、低功耗,是现代秒表发展的趋势。
在这种趋势下,秒表的数字化、多功能化已经成为现代秒表生产研究的主导设计方向。
1.3本课题研究内容
本次设计的电子秒表计数器利用显示电路、数码管以及外部中断电路来设计秒表。
使得电路能够实现7段数码管的动态显示。
仿真系统利用EW昧实现,简单且易于观察,在仿真中就可以观察到实际的工作状态。
本次设计的秒表具有从0秒0到99秒9计数功能以及暂停功能,具有一定的研究价值。
2研究方案与预期成果
2.1研究方案
根据课题研究内容,电路主要由LED驱动显示电路,十进制计数电路,秒脉冲电路,控制开关电路组成。
基于数字电路。
传统的秒表以最为基本的数字电路来实现的。
2.2预期成果
根据课题研究内容,本设计的秒表要实现的功能是从00秒0到99秒9计数功能以及启动暂停功能。
3.设计任务与思想
3.1设计任务
a.设计一个简易秒表,该秒表由3位七段LED显示器显示,其中一位显示“mS'数字,两位显示“s”,其中一个LED显示器显示“s”的个位数字,另一个显示“s”的十位数字,其中显示分辩率为0.1s,计时范围99.9s。
b.设计秒表原理图,并对设计电路进行仿真。
写出完整、详细的课程设计报
3.2设计目的
a.进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用。
b.学习和练习在面加深理解数字电路的基本理论知识,学习基本理论在实践中综合运用的初步经验,掌握数字电路系统设计的基本方法包括板上接线的方法、技术、要注意的问题。
c.学习数字电路实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法。
d.学习仔细的做实验的习惯,积极的查找资料。
e.提高分析和解决实际问题的能力。
f.增强团队合作的意识,提高团队合作的能力。
3.3设计总体思想
RS触发器作为启动和停止秒表工作的电路。
为实现电子秒表的计时与显示功能:
首先,需要一准确的时钟脉冲,脉冲频率为50Hz在一般教学实验箱中有连续可调的时钟脉冲,而在EWB软件中可用模拟的信号发生器,为了达到进一步熟悉和应用数字电路模块,我们模拟应用了555振荡器。
而开关控制电路,用集成与非门构成的基本RS触发器。
其次,需要一时钟脉冲分频电路,以生成所需脉冲,考虑到时钟进制为十进制,输出得到秒以及秒后的一位所需的显示信号。
此电路主要由74LS90,74LS48等集成电路构成的组合电路实现。
最后,需要显示译码电路,显示电路输出结果。
本设计用的是LSD5114LED显示器的译码器。
3.4设计原理
a.设计指标
(1)数字式秒表实现简单的计时与显示,按下启动键开始清零计时,按下停止键,计时停止。
(2)具有“秒--个位”(0—9),“秒--十位”(0—9),“十分之一秒”(0—9)数字显示,分辨率为0.1秒。
计时范围从0秒0到99秒9。
b.电子秒表的构成
如图2.2所示为电子秒表的一般构成框图。
利用555设计一个多谐振荡器,
其产生的秒脉冲触发74LS90计数,计时部分的计数器由0.1s位、s个位、s
十位三个计数器组成,最后通过74LS48译码在数码管上显示输出。
由启动和
停止电路控制启动和停止秒表。
(如下图)
数字时钟
电路
杪脉冲电路
显示译码器电路
控制开关电路
图2
3电路硬件设计
3.1电路设计框图
根据设计方案,硬件电路由电路主要由LED驱动显示电路,十进制计数电路,秒
脉冲电路,控制开关电路组成。
电路设计框图如图所示:
电路设计框图
3.2LED显示电路
LED显示电路由三个七段数码管和三个74LS48芯片组成的驱动电
路组成。
□V
BCDL七壬
GM'
a.七段数码管
引脚图:
V1EV1F1EVV
ABCDEFGDF
数码管使用条件:
a.段及小数点上加限流电阻
b.使用电压:
段:
根据发光颜色决定;小数点:
根据发光颜色决定
c.使用电流:
静态:
总电流80mA(每段10mA);动态:
平均电流
4-5mA峰值电流100mA
d.数码管表面不要用手触摸,不要用手去弄引角;
e.焊接温度:
260度;焊接时间:
5S
f.表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。
真值表:
表412BCD七段译码器真直表
D
A
B
A
出
字
形
F*F,
町A
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
厂丄
0
0
0
1
0
1
]
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
I
1
0
1
0
0
1
I
1
1
¥
I
Q
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
I
D
i
1
0
1
1
0
1
0
1
1
I
1
1:
c
l—1
PI
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
c
I
0
0
0
1
1
I
1
1
1
1
匚!
