具有数字显示的30S限时计数器课设报告解析.docx
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具有数字显示的30S限时计数器课设报告解析
一．设计任务和要求
1.任务要求………………………………………………2
2.性能指标要求…………………………………………2
3.设计与测试……………………………………………2
4.成果要求………………………………………………2
二．设计方案选择与论证及电路计算与分析
1.设计电路实现的主要功能……………………………3
2.设计原理………………………………………………3
3.设计方案………………………………………………4
4.系统设计方框…………………………………………5
5.各功能模块设计………………………………………5
3．总结及心得体会
四．附录
1.元件明细表…………………………………………20
2.原理图
五．参考文献
一．设计任务和要求
1.任务要求
设计一个篮球竞赛30S进攻时间限制计时器。
2.性能指标要求
（1）工作时间可在1—30S内任意设定。
（2）30S计时器是递减计数器，时间间隔是1S。
能用LED数码管显示剩余时间，还能显示到1/10S。
即但计时开始时显示出所设定的总时间，每当计时10个1/10S，显示数字立即减1。
（3）减1计时器到7S时，发出三声低音预告信号。
（4）减1计时器到零（工作时间到），发出三声高音，并停止计时。
（5）具有暂停/继续工作、清零复位和启动计时功能。
3.设计与测试
按任务要求，设计电路，计算参数，选择元件。
根据设计电路原理图，选择所需要元器件连接电路，并按调试步骤进行调试。
4.成果要求
（1）课程设计说明书一本。
要求：
内容完整，图标完备，字迹工整，条理清晰，分析有据。
（2）所用元器件清单。
（3）电路实体和仿真。
要求：
电路必须有仿真结果（可用Multisim进行电路仿真分析），该电路实体必须是自己安装调试通过并达到性能指标要求的实体。
2、设计方案选择与论证及电路计算与分析
1.设计设计电路主要实现的功能
显示30秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器全部显示为“0”；计时器为30秒递减计时其计时间隔为0.1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出蜂鸣器报警信号等。
整个电路的设计借助于Multisim10.0.1仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在Multisim10.0.1下设计和进行仿真，得到了预期的结果。
2.设计原理
由于本电路需要显示到0.1S，即计数器的最小计数要从0.1S开始计时，满十时向前借位，使个位数字减一，当个位数字减完后有需要向十位数字借位，这样可以达到限时计数器从30S依次往下减，直到减为零停止下来，显示器显示为全为零。
所以首先我可以用用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波脉冲，将该方波脉冲信号送到计数器最低位的74LS192的CP减计数脉冲端,再将其借位输出端接到个位的CP减计数端。
同理，把最高位也就是十位的74LS192接好，又因为，当计时器减到零时显示器需保持为零，而借位输出端再减到零时会从到电平变为低电平，所以我们可以把十位的74LS192经过一个与门，来共同控制555的脉冲信号。
使计数器减为零时让显示器保持为零。
最后，将74LS192总的计数结果通过译码器74LS48把输入的8421BCD码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能。
3.设计方案
经过初步的设计，可以确定该系统应包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助时序控制电路（简称控制电路）和报警电路等5个部分构成。
其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。
各部分功能介绍如下。
（1）秒脉冲发生电路用于产生连续脉冲信号。
这里我们使用的是555定时器制成多谐振荡器，频率为10HZ。
（2）计数器完成30s计时功能。
74LS192时加减双向计数器，这里我们使用74LS192减计数功能，用以驱动74LS48译码器。
（3）译码显示器用于显示计数器的结果。
使用74LS48驱动七段数码管。
将每次减数后的结果显示出来。
（4）控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停、连续计数、译码显示电路的显示和完成1—30S调节任意调节。
为了满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。
在操作直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器显示零。
当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；当打开置位开关是可以把计数器直接置为30S，此时数码管显示为30S，关掉置位开关，此时555定时器的脉冲信号不再作用计数器，这样就可以通过单脉冲按键，每按一次会产生一个脉冲信号，送到计数器内进行计数，直到计数器减到零为止。
注意本单脉冲电路是可以把计数器减到零而不再继续减的电路。
