资源描述
秒表
课 程 设 计
设计题目: 秒表
系 别 自动控制工程系 班级 自本101
学生姓名 杨静 学号 2010310104
指导教师 张玉梅 职称 讲师
起止日期:2012年 6月11日起——至 2012年 6月 15日止
课程设计任务书
课程设计题目: 秒表
系 别 自动控制工程系 班级 自本101
学号 04 07 28 27 14 10 12
课程设计进行地点: F102
任 务 下 达 时 间:2012 年 6 月 6 日
起止日期:2012 年 6 月11日起——至 6 月 15 日止
教研室主任 曲延华 2012 年 6 月 8 日批准
课程设计任务书
1 设计主要内容及要求
1.1 设计目的:
(1)掌握秒表的构成、原理与设计方法;
(2)熟悉集成电路的使用方法。
1.2 基本要求
(1)能进行分、秒、0.1秒、0.01秒计时,有独立的时间显示电路;
(2)显示完毕后清零并发出响声。
1.3 发挥部分
(1)能进行3组时间纪录;
(2) 清零与响声电路。
(3)实现一个开关对多组数据的存储及查询。
2 设计过程及论文的基本要求:
2.1 设计过程的基本要求
(1)基本部分必须完成,发挥部分可以在已给的或自己寻找的资料范围内任选1-2个方向:
(2)符合设计要求的报告一份,其中包括逻辑电路图、实际接线图各一份;
(3)设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交;
2.2 课程设计论文的基本要求
(1)蓝黑色或黑色钢笔或碳素笔书写,不允许用圆珠笔。项目齐全、字迹工整,有条件的可以打印,不少于3000字。图纸为A3,有条件的可打印,不允许复印。
(2)装订顺序:封面、任务书、成绩评定表、中文摘要、关键词、目录、正文(正文的具体要求按老师讲课要求)、致谢、参考文献、附录(逻辑电路图与实际接线图)。
3 时间进度安排
顺序
阶段日期
计 划 完 成 内 容
备注
1
2012.6.11
主要设计内容,原始框图
打分
2
2012.6.12
框图及初步原理图完成情况
打分
3
2012.6.13
逻辑原理图;书写设计报告
打分
4
2012.6.14
总体逻辑图
打分
5
2012.6.15
答辩、报告
打分
沈 阳 工 程 学 院
数字电子技术课程设计成绩评定表
系(部): 自动控制工程系 班级: 自本101 学生姓名: 杨静
指 导 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料;能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真,遵守纪律,出勤情况是否良好,能够独立完成设计工作,
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务,工作量饱满,难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
(加权分合计乘以12)
分
加权分合计
指 导 教 师 签 名:
年 月 日
评 阅 教 师 评 审 意 见
评价
内容
具 体 要 求
权重
评 分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性;有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满,难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确,论述充分,结论严谨合理,文字通顺,技术用语准确,符号统一,编号齐全,图表完备,书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
(加权分合计乘以8)
分
加权分合计
评 阅 教 师 签 名:
年 月 日
课 程 设 计 总 评 成 绩
分
中 文 摘 要
秒表是体育运动中常用的计时仪器,它通过按键来控制计时的起点和终点。测定运动项目时需要用秒表,秒表与普通钟表(包括手表)不同,它的目的是对某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。这种秒表能进行分,秒和毫秒的计时有独立的时间显示,并且能对数据进行记忆存储。