1
0
0
1
I
1
1
1
0
I
1
匚1'
—
驱动电路;
驱动电路由三个74LS48组成的集成电路。
对于74LS48,接触过的人并不会感到陌生,因为他是常用的驱动Led的芯片。
74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入(DCBA和输出(Ya〜Yg)端外,7448还引入了灯测试输入端(LT)和动态灭零输入端(RBI),以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出(BI/RBO)端。
由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能:
(1)7段译码功能(LT=1,RBI=1)
在灯测试输入端(LT)和动态灭零输入端(RBI)都接无效电平时,输入DCBA经7448译码,输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号,显示相应字符。
除DCBA=0000外,RBI也可以接低电平,见表1中1〜16行。
(2)消隐功能(BI=0)
此时BI/RBO端作为输入端,该端输入低电平信号时,表1倒数第3行,无论LT和RBI输入什么电平信号,不管输入DCBA为什么状态,输出全为“0”7段显示器熄灭。
该功能主要用于多显示器的动态显示。
(3)灯测试功能(LT=0)
此时BI/RBO端作为输出端,端输入低电平信号时,表1最后一行,与及DCBA俞入无关,输出全为“1”显示器7个字段都点亮。
该功能用于7段显示器测试,判别是否有损坏的字段。
(4)动态灭零功能(LT=1,RBI=1)
此时BI/RBO端也作为输出端,LT端输入高电平信号,RBI端输入低电平信号,若此时DCBA=0000,表1倒数第2行,输出全为“0”,显示器熄灭,不显示这个零。
DCBA^0,则对显示无影响。
该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。
3.3时钟分频计数电路
通常,数字钟的晶体振荡器输出频率较高,为了得到10Hz的秒信号输入,需要对振荡器的输出信号进行分频。
须设计一个五进制计数器,对频率为50HZ的时钟脉冲进行五分频,在输出端Q4取得周期为0.1S的矩形脉冲,作为时
间计数单元的时钟输入。
用集成异步计数器74LS90实现
74LS90引脚图
74LS90功能表:
功
输
入
输出
能
清0
置9
时钟
Q4Q3Q2Q1
R9
(1)、
CP1
R0
(1)、R0
(2)
R9
(2)
CP2
0
X
1
1
X
0
XX
0
0
0
0
清0
0
X
1
1
XX
1
0
0
1
置9
X
0
0X
0X
二进
J1
Q1输出
X0
X0
制计数
1J
Q4Q3Q2俞出
五进
制计数
JQ1
Q4Q3Q2Q输出8421BCD
码
十进
制计数
Q4J
Q1Q4Q3Q输出5421BCD
码
十进
制计数
11
不变
保
持
清零、置9功能。
a异步清零
当R)
(1)、R)
(2)均为“1”S
(1)、S
(2)中有“0”时,实现异步清零功能,即QQQBQ
=0000。
b置9功能
当$
(1)、S
(2)均为“1”R)
(1)、R
(2)中有“0”时,实现置9功能,即QQQQ=1001。
时间计数单元
时间计数单元有分计数、秒计数和0.1秒计数等几个部分。
要实现0.1.秒计数,须设计一个10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74LS90实现。
十分之一秒计数器和分计数器是十进制,所以只需要将74LS90接成十进制即可。
74LS90
3.4秒脉冲电路
用555定时器构成方波发生器组成秒脉冲电路。
(1)555定时器引脚排列及功能表
4d
8
U?
