24秒数显定时器系统设计(很好很完整).doc

电子技术课程设计

题 目 24秒数显定时器

专 业 测控技术与仪器
指导教师 宁志刚 朱卫华
班 级 测控技术与仪器071班

2010年10月19日

24秒数显定时器系统设计

摘要：该系统选用三端集成稳压器7805所构成的直流稳压电源作为整个系统的供电部分，采用以石英晶体为核心的振荡电路为系统提供时钟脉冲，再通过4060和D触发器74LS74组成的分频电路对时钟脉冲进行15分频,最后产生1HZ脉冲。利用两片74LS90组成的计数电路对1HZ脉冲进行24秒计数，再经过两片译码芯片CD4511进行译码，最后由共阴极七段数码管5161AS进行数显。
关键字：直流稳压电源，石英晶体，分频，译码，数显 　　

ABSTRACT：The system is an integrated selection of three-terminal regulator 7805 composed of DC power supply as the power supply part of the whole system, using quartz crystal oscillation circuit as the core of the system clock pulse, and through 4060, and the composition of D flip-flop 74LS74 divider circuit clock frequency for 15 minutes, finally resulting 1HZ pulse. Using two 74LS90 component count circuit 1HZ pulses 24 seconds count, and then after 2 decoding chip CD4511 decoding, and ultimately the common cathode seven-segment digital tube 5161AS to digital.

KEYWORDS：DC Power，Crystal，Divider，Decoding，Digital display

目录

1系统方案设计..............................................................................................4
1.1 设计任务与要求..................4
1.2 设计分析...................................................................................................4
1.3各模块方案选择和论证............................................................................4
1.3.1直流稳压电源模块的选择..........4
1.3.2 时钟脉冲产生模块的选择.................................................................5
1.3.3分频电路模块的选择.........................................................................5
1.3.4计数电路模块的选择....................................................5
1.3.5译码数显电路模块的选择..................................................................5
1.5 最终系统设计方案...................................................................................5
2各模块电路的设计及其原理图........................................................6
2.1直流稳压电源模块的设计..6
2.2石英晶体振荡电路模块的设计.............................................................7
2.3 分频电路模块的设计............................................................................8
2.4 计数电路模块的设计.............................................10
2.5译码数显电路模块的设计.....................................................................11
3 收获体会......................................................................................................14
参考文献 .............................................................15
附录:..................................................................................................................16
附录一系统Protel原理图......................................................................................16
附录二系统Multisim仿真图........17
附录三系统PCB图.............................................................................................18
附录四元件清单.....................................................................................................19

1系统方案设计
1.1 设计任务和要求：
1.任务：根据数电模电知识，设计一个具有较高精度的24秒数显定时器。
2.要求：1）具有数码管显示24秒的定时功能。
2）定时器为24秒递增定时，其计时间隔为1秒。
3）画出Protel原理图，PCB图
4）一份设计说明书
5）做出所设计的系统的实物
1.2 设计分析：
根据设计要求，现从以下几点来分析：
1）电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性。因此，直流稳压电源的设计，在系统设计中必不可少。

2）由于本系统是设计一个定时器，因此必须要有一个能够产生时钟脉冲的电路，而定时器对脉冲频率的稳定性要求较高，所以该电路的设计必须要考虑到稳定性。

3）一般产生的时钟脉冲信号频率都很高，所以需要一个分频电路，将源脉冲频率给降下来，而且必须降为1HZ，这样才能实现较好的定时功能。

4）产生的1HZ时钟脉冲必须经过计数器计数，因此需要一个计数电路模块

5）计数电路模块对脉冲所进行的计数必须经过译码电路译码后，才能驱动显示器显示
因此需要一个译码数显电路模块。
1.3 各模块电路的方案选择和论证
根据设计分析的思路，该系统包括直流稳压电路，时钟脉冲产生电路，分频电路，计数电路，译码数码管显示电路5个模块。