秒表最重要的性能指标应该是准确地测定时间,因此产生精确的脉冲式本设计的要点。用555定时器构成的多谐振荡器,是一种性能较好的始终源,因此用它来获得频率为1000HZ的矩形波信号,再采用分频电路将频率等分为10份(即10分频),输出频率为所需要的100HZ。另外,由集成与非门构成的RS触发器用来启动和停止秒表的工作,由与非门构成的单稳态触发器的职能是为计数提供清零信号。十进制和六进制的计数器构成秒表的计数单元,然后运用锁存器实现对数据的记忆存储功能,最后通过LED七段显示器显示出要记录的数据。
关键词 脉冲源,分频器,计数器,记忆存储,译码显示
目 录
课程设计任务书 I
数字电子技术课程设计成绩评定表 II
中 文 摘 要 III
1设计任务描述 1
1.1 设计题目:秒表 1
1.2 设计要求 1
1.2.1设计目的: 1
1.2.2 基本要求: 1
1.2.3 发挥部分: 1
2 设计思路 2
2.1 设计功能与应用 2
2.2 秒表设计 2
3 设计方框图 3
4 各部分电路设计及参数计算 4
4.1 RS触发器 4
4.2 单稳态触发器电路 6
4.3 555多谐振荡电路 8
4.4 555多谐震荡器构成的10分频电路 10
5 工作过程分析 12
6 元器件清单 13
7 主要元器件介绍 14
7.1 脉冲源电路 14
7.2 时间计数 15
7.3 锁存器 17
7.4 七段显示译码器74HC4511 18
7.5 数据分配器74138 20
7.6 LED显示器(七段数码管) 21
7.7 计数-译码-显示基本电路 22
小结 23
致谢 24
参考文献 25
附录 26
逻辑电路图 26
1设计任务描述
1.1设计题目:秒表
1.2设计要求
1.2.1设计目的:
(1)掌握秒表的构成、原理与设计方法;
(2)熟悉集成电路的使用方法。
1.2.2 基本要求:
(1)能进行分、秒、0.1秒、0.01秒计时,有独立的时间显示电路;
(2)显示完毕后清零并发出响声。
1.2.3 发挥部分:
(1)能进行3组时间纪录;
(2)清零与响声电路。
(3)实现一个开关对多组数据的存储及查询。
2 设计思路
2.1 设计功能与应用
秒表是体育运动中常用的计时仪器,它通过按键来控制计时的起点和终点。测定运动项目时需要用秒表,秒表与普通钟表(包括手表)不同,它的目的是对某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。这种秒表能进行分,秒和毫秒的计时有独立的时间显示,并且能对数据进行记忆存储。然后在记忆存储的基础上,能够实现在需要的情况下,显示最短时间。即运动员的最好成绩
2.2秒表设计
秒表的最基本的组成部分就是技术,译码,显示组成,但是想要设计的是可以记录多组数据的秒表,就需要寄存器对数据存储。
1 设计开关,可以启动及清零。其中需要接入脉冲整形电路,为整个电路提供清零信号。
2 设计脉冲源,555多谐振荡电路产生脉冲,作为计数。由于555直接输出100HZ不不稳定,就需要555输出1000HZ经过分频再输出100HZ。
3 设计0.01秒到分的计数器电路。将计数器接成6进制,10进制的不同进制,进行计数,才会实现秒,分。
4 设计可以存储多组数据的寄存器或者琐存器。将每一组数据存入不同的锁存器,实现对数据的寄存。
5 设计译码器,向LED显示起输出。
6 设计开关,可是实现对数据的存储和显示。通过开关将数据存入琐存器中,当记录完数据后,还可以通过开关将数据调动出来,在显示器显示。
3 设计方框图
七段译码器(六个)
4-7译码器(六个)
寄存器(六个)
计数器(六个)
分频器
单稳态电路
SR触发器
555多谐振荡器
4 各部分电路设计及参数计算
4.1 RS触发器
(1)RS触发器原理图
图4.1.1 RS触发器原理图(Multisim版)
图4.1.2 RS触发器原理图(QuartusII版)
表4.1.1 RS触发器功能表
R
S
Q
0
0
不变
0
1
0
1
0
1
1
1
不定
(2)RS触发器仿真波形
图4.1.2 SR触发器仿真波形(Multisim版)
图4.1.3 SR触发器仿真波形(QuartusII版)