RESET
VCC
2
7
IRIG
DISCHG
THOLD
6
3
OUT
tr\\~r
5
CVOLT
GND
1UA555
它的各个引脚功能如下:
1脚:
外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地
8脚:
外接电源VCC双极型时基电路VCQ的范围是4.5~16VCM0S型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚:
输出端Vo
4脚:
Rd是直接清零端。
当rd端接低电平,则时基电路不工作,此时不论TL、TH处于何电平,时基电路
2脚:
TL低触发端
6脚:
TH高触发端
输出为“0”,该端不用时应接高电平。
5脚:
VC为控制电压端。
若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01卩F电容接地,以防引入干扰。
7脚:
放电端。
该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。
2VCC—VCC
在1脚接地,5脚未外接电压,两个比较器A—A2基准电压分别为3,3
的情况下,555时基电路的功能表如下表所示:
555时基电路的功能表
Rd
U/TH)
C/Z(TR)
0
X
X
0
导通
1
2
<訓
1
截止
1
2>jucc
0
导通
1
不变
1
不变
555秒脉冲连线图:
3.5控制开关电路
控制开关电路由一个基本RS触发器构成,其功能包括:
清零启动计数电路,暂停计数电路。
a.基本RS触发器
:
Key-Space:
:
:
:
:
:
:
:
:
;:
:
:
:
:
74LS0GD
RS触发器是构成其它各种功能触发器的基本组成部分,故又称为基本RS触
发器。
它是一种直接置位复位的触发器。
1)基本RS触发器的组成
基本RS触发器主要是由两个与非门交叉耦合构成,如图1所示,右图为逻辑符号。
1.;-和'是两个输入端,匚表示置1端(置位端),二表示置0端(复位端),SD与FD上有逻辑非符号表示这种触发器必须用低电平加到输入端才能使它翻转,这种情况称为低电平触发。
2.Q和十是两个输出端,触发器处于稳定状态时,它们的状态相反。
3.逻辑符号中的小圆圈表示输入低电平有效
2)与非门组成的基本RS触发器工作原理
根据“与非”门的逻辑关系,只要有一个输入端为低电平,输出就是高电平(即见0得1),只有所有输入端均为高电平时,输出才是低电平(即全1得0)。
依据这一逻辑关系分析基本RS触发器的工作原理如下:
1.」_=0、’一=1
假定所加的输入信号为1=0、==1;
(1)触发器原来处于0状态
假定触发器原来处于0状态(规定Q端的状态为触发器状态),即Q=Q「一,按照与非门“有低出高”的功能,会使B门输出Q=1(即A门输入a=1),此时A门两输入端均为高电平,按“全高出低”的功能,©八(即b=0),于是触发器由原来的0状态翻转为1状态,即使撤除输入信号,因b=0,所以触发器仍会保持B门输出Q=1和A门输出7,即触发器可稳定地保持1状态不变,这就是
触发器具有存储(记忆)功能的原因。
(2)触发器原来处于1状态
假定触发器原来处于1状态(即Q=1,…'),这时相应的输入端a=1、b=0,即使输入信号「匚=0、■=1,触发器仍会保持1状态不变。
2.;-=1、【=0
假定所加的输入信号为】=1、==0;
(1)触发器原来处于0状态
假定触发器原来处于0状态(即Q=Q〕一),这时B门翻转输出低电平(即
a=0),A门因“有低出高”,即b=1,因a=0,由与非门功能得知:
无论二输入什么信号都不会改变^-_,Q=0的状态
(2)触发器原来处于1状态
假定触发器原来处于1状态(即Q=1,匸二°),因交叉相连会使a=1、b=1,当输入信号'二=1、广-=0到来后,A门翻转「,同时b从0变为1,于是B门翻转Q=Q触发器从1状态变为0状态。
3.
-=1
假定输入信号I=1、二=1,不难看出,它不能改变与非门的输出状态,所以触发器仍保持原来状态不变。
4.:
-=0、【=0
假定输入信号【=0、\」=0,由于都是低电平,故两个与非门输出必须定都是高电平,即Q丄=1,但触发器的输出状态必须是一高一低,故这种情况是禁止的。
将以上分析结论归纳整理以后,即可得到基本RS触发器的真值表如表1所列。
由该表可清楚看出:
基本R-S触发器具有置0、置1和维持原来状态三种功能。
触发器的逻辑表达式为:
表1基本RS触发器的真值表
0
1
1
0
1
0
1
0
Qn+1
1
0
Qn
禁止
说明:
Qn+1为Q端新状态,Qn为Q端原状态
b.74LS00
vrtHAMV413AJV3
14
13
12
ii
!