1.3.1直流稳压电源模块的选择

方案一：根据模拟电子技术课程中的知识，稳压部分设计为由稳压管来稳压
优点：操作方便，价格低廉
缺点：稳压效果不好，不稳定，而且需要设计相应的保护电路，比较复杂
方案二：稳压电路部分由三端集成稳压管7805来稳压
优点：使用方便，外围电路设计简单，内部有限流保护，过热保护和过压保护电路工作安全可靠
缺点：价格相对稳压管要高，效率较低
基于以上分析，本系统选用方案二

1.3.2时钟脉冲产生电路模块的选择

方案一：用555定时器组成的多谐振荡电路，来产生时钟脉冲
优点：产生的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小，输出驱动电流大
缺点：产生的脉冲频率稳定性不够高
方案二：用石英晶体组成的石英晶体振荡电路来产生时钟脉冲
优点：石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率fs，且等效品质因素Q值很高，且与外围电路中的R,C的数值无关，脉冲频率稳定性很高
缺点：所构成的振荡电路，反相器74LS04价格相对较贵
由于定时器需要一个十分稳定与精准的秒基准脉冲，基于以上考虑，所以本系统选用方案二

1.3.3 分频电路模块的选择

方案一：采用一块CD4060和一块74LS390来构成分频电路
方案二：采用一块CD4060和一块74LS74来构成分频电路
本系统选择方案二

1.3.4 计数电路模块的设计

该电路模块的设计有很多方案，现举以下两种方案：
方案一：选用两块74LS161四位同步计数器，一块74LS00与非门构成24进制的计数器
方案二：选用两块74LS90构成24秒计数
根据芯片用量小经济的原则，本系统选择方案二

1.3.5译码数码管显示电路模块的设计

方案一：选用两块74LS48，14个限流电阻和两块5161AS共阴七段数码管构成译码数码显示电路
方案二：选用两块CD4511，两块5161AS共阴七段数码管构成译码数码显示电路
由于CD4511芯片里已集成了限流电阻，所以本系统选用两块CD4511译码芯片，两块5161AS共阴七段数码管构成译码数码管显示电路
1.4最终系统设计方案：
经仔细论证，最终系统设计方案如下：
1. 直流稳压电源部分：以7805三端集成稳压器为直流稳压电源模块核心的+5V直流电源供电
2. 脉冲产生部分：用石英晶体振荡电路产生32768HZ的时钟脉冲
3. 分频部分：选用一块CD4060来进行14次二分频，再由74LS74来进行一次二分频，最终输出1HZ脉冲
4. 计数部分：选用两块74LS90构成的电路来对1HZ脉冲进行计数
5. 译码数显部分：选用两块CD4511，两块5161AS七段共阴极数码管构成数显

6.系统方框图1：
直流稳压电源产生+5V电压

数码管2
数码管1

两块CD4511实现译码
驱动

+5V供电

两块74LS90实现24秒计数

+5V供电
+5V供电

4060和74LS74构成
分频电路，1HZ输出

石英晶体振荡电路
32768HZ输出

+5V供电

图1 系统方框图

2．各模块电路的设计及其原理图
2.1直流稳压电源电路的设计
电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，因此电源的设计非常的关键
1）直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源变压器，整流电路，滤波电路及稳压电路所组成
原理图如图2：

图2 直流稳压电源基本原理图

各部分功能：
1.电源变压器的作用就是将220V的交流电路U1转换成整流电路所需要的电压U2。
2.整流电路的作用是将交流电压U2转换成脉动的Ur。
3.滤波电路的作用是将脉动直流电压滤除纹波Uf。
4.稳压电路的作用就是将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压V0。
2）采用三端集成稳压管7805设计的直流稳压电源电路如图3：

图3 直流稳压电源模块Protel原理图

2.2石英晶体振荡电路模块设计
石英晶体振荡器是构成整个系统非常重要的部分，它决定了定时器定时的准确性及稳定性。

1） 主要芯片特点：采用石英晶体组成的石英晶体振荡器，产生的脉冲波形稳定性很高，是一种高精度和高稳定度的振荡器。石英晶体的选频特性非常好，它有一个极为稳定的串联谐振频率fs,且等效品质因素Q值也很高。只有频率为fs的信号最容易通过，而其他频率的信号均会被晶体衰减。石英晶体的等效电路与电抗特性如图4所示：