当然也可以再设计一个加计数，但是这样会是电路显得复杂些，而且考虑到现有的材料这里不做设计。
（5）报警电路作用是信号报警，当计数器计到剩余7S是通过一个译码信号来产生一个具有3个脉冲的信号送到蜂鸣器上，这样就能让蜂鸣器报警3声。
当报警3声后，再产生一个低电平信号将蜂鸣器关掉。
当计时器减到零秒时通过译码产生信号再产生一个高电平信号让蜂鸣器报警，再按下暂停键可以停止报警。
整个报警电路使用的是组合逻辑电路。
4.系统设计框图
图1系统设计框图
5.各功能模块设计
（1）555定时器模块
555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。
这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。
用555定时器构成多谐振荡器电路如图3-1。
电路没有稳态,只有两个暂稳态,也不需要外加触发信号,利用电源VCC通过R1和R2向电容器C充电,使uC逐渐升高,升到2VCC/3时,uO跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容器C通过电阻R2和D端放电,使uC下降,降到VCC/3时,uO跳变到高电平,D端截止,电源VCC又通过R1和R2向电容器C充电。
如此循环,振荡不停,电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电,输出连续的矩形脉冲,其波形如图3-2。
图3-1多谐震荡器电路图图3-2多谐震荡波形图
输出信号uO的脉宽tW1、tW2、周期T的计算公式如下:
tW1＝0.7（R1＋R2）C
tW2＝0.7R2C
T＝tW1＋tW2＝0.7（R1＋2R2）C
根据要求，该系统中要使555构成的多谐振荡电路产生10Hz的脉冲，因此我们可以令R1=720k，R2=350k，C1=0.01uf，C2=0.1uf。
得到周期为.0.1S的脉冲信号。
按照我们设置的参数，打开Multisim10软件，选择720欧姆和350欧姆的阻，选择电容为0.01uf，0.1uf。
按照555定时器接成多谐振荡器。
并用四通道示波器接在555定时器的输出端3端。
打开Multisim10的电源开关，即可观察到所接的电路输出波形。
调节示波器上的游标，可以测出输出波形的周期。
Multisim仿真电路如图4-1所示。
仿真得到的波形如图4-2所示。
图4-1555定时器仿真电路图
图4-2，555定时器仿真波形
从仿真结果可得出周期为100ms，即0.1S，高电平为5V，说明参数设置正确无需修改。
（2）显示电路设计
设计中我们用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。
这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。
因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成7段字型数码管所要求的代码。
我们把能够将计算机输出的BCD码换成7段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常用的74LS48。
图5是74LS48的外部管脚图
图574LS48外部管脚图
七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。
该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。
它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：
（1）灭灯输入BI/RBO
BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。
当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。
（2）试灯输入LT
入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。
该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。
（3）动态灭零输入RBI
当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。
利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。
此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。
（4）动态灭零输出RBO
BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。
当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。
该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。
对输入代码0000，译码条件是：
LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。
本设计中是用74LS48驱动七段数码管的，高电平有效，所以我们所选的七段数码管是共阴极的数码管。
给高电平时后经过一个限流电阻可以使数码管发光。