(3)工作原理:
用集成与非门构成的基本RS触发器,属低电平有效的触发器,有直接置位、复位的功能,其中R称为置0端,S称为置1端,它的一路输出作为单稳态触发器的输入,另一路输出Q作为与非门的输入控制信号,按动按钮开关,则S2复位,再按开关S1,则Q端由0变1,下面的与非门开启,为计数启动作好准备。
用集成与非门构成的RS触发器有直接置位,复位的功能,作为启动和停止秒表工作的电路。
4.2单稳态触发器电路
(1)单稳态触发器原理图
图4.2.1 单稳态触发器原理图
(2)单稳态触发器波形图
图4.2.2 单稳态触发器波形图
(3)原理介绍
将启动和停止电路输出的不规则脉冲整形为具有一定幅度和一定宽度的脉冲,为计数器提供清零信号。启动和停止电路单元的按钮按下, 则此电路输出一个持续时间一定的有效信号( 负脉冲 )。在此期间, 即使按钮有几个连续的负脉冲 , 但电路输出仍保持低电平 , 从而将按钮的抖动屏蔽掉。
4.3 555多谐振荡电路
(1)555多谐振荡电路原理图
图4.3.1 555多谐振荡器原理图
(2)555多谐振荡电路仿真波形
图4.3.2 555多谐振荡器波形图
(3)工作原理
接通电源后,电容被C充电,Vc上升,当Vc上升到2/3Vcc时,触发器被复位,同时放电BJT导通,此时Vo为低电平,电容C通过R2和T放电,使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时,触发器又被置位,Vo翻转为高电平。电容器放电需要一定的时间,放电时间如式(4.3.1)所示:
tPL=R2Cln2≈0.7R2C (4.3.1)
当电容放电结束时,T截止,Vcc将通过R1,R2向电容器C充电,Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc,所需的时间为,如式(4.3.2)所示:
tHP=(R1+R2)Cln2≈0.7(R1+R2)C (4.3.2)
当Vc上升到2/3Vcc时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波,其频率为,如式(4.3.3)所示:
f=1/(tPL+tPH)≈1.43/(R1+2R2)C (4.3.3)
555内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路形式,它的振荡频率受电源电压和温度的变化的影响很小。
4.4 555多谐震荡器构成的10分频电路
(1)10分频原理图
图4.4.1 十分频电路原理图
(2)十分频电路仿真波形
图4.4.2 十分频电路波形图
(2)原理介绍
通常555振荡器输出的频率都会很高,电路中555输出的频率为1000HZ,但是计数器
需要的是的100HZ的信号输入,这就需要对555振荡器的输出信号进行分频。就须设计一个10进制的计数器,对频率1000HZ的的脉冲进行10分频,在输出端得到周期为0.01秒的脉冲,作为时间的计数单元的输入,这用74LS290就可以实现计数。
5 工作过程分析
本次设计的秒表按功能来分,主要能分成八部分。基本RS触发器和单稳态触发器都是由集成与非门构成的,他们分别用来制动和停止秒表的工作,提供清零信号。时钟发生器是用555定时器和十分频电路构成的多谐振荡器,它为计数器产生100HZ的脉冲信号,存储器用来暂存秒表记录的数据,计数及译码显示中,74LS290构成表的计数单元。然后将结果通过共阴极七段译码器显示器显示出来。
(1)首先,用基本RS触发器的按纽开关启动秒表。
通过控制R.S与非门触发器来控制多组记忆秒表的启动和停止。当R,S触发器接地 时,使Q=1,Q=O。但稳态触发器有一个稳态和暂稳态,无外加触发信号时,电路处于稳态,在外加触发脉冲作用下,它由稳态进入暂稳态,暂稳态维持一段时间后,电路又自动返回到稳态。
(2)通过555振荡器进行脉冲分频。
输出100HZ脉冲作为时钟计数信号;555多谐振荡器发出1000HZ的信号,经过十进制计数器74290分频输出100HZ的脉冲信号。
当Q=1,555振荡器发出信号时,信号经过与非门接到74290计数器的低位CP0脉冲输入端,是秒表启动。
(3)信号通过计数器74290进行计数。