图4 石英晶体的等效电路与电抗特性

一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用TTL门电路构成；另一类是通过CMOS非门构成的电路

2）本系统采用的石英晶体振荡电路如下：

图5 石英晶体振荡电路模块Multisim仿真图
3）模块电路特点：电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs而与电路中的R ,C的数值无关，为了改善输出波形，增强带负载的能力，通常在振荡器的输出端再加一级反相器。
2.3分频电路模块的设计
1）主要芯片特点：CD4060 由一震荡器和14 极二进制串行计数器位组成，震荡器的结构可以是RC 或晶振电路。CR 为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。在CP1（和CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。功能图及其引脚图如图6：

图6 CD4060功能表及其引脚图

74LS74为双D触发器，D触发器的状态方程为Qn+1＝Dn，其输出状态的更新发生在CP脉冲的上升沿，故又称为上升沿触发的边沿触发器，触发器的状态只取决于时钟到来前D端的状态。74LS74引脚图及其功能表如图7：
输   入
输  出
D
D
CP
D
Qn＋1
n＋1
0
1
×
×
1
0
1
0

×
×
0
1
0
0
×
×
φ
φ
1
1
↑
1
1
0
1
1
↑
0
0
1
1
1
↓
×
Qn
n

图7 74LS74引脚图及其功能表

2）本系统采用的分频电路模块设计如图8：

图8 分频电路模块protel原理图

3）模块特点：先由CD4046实现14次二分频，再经过74LS74一次2分频，最终输出1HZ时钟脉冲

2.4 计数电路模块设计
1）主要芯片特点：74LS90为中规模TTL集成计数器，可实现二分频、五分频和十分频等功能，集成二-五-十进制计数器，其内部有一个二进制计数器，时钟输入信号为，输出Q0。一个五进制计数器，时钟输入信号为 ，输出Q3 Q2 Q1。74LS90可通过异步方式构成十进制计数器。它有两个高电平有效的清零端R0A、R0B和两个高电平有效的置9端S9A、S9B。当计数脉冲由 输入、Q0与相连时，就构成8421BCD计数器。当计数脉冲由 输入、Q3与 相连时，则可构成5421 BCD计数器。引脚图和真值功能表如图9所示：
R0A R0B S9A S9B CP
Q3 Q2 Q1 Q0
1 1 0 ×　 ×
1 1 × 0　 ×
× × 1 1　 ×
× × 1 1　　 ×
× 0 × 0 ↓
0 × 0 ×　　↓
× 0 0 × ↓
0 0 0 0
0 0 0 0
1 0 0 1
计 数
计 数
计 数
计 数

图9 74LS90引脚图和功能真值表
2）本系统采用的计数电路模块电路设计如图10：

图10 计数电路模块protel原理图

3）模块电路特点：两块74LS90级联实现24s计数

2.5 译码数显电路模块设计
1）主要芯片特点：CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器.具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。
CD4511引脚如图11：

图11 CD4511引脚图

CD4511管脚功能介绍如下：
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，cd4511输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否正常。

CD4511功能真值表如下表：
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
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1
1
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0
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0
0
0
0
0
0
0
0
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1
1
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0
0
0
0
消隐
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0
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0
消隐
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0
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0
0
0
消隐
0
1
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1
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1
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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
5161AS为七段LED共阴极数码管，其引脚图如图12：
图12 5161AS引脚图
引脚的排序：对单个数码管而言，以正面来看，左下脚引脚为1然后按逆时针排序
左上角即为10脚

