百分之一秒计时器课程设计报告.docx
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百分之一秒计时器课程设计报告
摘要
随着电子技术的发展，电子技术在各个领域的运用也越来越广泛。
人们对它的认识也逐步加深。
在秒表的设计上功能不断完善，在时间的设计上不断的精确。
电子秒表广泛应用于对运动物体的速度、加速度的测量实验，还可用来验证牛顿第二定律、机械能守恒等物理实验，同时也适用于对时间测量精度要求较高的场合，如测定短时间间隔的仪表。
秒表有机械秒表和电子秒表两类。
机械秒表与机械手表相仿，但具有制动装置，可精确至百分之一秒。
本次的设计任务是一个数字秒表，而秒表与普通的钟表不同，它的目的是对从某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。
控制部分可由基本RS触发器和相应的开关组成。
计数、译码、显示部分中，将使用同步四位二进制加法计数器74LS161来计数。
74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。
最后通过仿真调试，在proteus环境下建立了仿真模型，仿真结果表明本设计是正确的。
关键词：
基准脉冲秒表计数器
摘要…………………………………………………………………………………I
1课题内容要求及目的………………………………………………………1
1.1课题内容………………………………………………………………………1
1.2课题目的及意义……………………………………………………1
1.3设计思路………………………………………………………………………1
1.4总体设计方案………………………………………………………………2
2单元电路的设计与分析设计……………………………………………2
2.1基准脉冲电路设计……………………………………………………2
2.2控制电路设计…………………………………………………………………4
2.3显示单元电路设计…………………………………………………………8
3主体电路设计…………………………………………………………………11
4系统调试与仿真…………………………………………………………11
4.1proteus简介………………………………………………………………11
4.2仿真调试………………………………………………………………………11
5总结………………………………………………………………………………14
参考文献…………………………………………………………………………15
元器件单…………………………………………………………………………16
致谢…………………………………………………………………………………17
1课题内容要求及目的
1.1课题内容
（1）秒表的最大计时值为99分59.99秒；
（2）6位数码管显示，分辨率为0.01秒；
（3）具有清零、启动计时、暂停及继续计数等控制功能；
（4）控制操作键不超过三个数字式秒表的设计意义；
（5）用proteus仿真。
1.2课题目的及意义
秒表的数字化常给人们的生活带来极大的方便，它广泛应用于社会的各个领域。
通过对数字式秒表的设计，我们可以清楚的了解到它的工作原理，进而也了解了数字钟表的工作原理。
在秒表的设计中，我们对《数字电子技术基础》中所学到的知识有了更深刻的认识。
比如：
555多谐振荡器的应用、计数器、译码及显示器的应用。
通过课程设计，使学生加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。
锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。
1.3设计思路
首先，秒表的分辨率为0.01秒，故要获得频率为100Hz的基准毫秒脉冲；其次，分、毫秒计数器为100进制计数器，秒计数器为60进制计数器；最后，用一个控制键实现秒表的启动/暂停/继续计数功能，用另一个控制健实现秒表的清零功能。
分别实现以上模块功能，即可设计出符合要求的数字秒表。
题目要求最大记数值为99分59.99秒，那则需要六个数码管。
要求计数分辨率为0.01秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。
可采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。
秒表核心部分使用六个74161计数器采用串联方式构成，这种连接方式简单，使用元器件数量少。
1.4总体设计方案框图
通过以上的分析，查阅相关资料后，得数字式秒表的原理方框图如图1.1所示。
图1.1数字秒表的原理方框图
本电路由启动、清零复位电路、多谐振荡电路、分频计数电路、译码显示电路等组成，整体上是按照基准脉冲产生部分，控制部分和计数、译码、显示部分这三大部分来设计的。
2单元电路的设计与分析设计
2.1基准脉冲电路设计