信号经过74290计数器,即计数器最大能计60分。计数器输出信号接到74HC373。74HC373对测的数据进行保存。按动开关至高电平端。当CP=1时,数据就被存入各触发器中,当CP=0时,数据被锁存在各触发器中。要是被锁存数据输出,可按动开关对其进行控制。
(4)秒表停止工作与清零。
当RS触发器S接地,即Q=0、Q=1 当Q=0时与非门清零,555振荡器发出信号,计数器74290计数。Q=0时Q=1接到计数器的清零端,使显示器清零
6 元器件清单
序 号
器 件 名 称
型 号
数 量
单 位
1
显 示 器
6
片
2
译 码 器
74LS48
6
片
3
数据选择器
74LS138
2
片
4
存 储 器
74HC373
9
片
5
计数器
74LS290
9
片
6
多谐振荡器
555
1
片
7
电 阻
若干
个
8
电 容
若干
个
9
控 制 开 关
若干
个
7 主要元器件介绍
7.1脉冲源电路
(1)555多谐震荡器
图7.1.1 555多谐振荡器原理图
图7.1.2 555多谐振荡器理论工作波形图
图7.1.3 555多谐振荡器实际工作波形图
图7.1.4 555多谐振荡器管脚图
(2)工作原理
接通电源后,电容被C充电,Vc上升,当Vc上升到2/3Vcc时,触发器被复位,同时放电BJT导通,此时Vo为低电平,电容C通过R2和T放电,使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时,触发器又被置位,Vo翻转为高电平。电容器放电需要一定的时间,当电容放电结束时,T截止,Vcc将通过R1,R2向电容器C充电,Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc,当Vc上升到2/3Vcc时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波.
其频率公式为f=1.43/(R1+2R2)C
7.2 时间计数
(1)74LS290构成的6、10进制电路
图7.2.1 六进制 图7.2.2 十进制
图7.2.3 74LS290管脚图
(2)74LS290原理
表7.1.3 74LS290功能表
它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。如果计数脉冲由CPA端输入,输出由QA端引出,即得二进制计数器;如果计数脉冲由CPB端输入,输出由QB~QD引出,即是五进制计数器;如果将QA与CPB相连,计数脉冲由CPA输入,输出由QA~QD引出,即得8421码十进制计数器。因此,它又称为二-五-十进制计数器。
7.3 锁存器
图7.5.1 74373锁存器
表7.5.1 74138锁存器功能表
工作模式
输入
内部锁存器状态
输出
OE非 LE Dn
Qn
使能和读锁存器
L H L
L H H
L
H
L
H
锁存和读锁存器
L L L
L L H
L
H
L
H
锁存和禁止输出
H * *
*
高阻
7.4七段显示译码器74HC4511
(1)译码器74HC4511
图 7.4.1 74HC4511译码器
(2)原理介绍
表7.4.3 74HC4511译码器
十进制数或功能
输入
输出
字形
LE
BL(_)
LT(_)
D3
D2
D1
D0
a
b
c
d
e
f
g
0
L
H
H
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
L
0
1
L
H
H
L
L
L
H
L
H
H
L
L
L
L
1
2
L
H
H
L
L
H
L
H
H
L
H
H
L
H
2
3
L
H
H
L
L
H
H
H
H
H
H
L
L
H
3
4
L
H
H
L
H
L
L
L
H
H
L
L
H
H
4
5
L
H
H
L
H
L
H
H
L
H
H
L
H
H
5
6
L
H
H
L
H
H
L
L
L
H
H
H
H
H
6
7
L
H
H
L
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
7
8
L
H
H
H
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