当接到低电平时数码管不发光。
关于这个限流电阻的大小要具体根据所用七段数码管的参数来设定，不过一般数码管可以显示的电压大约为1.8V左右，我们可以100欧姆或稍微大一点的电阻。
74LS48的功能表如表一所示，74LS48驱动数码管电路设计如图6所示。
表一74LS48功能表
输入
BI/RBO
输出
LT
RBI
DCBA
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0000
H
1
1
1
1
1
1
0
1
H
x
0001
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0010
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0011
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0100
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0101
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0110
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0111
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1000
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1001
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1010
H
0
0
0
1
1
0
1
BI
x
x
xxxx
L
0
0
0
0
0
0
0
RBI
H
L
0000
L
0
0
0
0
0
0
0
LT
L
x
xxxx
H
1
1
1
1
1
1
1
备注：
表一所列为74LS48的本设计用到功能
图674LS48驱动数码管电路设计
从表一可以看出，译码器可以输出0—15的数字编码。
再这里我仅用到了0—9的编码。
满足了我们的设计要求。
再图6中的电路连接图，由于LT、RBI、BI/RBO端都为低电平有效，再这里我们没有具体用到这几端的功能，所以我将其接为高电平。
而A、B、C、D是译码器的输入端，可以做为下一级电路74LS192的信输出端。
以达到74LS192计数后的信号送到74LS48中进行译码。
接通图6的仿真电源，可以看到数码管显示为零。
说明我们所接电路时正确的。
只要给A，B，C，D端送上信号就能驱动数码管的显示。
（3）计数器电路设计
计数器使用74LS192计数芯片计数。
74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：
图7-174LS192外部管脚图图7-274LS192逻辑号
图中：
为置数端，
为加计数端，
为减计数端，
为非同步进位输出端，
为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，
为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如表2所示。
连接电路时我们要根据功能表的具体各引脚的要求来设计连接。
同样我们在Multisim10上进行电路的仿真并观察结果。
74LS192电路设计图如图8所示。
表274LS192的功能表
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
×
×
×
×
减计数
由于计时器时30S的倒计时，所以最高位接的是一个三进制计时器，应将A,B接为高电平，而C，D接为高电平，剩下两计数器接成十进制计数器。
A，B，C，D全接低电平。
减计数端作为脉冲输入端。
借位输出端作为借位信号接到上一片74LS192的减计数端。
图874LS192电路设计图
备注：
为了方便仿真数码管使用的是4输入的LED，其功能和74LS48驱动7段LED是一样。
从图8中我也可以看到从仿真中来看，一开始是显示30.0S，按下开始键即可进行计数了。
得到了我们所预想的效果，故电路设计正确。
（4）控制电路设计
控制电路，顾名思义，即用外部的按键对整个电路进行控制来达到我们所需要的功能。
这是外部作用到电路上的设计。
这里我们需要一个按键Key1来控制计时器的暂停与继续。
设计的方法很简单，就是利用逻辑门电路，来控制74LS192的脉冲输入端，单我们需要进行计数时，也就是说信号输入有两部分组成，一部分是555定时器的信号，连一部分是Key1的信号，当Key1接到高电平时对于555定时器的信号来说是不会起到做用的，此时信号只取决于555定时器的信号。
Key1不起作用，也就是说现在计数器是工作在继续状态。
而当我们需要暂停时，只需把Key1接到低电平上去，这时可以把555定时器的信号封锁住，是74LS192停止计数。
也就是说达到了暂停的效果，当我们再次把Key1接到高电平时，555定时器的信号又会进入74LS192中，接着上次的脉冲继续计数。
其次，是置位键Key2，设置置位的目的是可以使计数器在任何时候都可以直接使数码管回到最初的30S，以便于从新计时。
有74LS192上本身就有置数端，所以我们要做的是把三片74LS192的置数端并接在一起，然后接到Key2键，在74LS192中，置数端是电平有效，当打到高电平时不会置数，需要置数时只需把Key2键打到低电平端，就能实现我们所需的功能。