（1）555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，它的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，输出驱动电流大约为200mA，因而它的输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图和外引脚排列R如图2.1所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
图2.1555定时器电路结构图
由图2.1知，555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0使输出为0电平。
⑵由555定时器构成的多谐振荡器如图2.2（a）所示，图2.2（b）为其工作波形。
（a）（b）
图2.2555构成的多谐振荡器
其工作原理如下：
接通电源后，VCC经R1、R2给电容C充电。
由于电容上电压不能突变，电源刚接通时υC此时Q=O，使内部放电管截止。
当υC上升到大于Vcc／3时，RD=1，SD=1，基本RS触发器状态不变，即输出端Q仍为高电平，当VC上升到略大于2VCC／3时，RD=0，SD=1，基本RS触发器置0，输出端Q为低电平。
这时Q=1，使内部放电管饱合导通。
于是电容C经R2和内部放电管放电，υc按指数规律减小。
当υC下降略小于Vcc／3时，内部比较器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置1，输出高电平。
这时，Q=0，内部放电管截止。
于是C结束放电并重新开始充电。
如此循环不止，输出端就得到一系列矩形脉冲，如图2.2（b）所示。
由图2.2（b）可见，υC将在Vcc／3和2VCC／3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间
和放电时间
充电时间
放电时间
矩形的振荡周期
………………①
因此改变
、
和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。
当矩形波的频率f=100Hz时，振荡周期T=0.01s。
当取C=0.1µF,R1=40千欧，若使T=0.01s，那么，R2≈51千欧。
取一固定电阻47千欧与一5千欧的电位器相串联代替电阻R2。
在调试电路时，调节电位器RP，使输出脉冲周期为0.01s，即可获得所需的基准脉冲。
2.2控制电路设计
1.启动和暂停及清零控制开关
启动和暂停控制开关是由基本RS触发器构成的。
基本RS触发器是由两个与非门交叉耦合而成的，是TTL触发器的最基本组成部分，其逻辑图如图2.3所示，它能够存储1位二进制信息，但存在R+S=1的约束条件，如图2.3所示。
图2.3
基本RS触发器的用途之一是作无抖动开关。
例如触发器是具有记忆功能的二进制信息存储器件，是时序逻辑电路的基本器件之一。
在图2.2（a）所示的电路中通过希望在开关S闭合时，A点电压的变化是从+5V到0V的清楚跃迁，但是由于机械开关的接触抖动，往往在几十毫秒内电压会出现多次抖动，相当于连续出现了几个脉冲信号。
显然，用这样的开关产生的信号直接作为电路的驱动信号可能导致电路产生错误动作，这在有些情况下是不允许的。
为了消除开关的接触抖动，可在机械开关与驱动电路间接入一个基本RS触发器，把带RS触发器的无抖动的开关称为逻辑开关。
在秒表的设计电路图中，启动和暂停控制开关电路如下图2.4所示。
图2.4控制电路
由图2.4知，当未按下按钮时，基本RS触发器的两输入端都是1，触发器输出保持原状态不变。
当按下按钮时，Q输出1，基准脉冲可以输入到计数单元，秒表起动计时；当按下按钮，Q输出0，基准脉冲无法输入到计数单元，秒表暂停计时。
若要继续计时，按下另一按钮即可。
清零功能的实现相对而言比较简单。
把计数单元的所有74LS161的清零控制端Rd连接在一起，通过一个开关接地，需要清零时，闭合开关就行。
2.3显示单元电路设计
2.3.1计数器的设计
基准脉冲经过6级计数器，分别得到“秒”十分位、百分位，“秒”个位、十位，“分”个位、十位的计时。
由数字秒表的设计要求知，“毫秒”“分”计数器为100进制，“秒”计数器为60进制。
秒表中的计数器是由74LS161构成的。
74LS161是集成同步二进制计数器，该计数器具有同步预置、异步清零、计数和保持四种功能，且有进位信号输出端，可串接计数使用。
它的引脚图和逻辑功能表分别见图2.5和表2.1。
图2.574LS161引脚图
表2.174LS161逻辑功能表
EP
ET
CP
功能
0
×
×
×
×
清零
1
0
×
×
↑
置数
1
1
1
1
↑
计数
1
1
0
×
×
保持
1
1
×
0
×
保持
反馈清零法是利用反馈电路产生一个给计数器的复位信号，使计数器各输出端为零。
反馈电路是组合逻辑电路，计数器输出部分或全部作为其输入，在计数器一定的输出状态下即时产生复位信号，使计数电路同步或异步地复位。
反馈清零法构成的十进制计数器如图2.6所示。
图2.6反馈清零法构成的十进制计数器
