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数电课设论文
《数字电子技术基础》课程设计说明书
题目:
数字跑表
学生姓名:
学号:
院(系):
理学院
专业:
信息与计算科学
指导教师:
2012年5月19日
目录
1.关于数字跑表……………………………………………………………………3
1.1数字电子跑表的背景………………………………………………………3
1.2数字电子跑表的意义………………………………………………………3
1.3数字电子跑表的应用………………………………………………………3
2.选题背景…………………………………………………………………………4
2.1问题分析……………………………………………………………………4
2.2数字跑表的设计……………………………………………………………4
3.数字跑表设计的五个模块………………………………………………………4
3.1第一个模块:
控制模块……………………………………………………4
3.2第二个模块:
分频模块……………………………………………………5
3.2.174161实现分频功能的介绍………………………………………5
3.2.2分频功能的完成……………………………………………………8
3.3第三个模块:
计时模块…………………………………………………8
3.3.174160实现计数功能的介绍…………………………………………8
3.3.2计时模块的完成……………………………………………………10
3.4第四个模块:
选时模块…………………………………………………12
3.5第五个模块:
显示模块……………………………………………………13
4.设计结论………………………………………………………………………14
参考文献…………………………………………………………………………15
1.关于数字跑表
在当今世界,随着各个领域的高科技快速发展,社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,人们各方面综合素质的提高,世界更新换代的节奏与人们生活的步伐也越来越快。
在这高速发展的当今世界,时间对人们来说无疑是极其宝贵的,时间就是金钱。
随着人们各方面素质的提高,不仅科学领域得到了飞速的发展,在当今世界,体育领域也在飞快的发展,运动员们都朝着“更快,更远,更强”的目标努力,特别是一些短跑比赛,要求计时器要足够的精确。
这就出现了本课题研究的电子跑表,用以测量完成某项体育运动所需时间,有秒表、电子计时仪和终点摄像系统等。
用于径赛、游泳、自行车、赛马、滑雪和划船等项目中。
这类钟表要求计时精确,一般分辨力为百分之一秒。
以石英振荡器为时间基准的计时仪可分辨出千分之一秒,并可将数据储存、打印。
电子跑表有起动、停止、复位的功能,有的还增设有侧按钮,表的最小精确值为0.01秒。
单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
单片机模块中最常见的是数字钟,数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。
钟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,因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
1.1数字电子跑表的背景
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗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宝贵,工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。
但是,一旦重要事情,一时的耽误可能酿成大祸。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
单片机应用的重要意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,是传统控制技术的一次革命。
1.2数字电子跑表的意义
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟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、自动起闭路灯、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,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
1.3数字电子跑表的应用
数字钟已成为人们日常生活中:
必不可少的必需品,广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术,使数字钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点,它还用于计时自动报时及自动控制的领域。
2.选题背景
2.1问题分析
设计的数字跑表需要满足具有暂停/启动功能、重新开始功能和用6个数码管分别显示百分秒、秒和分钟的条件。
百分秒用100进制计数器,秒和分钟用60进制计数器。
60进制计数器及100进制计数器均采用两个74160,采用整体置数方式接成。
从60进制计数器和100进制计数器这三个输出端分别接出八个端口,将当前时间编码传送给选时模块,以实现时间的选择和显示。
2.2数字跑表的设计
通过分析设计题目中数字跑表的功能,查阅了相关书籍和资料,思考该题目所需完成的模块。
确定模块后进一步确定需要用到哪些器件。
首先,对于要实现的暂停、启动功能和重新开始功能,需要有一个控制模块完成相关控制。
然后由于需要获得一个100HZ的时钟脉冲,要用到一个分频模块。
将实验箱提供的频率转换为100HZ即数字跑表百分秒的频率。
然后是计时模块,完成跑表的百分秒、秒和分钟的计时功能。
接下来由于实验箱提供的数码显示是扫描显示,必然需要一个选时模块。
最后一部分则是显示模块。
以下详细讲解设计过程:
根据要求,将设计分成五个模块:
第一个模块:
控制模块:
使跑表具有启动、暂停及重新开始的功能;
第二个模块:
分频模块:
对实验箱所提供的频率转换为本设计所需要的为100HZ的时钟脉冲;
第三个模块:
计时模块:
进行时间的计时,同时将当前时间输出给选时模块;
第四个模块:
选时模块:
从计时器得到当前时间输出给显示模块;
第五个模块:
显示模块:
时间显示。
总图如下:
图2-1数字跑表设计电路图
3数字跑表设计的五个模块
3.1第一个模块:
控制模块
RESET端为全局清零按钮,接到控制模块和计时模块的清零端,负责将计数器清零。
当RESET为低电平时,控制模块和总计数器模块清零,跑表重新开始工作。
与门可控制时钟信号是否被输出到下一级。
START_STOP为启动\暂停按钮,当跑表为START状态时CLK端为高电平,QA为1,时钟信号输出,当跑表为STOP状态时CLK端为低电平,QA为0,时钟信号不输出,从而实现开始和暂停的功能。
电路图如下:
图3-1控制模块的电路图
3.2第二个模块:
分频模块
由于最低位的百分秒为100进制,所以数字跑表需要100HZ的频率。
为了将实验箱提供的频率进行转换,将74161接成15进制计数器,从而实现分频的功能,将给定的频率转换为我们需要的100HZ的近似时钟信号。
然后将输出的时钟接入到计时模块。
3.2.174161实现分频功能的介绍
表3-14位同步二进制计数器74161电路的状态转换表
计数顺序
电路状态
等效十进制
进位输出C
Q3
Q2
Q1
Q0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
2
0
0
1
0
2
0
3
0
0
1
1
3
0
4
0
1
0
0
4
0
5
0
1
0
1
5
0
6
0
1
1
0
6
0
7
0
1
1
1
7
0
8
1
0
0
0
8
0
9
1
0
0
1
9
0
10
1
0
1
0
10
0
11
1
0
1
1
11
0
12
1
1
0
0
12
0
13
1
1
0
1
13
0
14
1
1
1
0
14
0
15
1
1
1
1
15
1
16
0
0
0
0
0
0
3-24位同步二进制计数器74161的电路图
/0/0/0/0
/1
/0
/0
/0
/0
/0
/0/0
/0/0/0/0
3-34位同步二进制计数器74161电路的状态转换图
表3-24位同步二进制计数器74161的功能表
由状态转换表和状态转换图可以看出,若计数输入脉冲的频率为f0,则Q0,Q1,Q2和Q3端输出脉冲的频率将依次为f0/2,f0/4,f0/8和f0/16。
从而实现分频功能。
3.2.2分频功能的完成
将实验提供的频率转化为100HZ的频率所设计的电路图
图3-4分频模块的电路图
3.3第三个模块:
计时模块
本模块由两个60进制计数器和一个100进制计数器构成,从而实现百分秒向秒、秒向分的计数功能需求。
60进制计数器及100进制计数器均采用两个74160,采用整体置数方式接成。
从60进制计数器和100进制计数器这三个输出端分别接出八个端口(秒、分、时的个位及十位分别由四个二进制代码表示),将当前时间编码传送给选时模块,以实现时间的选择和显示。
(秒个位:
S0A,S0B,S0C,S0D;秒十位:
S1A,S1B,S1C,S1D;分个位:
M0A,M0B,M0C,M0D;分十位:
M1A,M1B,M1C,M1D;百分秒个位:
H0A,H0B,H0C,H0D;百分秒十位:
H1A,H1B,H1C,H1D.)