第三是Key3键是个清零减，目的就在于，控制计时器的清零，一旦需要清零时，就能实现清零。
设计方法是和置位键Key2一样的，可以参考设计电路。
最后，是一个改变初始值的键Key4.这个键能实现计时器在1—30S内，任意设置。
设计的方案是，先把计时器置位为30S，在通过控制脉冲信号，单独给十位的74LS192送单脉冲信号，每送一个信号，十位减一，减完后，向前借位，直到减到全为零为止，本次设计使用的都是些比较常见的逻辑门电路，如74LS00与非门，74LS08与门，等都是些数字电子技术中经常用到的逻辑门，详细的设计电路请看图9。
图9控制电路设计
备注：
由于篇幅限制本次仿真555定时器被脉冲发生器代替，如图中的V1。
各功能键介绍如下
Key1：
暂停/继续。
用key1控制计数的开始和暂停。
Key2：
清零键，按此键可以是使计数器清零，以便重新计数。
Key3：
置位键，按此键可以使计数器直接置为30S。
Key4：
单脉冲键，每此键一次使计数器从30S键1，直到减为0。
如图所示，可以设置计数器从25S开始减时。
也可以任意改变1—30S内的数字。
所以设计达到了我们预期的结果。
（5）报警电路设计
按照本设计任务的要求，要实现在7秒时报警器发出三声警报。
设计思路为了使蜂鸣器在7是响3声。
用逻辑门电路将“0”，“7”译出以及时用0.1S显示的数码管“A”处的信号来驱动蜂鸣器响，并且在0.1S显示的数码管在“3”处译处，产生一个低电平信号，是蜂鸣器停止响。
这样蜂鸣器总共响了3声。
周期为0.2S，即0.1S响，0.1S断开。
3声之后停止。
电路设计如图10所示。
图10报警电路设计图
备注：
为了显示仿真结果，此处用发光二极管代替蜂鸣器。
此过程中计时器一直在走。
直到计时到0S门电路有会驱动蜂鸣器响。
电路设计中由于要兼顾控制控制电路，以是控制电路也一样可以控制蜂鸣器的发生及关断。
故使用了比较多的门电路控制。
这些门电路都是通过逻辑运算得来的，比如说要把第一个数码管的零译出，则根据74LS48的功能表，可知当输入为“0000”时，也就是零的信号，而低两位一直为零，故不用译了，只需把高两位的信号译出，经两个非门，在经过一个与门。
当高两位都为0时也就是数码管显示为零的时候。
其余的都一样。
这里就不在一一分析了。
也可以进一步进行化简是电路简单。
后面的原理图就是化简后的使用现有芯片画的Protel电路。
见附录。
3．原理图（Protel99SE）
（见附录）
四．总结及心得体会
课程设计需要的是活学活用所涉及的知识。
在本次的课程设计中通过自己选题，找材料，分析、设计等，也掌一些软件的操作方法，这为以后的学习做了铺垫。
整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。
通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了我的寻求解决问题的能力，增强了我其它方面的能力。
在设计中，我充分应用我们所学的知识，例如：
集成电路74LS系列、555定时器等元件的应用。
这次实践使我受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了我的实际操作能力。
在让我体会到设计电路艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
这次设计所用的的工具是Multisim10.0.1画图和仿真就比较方便，使设计的质量得到了保证。
以及通过Protel99SE制图工具的使用，让我从画原理图，生成网络表，到自己根据实际芯片大小画元器件封装，这过程中是我学会了很多东西，觉得书上的学得是明白了但是真正自己使用软件时会遇到很多的问题，比如说封装载入PCB是会有一些网络断开的，在PCB上就就找不到预拉线，后来请教同学才知道是原理图没画好有些线电气连接，不过这些我都一一的解决了。
也熟练了。
还有本次课程设计中我也自己找元器件和自己焊接电路，本想用PCB绘图制版的结果发现线路太多，用的是万用板，虽然效果不好，但是提高了我的综合动手能力和工程设计能力，它使我的理论知识得到了综合应用，培养我综合运用所学理论的能力和解决较复杂的实际问题的能力。
我也深深的体会到仅仅靠书本上的东西而不去实践是不行的，当需要自己动手时才发现没有想象的那么简单。
最好，我会继续努力的！
五．附录
（1）元件明细表：
贴片电容两个（0.1uf、0.01uf）、
74LS00、74LS02、74LS32各一片、
74LS08三片、74LS48三片、
74LS192三片、按键四个、
蜂鸣器一个、共阴数码显示管三个
电阻100欧姆二十一个、720欧姆一个、350欧姆一个
万用板一块。
（2）原理图
6．参考文献
[1].阎石，《数字电子技术基础》高等教育出版社。
[2].赵燕华，《Protel99SE原来原理图与PCB设计》，电子业出版社。
[3].黄培根，《Multisim10计算机虚拟仿真实验室》，电子工业出版社。
[4].童诗白，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社。
[5].刘浩斌，《数字电路与逻辑设计》，电子工业设计出版社。
[6].罗先觉，《电路》，高等教育出版社。
[7].1孙人杰，《电路数据手册TTL电路》,电子工业出版社。
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