8
9
L
H
H
H
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
9
10
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
L
L
L
L
灭
11
L
H
H
H
L
H
H
L
L
L
L
L
L
L
灭
12
L
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
L
L
灭
13
L
H
H
H
H
L
H
L
L
L
L
L
L
L
灭
14
L
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
L
灭
15
L
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
L
灭
灯测试
X
X
L
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
8
灭灯
X
L
H
X
X
X
X
L
L
L
L
L
L
L
灭
锁存
H
H
H
X
X
X
X
输入
输出
R0A R0B
S9A S9B
CP0 CP1
Q3 Q2 Q1 Q0
1
0
XX
0000
X
1
XX
1001
0
0
CP 0
二进制
0
0
0 CP
五进制
0
0
CP Q0
十进制
74HC4511是七段显示译码器,它是分段数码管利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。为了使数码管能够将数码所代表的数显示出来,必须将数码经译码器译出,然后经过驱动器点亮所对应的段。74HC4511输出高电平有效,用以驱动共阴极显示器。该集成显示器设有多个辅助控制端,以增强器件的功能。
7.5 数据分配器74138
(1)74138数据分配器
图7.5.1 74138数据分配器
(2)功能介绍
表7.5.1 74138功能表
数据分配器的作用相当于多个输出的多掷开关,其示意图如7.5.4。这样我通过一个开关,外加一个分频器,数据分配器,构成一个电路,就可以实现一个开关对多组数据的存储及调动。
图7.5.2 数据分配器示意图
7.6 LED显示器(七段数码管)
(1)LED显示器
图7.6.1 LED显示器
(2)功能介绍
表7.6.2 7段LED显示器字符段码
LED显示器在许多的数字系统中作为显示输出设备,使用非常广泛。它的结构是由发光二极管构成如图所示的a、b、c、d、e、f和g七段,并由此得名,实际上每个LED还有一个发光段,一般用于表示小数点,所以也有少数的资料将LED称为八码管。
LED内部的所有发光二极管有共阴极接法和共阳极接法两种,即将LED内部所有二极管阴极或阳极接在一起并通过com引脚引出,并将每一发光段的另一端分别引出到对应的引脚,LED的引脚排列一般如图所示,使用时以具体型号的LED资料为依据。通过点
亮不同的LED字段,可显示数字0,1,┅,9和A,b,C,d,E,F等不同的字符及自定义一些段发光代表简单符号。
com端接5V电压,其它引脚端通过限流电阻接到锁存器74ACT11373的输出,当各段输入端为逻辑“1”,对应的LED不亮;各段输入端为逻辑“0”时,对应LED才发亮。使用时要根据LED正常发光需要的电流参数估算限流电阻取值。电阻取值越小,电流大,LED会更亮,但要注意长时间过热使用烧坏LED。
LED多数情况用于显示十进制数字,要将0~9的数字用7段显示,必须将数字转换为LED对应七段码的信息,比如,要显示“0”,就是让a、b、c、d、e和f段发光,显示“1”,让b和c段发光,等等如表3.2.1所示。然后根据LED是共阴极还是共阳极接法确定LED各输入端应接逻辑1还是逻辑0,如果是共阳接法,要显示“0” 时,a、b、c、d、e和f段就要输入逻辑0,共阴极接法则恰巧相反。也就是说,对于共阴极和共阳极两种不同的接法,显示同一个字符时,对应的显示段码是不同的,互为反码。下表列出了这两种接法下的字形段码关系表。表中的段码数字是以LED的8段与二进制字节数以下列对应关系为前提得到的:
比如为了显示“0”,对应共阴极应该使D7D6D5D4D3D2D1D0 = 00111111B,即3FH;对共阳极应该使D7D6D5D4D3D2D1D0 = 11000000B,即C0H。如表所示,从表中可以看出,对于同一个显示字符,共阴极和共阳极的七段码互为反码。
7.7 计数-译码-显示基本电路
小结
时间过得真快,转眼间为期一个星期的电子课程设计就要结束了。在这短短的一周时间里,我却收获很多东西,同时也深刻的体会到了自己知识的匮乏。在掌握课本知识的基础上,通过这次学习,充分的锻炼了自己的动手能力,让我懂得了理论与实践相结合的重要性。
电子课程设计从一开始我就感觉到了难度,所以认真的对待了这次课程设计,一直没有松懈,还好的就是大体顺利的完成老师交代的任务,但是还是感觉到了一些压力,时间对于我来说,有些紧张,在这一周内完成这一系列的任务,真的感觉到了压力。对秒表这个任务,多少还能从实际的秒表得到一些启发,所以基本思路很快就定下了。并且在图书馆里我还找到了一些关于秒表,以及时钟的一些介绍,这对于我再画秒表这个电路图,还是有很大的帮助。但是真正到画草图,选择适当的元器件时,还是感到了些许的难度,当我看到无数的器件,想找一个最适当的,很难,但是在向老师的请教,同学的探讨中,确定了一些合适的器件,但是到电路中运用的时候还会发现在这些器件中还会有不会合适的,就比如说我用的锁存器,在确定74HC373之前,我还用到了好几个其他的型号的锁存器,但是都由于在对电路越来越深的了解,功能的熟悉中,逐渐的换掉了。在老师的耐心指导下,同学的热心帮助下,我终于顺利地完成了任务。尽管如此,但是我仍觉得在本次设计中还存在着许多不足的地方。比如,我的线路过于繁琐,应用起来比较麻烦等。这都是我在以后学习中应该改进的地方。
电子课程设计涉及到的知识点很多,所以要明白每个器件的作用,才会真正的将这个器件在电路中很好的运用,这就需要更多的查资料,来完成电路。
电子课程设计对学到的知识很好的加以联系,一些看上象是很孤立的知识点都会在设计电路中出现,并且要和其他的器件加以联系,使整个电路发挥到需要的作用,这就对整个电子的知识点都起到了重新的学习,更深的了解,对学习,理解电子课有很大的帮助。
这次课程设计,对我自己来说是深有体会,发现了自己许多的不足之处,知识的储备还是不够,导致自己有一些想法没有在电路中体现出来,这也是我这次课程设计的遗憾之一。在以后的学习中,我回更加努力的学习知识,增加知识量,使自己在以后的实习、课程设计等等的动手实践中,更好、更出色的完成任务。
课程设计这段时间里,我切身体会到了学无止境这四个字的深刻含义。相信在以后的学习生活中,我都会更严格的要求自己,通过这次学习实践,使我对自己所学到的知识有了更进一步的认识和理解。通过亲手设计实践,充分的体会到了学习的乐趣。也学到了很多关于电子产品的知识。相信,没有什么事情比学有所用更让人高兴的了,所以,这样一次既动手又动脑的学习真的让我们每个人都受益匪浅。
致谢
电子课程设计结束了。在这次设计的过程中,我首先要感谢的就是我们的课设指导老师,张玉梅老师,因为在整个过程中如果没有她的耐心指导,我们不会那么顺利地完成任务。为了帮我们修改图稿,从不吝啬自己的时间,即使是耽误了自己的休息时间也不在乎。对于同学提出的问题,更是有问必答,耐心讲解。就算我们的提问不够睿智,她也从不介意,这些都让我深深地感动。同时我要感谢的另一位老师是秦宏老师,因为是她在课堂上不断的的教授我们许多电子知识,才可以让我在课程设计上对电子器件运用自如。
然后我要感谢的是同学们对我的帮助,让我深刻体会到了团结就是力量这句话。在我灰心丧气的时候,大家对我的鼓励和支持;在我搞不懂问题的时候,大家对我耐心的辅导;这些都是我完成任务必不可少的条件。
最后我要感谢的是图书馆的老师对我的帮助和支持,如果没有在图书馆所借到的大量书籍,我是不会完成这个任务。感谢机房的老师为我们提供机器,让我们可以完成报告的打印。
谢谢以上的老师们,是你们让我更好的学习了知识,丰富了自己的实践能力。
参考文献
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附录
逻辑电路图
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