3.3.174160实现计数功能的介绍
关于74160实现60进制计数器和一个100进制计数器功能的介绍:
同步十进制:
如果从0000开始计数,则直到输入第九个计数脉冲为止,它的工作状态和四位二进制计数器74161计数相同。
计入第九个计数脉冲后电路进入1001状态,这时Q3'的低电平使门G1的输出为0,而Q0和Q3的高电平使门G3的输出为1,所以4个触发器的输入控制端分别为T0=1、T1=0、T2=0、T3=1。
因此当第十个计数脉冲输入后,FF1和FF2维持0不变,FF0和FF3从1翻转到0,故电路返回0000状态。
74160的功能表与74161的功能表相同,所不同的在于74160是十进制而74161是十
六进制
/0
/1
/0/0/0
/1
/0/0
/1
/0
/0
/0/0/0
/1
/0
3-574160电路的状态转换图
3-674160的引脚图
3.3.2计时模块的完成
总电路图如下:
其中秒位的输入为百分秒的进位,即百分秒计数100次后,秒记数一次。
同时分位的输入为秒位的进位,即秒计数60次后,分计数一次。
图3-7计时模块的电路图
100进制计数器(count100):
两个10进制计数器构成一个100进制计数器,第一片计数器实现计数,第二片计数器记录第一片计数器循环的次数,第一片计数器计数10次,产生一个进位,输入给第二片计数器,第二个计数器便记录一次,记满十次之后,两个计数器便记满10x10次,也就是100次,然后置零,进行下一次的记数。
图3-8100进制计数器的电路图
60进制计数器(count60):
两个10进制计数器构成一个100进制计数器,其中第一片为10进制,第二片为6进制。
第一片计数器实现计数,第二片计数器记录第一片计数器循环的次数,第一片计数器计数10次,产生一个进位,输入给第二片计数器,第二个计数器便记录一次,记满6次之后,两个计数器便记满10x6次,也就是60次,然后置零,进行下一次的记数。
电路图如下
图3-960进制计数器的电路图
3.4第四个模块:
选时模块
本模块由四个八选一数据选择器74LS151和地址选择器74LS161构成。
地址选择器74LS161接入一个1465HZ的时钟信号,使能端和清零端接高电平,使其循环工作,产生一组循环地址码A、B、C,接到数码管的地址端,使其循环显示数字。
同时,地址选择器74LS161产生的一组循环地址码接入到四个八选一数据选择器74LS151上,使其对地址相同的一组数据进行选择,产生四个二进制数A0,A1,A2,A3,即为数码管所要显示的数字的编码。
第一个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的最低位(S0A,S1A,M0A,M1A,H0A,H1A),第二个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的次低位(S0B,S1B,M0B,M1B,H0B,H1B),第三个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的第二位(S0C,S1C,M0C,M1C,H0C,H1C),第四个74LS151上的输入端为秒、分、百分秒个位及十位的四位二进制的第一位(S0D,S1D,M0D,M1D,H0D,H1D),通过这四个八位二进制数比较器74LS151选出同一组数(秒个位:
S0A,S0B,S0C,S0D;秒十位:
S1A,S1B,S1C,S1D;分个位:
M0A,M0B,M0C,M0D;分十位:
M1A,M1B,M1C,M1D;百分秒个位:
H0A,H0B,H0C,H0D;百分秒十位:
H1A,H1B,H1C,H1D.)作为输出A0,A1,A2,A3,接到显示模块输入端。
电路图如下:
图3-10选时模块的电路图
3.5第五个模块:
显示模块
本模块采用BCD—七段显示译码器7448对实验板上数码管进行驱动。
由选时模块输出的显示数字编码A0,A1,A2,A3接至输入端A,B,C,D,使输出端产生七位译码连接到实验箱公共数据输入端ABCDEDG,从而进行数据的显示。
电路图如下:
图3-11显示模块的电路图
4.设计结论
一周的课程设计已经结束,虽然时间很短,但是获益匪浅。
这是我上大学以来第一次做这种由自己设计课程设计,将自己所学的应用于实践中,将平时课本上学习的理论知识应用于实际操作中。
我不仅学到了许多课外的知识,有很多从未接触过类似的领域,所以刚开始的时候一片茫然,不知道该干些什么。
随着研究的逐渐深入,自己渐渐的摸出头绪,掌握了一些规律和方法,设计的成果也逐步成型,最终按照要求完成了设计,并学到了很多课本上没有的知识。
而且还很好的复习了课本上的知识,最重要的是增强了我的实践动手能力,使我深刻地认识到仅仅学习课本上的知识是远远不够的,必须要多多动手,多多实践,才能真正理解并掌握所学的知识,达到学以致用的目的,为以后的工作积累了宝贵的经验,同时我也深深地感受到严谨的态度对于科学研究的重要性。
作为信息与计算科学专业的学生,严禁是必须的,在设计的过程中,一点点的失误都可能造成整个系统的瘫痪,所以每一个细节都要认真思考,认真操作,不能有丝百分的大意。
这一点是非常重要的。
参考文献
【1】《数字电子技术基础(第五版)》阎石主编高等教育出版社
【2】《电子技术基础实验与课程设计(第二版)》高吉祥主编电子工业出版社2005.02.
【3】《电子技术实验与课程设计指导数电分册》许小军主编东南大学出版社2007.10
【4】《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社2007.09
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