9
L
」L
L>
4
>—
i
Al
74LS0
真值表:
7
91
0
勢i
弓
7J
1脚图
2Y
lfI7
2GMO
Inputs输入
输岀
A
B
Y
L
L
H
L
H
H
H
L
H
H
H
L
4.6系统电路图
< £士區亠亠g43u4T3)關針,FIlYEAa-耳N 5系统仿真与调试 5.1软件平台 我们本次电路的设计利用的模拟软件是EWB EWB定义: EW软件,全称为ELECTRONICSWORKBENCHED交互图像技术有限公司在九十年代初推出的EDA软件,用于模拟电路和数字电路的混合仿真,利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。 EWB是一款小巧,但是仿真功能十分 强大的软件。 近几年开始在国内使用。 现在普遍使用的是在WIN95环境下工作的EWB5.0(在国内曾见过6.0的演示版,注: EWB5.0也可以在WINDOWS3环境下使用,但需安装WING32T具)。 EW助能: 相对其它EDA软件而言,它是个较小巧的软件,只有16M功能也比较单一,就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真,但你绝对不可小瞧它,它的仿真功能十分强大,可以几乎100哋仿真出真实电路的结果,而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具,它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电 路和数字门电路芯片,器件库中没有的元器件,还可以由外部模块导入,在众多的电路仿真软件中,EW是最容易上手的,它的工作界面非常直观,原理图和各种工具都在同一个窗口内,未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件,对于电子设计工作者来说,它是个极好的EDA工具,许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果,而且若想更换元器件或改变元器件参数,只需点点鼠标即可,它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用。 5.2系统仿真 根据我们设计的电路图,在EW歆件上将各个电子元件依次按顺序连接起来,用虚拟的软件来模拟我们在实物图中的电路,了解各个电子元件的功能。 虽 是模拟连接电路,但是我们也要与实际相符合,按照合理正确的方法使用各种电子元件。 5.3系统仿真调试 (1)设计连接电子秒表电路 (2)对由555定时器构成的多谐振荡器进行测试接入模拟示波器进行采样 计算是否产生了50HZ时钟脉冲信号,并不断调节滑动电位器直到输出50HZ始终脉冲信号为止。 (3)单稳态触发器的测试 1静态测试 用滞留数字电压表测试A、B、DF各点的电位值并记录。 2动态测试 输入端接1KHZ连续脉冲源,用示波器观察并描绘D点(Vd)、F点(V。 )波形,如嫌单稳态输出脉冲持续时间太短,难以观察,可适当加大微分电容C(如改为0.1卩)待测试完毕,再恢复4700P。 (4)调试清零、停止功能的基本RS触发器电路。 仿真开始测试K1、K2是否实现清零、暂停功能 (5)观察计数及显示译码器的测试 1计数器U接成五进制形式,R) (1)、R) (2)、S (1)、S) (2)接逻辑开关输出插口,CP接单次脉冲源,CP接高电平“1”,QD~Q接实验设备上译码显示输入端DC、B、A, 2计数器U2及计数器U接成8421码十进制形式,同内容 (1)进行逻辑功能测试。 记录 3将计数器UUL3级联,进行逻辑功能测试记录。 (6)电子秒表的整体测试 各单元测试电路正常后,把各单元电路连接起来,进行电子秒表的总体测试,先按一下按钮开关K2,此时电子秒表不工作,再按一下按钮开关K1,则计数器清零后便开始计数,观察数码管的显示计数情况是否正常,如不需要计时或暂停计时按一下开关K2,计时停止,但数码管保留所计时之值。 (7)电子秒表的准确度的测试 利用电子时钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准 5.4仿真测试 在正确连接的电子秒表电路图中,运行模拟电路,并与标准规格 的秒表进行比较,找出其中的误差。 仿真测试图如下: LKmeT■璋i2? 在EWE中测试秒表计数器,测试结果: 32s2 6电路板焊接与调试 目前单片机上网技术是一个热门技术,很多高校学生选择与此相关的毕业设计,同时高校也有与此相关的项目。 通过对一只正规产品单片机学习开发板的安装、焊接、调试、了解电子产品的装配全过程,训练动手能力,掌握元器件的识别,简易测试,及整机调试工艺,从而有助于我们对理论知识的理解,帮助我们学习专业的相关知识。 培养理论联系实际的能力,提高分析解决问题能力的同时也培养同学之间的团队合作、共同探讨、共同前进的精神 6.1焊接步骤 (1
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- 电子 秒表 实验 报告 0213124835