反馈置数法是将反馈逻辑电路产生的信号送到计数电路的置位端，在滿足条件时，计数电路输出状态为给定的二进制码，否则置数端无效，电路处于计数状态。
反馈置数法构成的十进制计数器如图2.7所示。
图2.7反馈置数法构成的十进制计数器
由74161构成的100进制计数器如图2.8所示。
图2.8100进制计数器
由图2.8知，100进制计数器中，由74161构成的个位和十位计数器均是10进制的，即上述100进制计数器是由两个10进制计数器级联而成的。
60进制计数器
由74161构成的60进制计数器如图2.9所示。
图2.960进制计数器
由图2.9知，上述60进制计数器也是用乘数法构成的，它是由一个十进制计数器和一个六进制计数器级联而成。
2.3.2显示单元电路
本设计中选用的74LS48是BCD码七段译码器兼驱动器，输出端（Ya－Yg）为高电平有效，可驱动共阴极LED显示器，其外引线排列图和功能表分别如图2.10和表2.2所示。
图2.1074LS48外引线排列图
表2.274LS48功能表
显示器采用七段发光二极管显示器，它可直接显示出译码器输出的十进制数。
七段发光显示器有共阳和共阴两种接法。
与74LS48译码器配套的显示器为共阴型。
七段显示器的外引线排列图和7段数码管结构分别如图2.11、图2.12所示。
图2.11七段显示器的外引线排列图图2.127段数码管结构图
显示部分如图2.13所示。
图2.13显示部分电路图
3主体电路设计
总体实际图如图3.1
4系统调试与仿真
4.1仿真软件简介
（1）Proteus是英国Labcenterelectronics公司出版的仿真软件。
它不仅具有其它仿真软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
（2）在Proteus绘制好原理图后，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
可在相当程度上得到实物演示实验的效果，它的元器件种类丰富，可实现多种设计。
4.2仿真调试
（1）准备就绪后，点击开始仿真图标可出现如下状态如图4.1。
图4.1开始之前状态图
（2）当按下“开始”秒表开始计时，秒表开始计时，其状态如图4.2所示。
图4.2开始计时图
由图4.2可以看到，开始计时后，数码管数字在变化，图中为十分之一秒位和百分之一秒的数码管显示情况。
（3）当按下“暂停”时秒表停止计时，数码管显示的数字不再变化，如图4.3所示。
图4.3暂停状态图
由图4.3可以看到按下“暂停”按钮后各个数码管的数字不再变化。
（4）当按下“清零”时秒表无论是在计时还是在停止状态都一律清零各数码管全为零，回到初始状态。
5总结
在这次课程设计中，我深深体会到了设计过程的辛苦与甘甜。
首先，我花了一两天时间在图书馆里翻阅相关资料；其次，我经常在网上搜阅资料，网上的资料浩如烟海，找到自己需要的东西也不易；最后，我们队友之间还要经常在一起讨论设计方案。
这一过程真的好辛苦，以前可没有这种感受，不过，这一过程同时也是甘甜的，因为我学到了好多知识，感到很充实，将自己所学知识用于实物制作也感到很自豪。
总之，这次的课程设计，它锻炼了我找寻资料的能力，锻炼了我自主解决问题的能力，更锻炼了我的动手能力。
它让我体会到了队友合作的重要性，更让我真实的体会到了学与用的不可分割性。
学习知识是一个长期的过程，这个过程也就是我们不断的遇到问题、解决问题。
通过我们解决问题，就可掌握新的知识。
这次设计对我来说是一个难得的历练机会，尽管它很短暂，但我收获颇多，让我明白了以后怎样学习知识，也为以后设计制作打下了基础。
由于所学知识有限，我所设计的电路部分还存在很多问题，调试结果未能达到要求。
最后还要感谢在本次设计中我的队友和给予我帮助的老师和同学，他们的帮助让我很快能找到问题的关键，让我事半功倍。
参考文献
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高等教育出版社，1997
元器件单
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
二输入四与非门
74LS00
2
双四输入与非门
74LS20
3
同步十进制计数器
74LS161
6
4
同步十进制计数器
74HC160
4
5
译码/驱动器
74LS48
6
共阴极驱动
6
七段数码管显示器
6
7
电容
若干
8
电阻
若干
致谢
在论文完成之际，我要特别感谢老师的热情关怀和悉心指导。
在我撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。
在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。
感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。
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