2）本系统采用的译码数显电路模块设计如图10：

图10 译码数显模块protel原理图

3）模块电路特点：利用CD4511直接驱动七段共阴LED数码管，不需要限流电阻

3收获体会
本次电子技术课程设计给了我一次锻炼自己的绝佳机会，整个设计过程中，从抽到题目到设计分析，查资料，Multisim的软件仿真，Protel原理图PCB图的绘制以及实物的制作，这一系列的过程，每一个环节都让我有了很多的收获。现从一下几个方面说说我的心得体会：

1.设计分析方面：对于我设计的这个系统，绝大部分是数电方面的知识，自己的数电知识基础较好，所以这个阶段我比较轻松的攻克了，甚至没有查过什么资料。这个设计分析，只是构思了一下大概的设计思路，但是又非常重要，因为它起到一个统领全局的作用，它决定了，接下来系统设计的大方向。这个阶段教会我的就是这个大概的设计思路必须要对，心里必须要非常清楚，哪些模块是系统必不可少的。这个部分搞清楚了，接下来的路至少大方向不会错。例如我设计的这个数显定时器，由自己已有的知识我是这样分析的：每个电子系统必须要有电源，要实现定时，必须要有一个时钟脉冲产生电路，脉冲产生之后，这个脉冲该怎样去采集，这个就通过计数器去“记”下来，“记”下来之后该怎样显示呢，这个当然需要译码，就这样分析下去，我的设计思路就越来越清晰了。

2.查资料方面：因为我们此次课程设计是专门针对我们学过的数电模电来安排的，所以我查资料时，基本是向这边靠的，一是为了忠于此次课程设计的宗旨；二是为了自己巩固已学过的知识。在查资料方面，我最大的收获就是对自己所查的资料，仔细求证一下，要有怀疑精神。这次设计我就在这方面栽了个跟头。由于我所查的资料，基本都来自网上资源，自己也没怎么在意，就相信了它，结果在做实物的时候就吃了大苦头。例如数码管的引脚，我在网上查的那个引脚资料恰恰有两个引脚标错了，结果在实物调试过程中怎么也发现不了问题，幸好在看同学的资料中发现他查得的引脚跟我的不一样，我才去求证了一下，原来我查到了错误的资料。

3.软件仿真与使用方面：在这个方面，由于之前我们没有学过Multisim软件，此次课程设计让我学会了它的基本使用方法，还成功的仿真了自己所设计的系统。当自己所设计的系统能成功的仿真出来时，真的很激动，仿真的成功至少表明了我设计的东西，原理上基本上是没有问题的。但是，这也让我深刻的体会到了仿真与实物的差距，比如说这次设计：在仿真中，74LS90有两引脚没有接地，结果能显示出来，而在实际中，这两个引脚没接地的话，74LS90根本计数不了，这教会我，我们不能太相信软件，它只是一种工具。这次设计，也提高了自己使用Protel的熟练程度。

4.实物制作方面：这个环节真的是一个对能力的综合，动手能力，设计原理的理解，调试技巧与耐心，这是对综合素质的一次全面考验，这个环节教会我最多。
总而言之，我从心里感谢这次电子技术课程设计，它教会了我很多东西，让我从中受益颇多
同时，在此感谢宁志刚老师和朱卫华老师的指导！

参考文献：
康光华.2005.电子技术基础 数电部分（第五版）.北京：高等教育出版社
康光华.2005.电子技术基础 模电部分（第五版）.北京：高等教育出版社
邹其洪 黄智伟.2008.电工电子实验与计算机仿真（第二版）上下.北京:电子工业出版社
高吉祥.2008.全国大学生电子竞赛单片机精解 北京：电子工业出版社

附录
附录一：系统Protel原理图：

附录二：系统Multisim仿真图：

附录三：系统PCB图

PCB覆铜图：

附录四：元件清单
元件名
型号或参数
数量
备注
石英晶体
32768HZ
1

电容
30pF
2

电阻
10M
1

CD4060
HCF4060BE
1
双列直插
74LS74
MM74HC74AN
1
双列直插
78LS90
SN74LS90N
2
双列直插
CD4511
HCF4511BE
2
双列直插
数码管
5161AS
2
共阴极七段
导线焊锡

若干

20