电子秒表的设计完整优秀版.docx
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电子秒表的设计完整优秀版
电子秒表的设计
一、设计要求…………………………………………………2
二、设计的目的与作用………………………………………2
三、设计的具体体现………………………………………2
1.电子秒表的基本组成………………………………3
2.电子秒表的工作原理…………………………………3
3.电子秒表的原理图……………………………………4
4.单元电路设计…………………………………………4
5.设计仿真与PCB制版…………………………………12
四、心得体会…………………………………………………17
五、附录………………………………………………………18
六、参考文献…………………………………………………20
一、设计要求
1.以0.01秒为最小单位进行显示。
2.秒表可显示0.01～59:
59:
99秒的量程。
3.该秒表具有清零、开始计时、停止计时功能。
二、设计方案
方案一：
通过单片机来实现电子秒表
基于51单片机电子秒表，设计简单，而且技术准确，缺点是价格相比于数字电路实现的秒表技术要昂贵。
方案二：
采用数字电路来实现秒表计数，优点是价格便宜，计数精确，反应较快，缺点是，电路芯片较多，设计电路复杂。
经过比较选择了较为经济适用的数字电路。
二、设计的目的与作用
1.培养我们运用有关课程的基础理论和技能解决实际问题，并进一步提高专业基本技能、创新能力。
通过课程设计，学习到设计写作方法，能用文字、图形和现代设计写作方法系统地、正确地表达课程设计和研究成果。
2.熟悉555方波振荡器的应用。
3.熟悉计数器的级联及计数、译码、显示电路的整体配合。
4.建立分频的基本概念。
三、设计的具体体现
1.电子秒表的基本组成
电子秒表电路的基本组成框图如图所示，它主要由基本RS触发器、多谐振荡器、计数器和数码显示器4个部分组成。
电子秒表电路的基本组成（方框图）如下：
图
（1）电子秒表基本组成方框图
2.电子秒表的工作原理
由555定时器构成多谐振荡器，用来产生50Hz的矩形波。
第Ⅰ块计数器作5分频使用，将555输来的50Hz的脉冲变为0.1秒的计数脉冲，在输出端Qd取得，作为第2块计数器的始终输入，第2、第3块计数器QA与CP2相连，都已接成8421码十进制计数电路，第4块接成六进制形式，其输出端与译码显示器的相应输入端连接，可显示00:
00：
00——59:
59:
99s
3.电子秒表的原理图
图
（2）原理图
4.单元电路设计
（1）由NE555P组成的多谐振荡器（多谐振荡器）
ne555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。
ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。
ne555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。
其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。
内部结构和工作原理都相同。
ne555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电
阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555。
555内部结构及引脚如下图所示：
图（3）555内部结构及引脚图
（A）、555时钟电路可以构成多谐振荡器，真值表如下：
RST
THR
TRI
OUT
TD
0
X
X
0
导通
1
>2\3VCC
>1\3VCC
0
导通
1
<2\3VCC
>1\3VCC
不变
不变
1
<2\3VCC
<1\3VCC
1
截止
1
>2\3VCC
<1\3VCC
1
截止
表
（1）555功能真值表
注明：
6脚为THR，触发器输入端，低电平有效。
2脚为TRI，阀值输入端，高电平有效。
4脚为RST，总复位端，低电平有效。
7脚为DIS，放电端。
5脚为CON，控制端。
1脚接地，8脚接电源。
3脚为输出端。
TD为内部三极管。
（B）时钟信号产生电路
图（4）555组成的多谐振荡器
NE555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。
利用闭合回路的反馈作用可以产生自激振荡。
TTL电路延迟时间短，难以控制频率。
电路接入RC回路有助于获得较低的振荡频率，由于门电路的作用时间极短，TTL电路自有几十纳秒，所以想获得稍低一些的振荡频率式很困难的，而且频率不易调节。
在电路中接入RC电路可以有助于获得较低的振荡频率，而且通过改变R，C的数值可以很容易实现对频率的调节。
振荡电路是数字秒表的核心部分，电容充放电的速度决定了电路的振荡频率R1.R2.C决定了多谐振荡器的周期，即决定了形成的方波的频率利用闭合回路中的负反馈作用可以产生自激振荡，利用闭合回路中的延迟负反馈作用也能产生自激振荡，只要负反馈作用足够强。
为了得到频率更加准确的频率信号，加入了电容和电阻，其中电容为0.01uf和0.1uf，电阻为100K欧姆。
（2）基本RS触发器
图（5）RS触发器电路
用集成与非门构成基本RS触发器，属低电平直接触发的触发器，有直接置位、复位的功能。
它的一路输出作为单稳态触发器的输入，另一路输出作为与非门的输入控制信号。
按动按钮开关J1（接地），则门1输出=1；门2输出Q=0，J1复位后Q、状态保持不变。
再按动按钮开关J2，则Q由0变
为1，门5开启，为计数器启动作好准备。
由1变为0，送出负脉冲，启动单稳态触发器工作。
基本RS触发器在电子秒表中的职能是启动和停止秒表的工作.
（3）单稳态触发器
图（6）单稳态触发器电路
用集成与非门构成的微分型单稳态触发器。
单稳态触发器的输入触发负脉冲信号Vi由基本RS触发器端提供，输出负脉冲Vo通过非门加到计数器的清除端R。
静态时，门4应处于截止状态，故电阻R必须小于们的关门电阻Roff。
定时元件RC取值不同，输出脉冲宽度也不同。
当触发脉冲宽度小于输出脉冲宽度时，可以省去输入微分电路的Rp和Cp。
单稳态触发器在电子秒表中的职能是为计数器提供清零信号。
（4）计数及译码显示
（A）74L160（计数器）简介
74LS160是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能
它的引脚功能如下：
图（7）74LS160引脚图
功能表如下：
当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
（B）十进制加法计数器74LS160与译码显示器构成电子秒表的计数单元
图（8）电子表秒计数单元电路
5.设计仿真与PCB制版
1.、将各部分电路在MULTISIM11中连接并进行仿真
（1）时钟发生器的仿真
用示波器观察输出电压波形并测量其频率，调节滑动变阻器，使输出100Hz矩形波。
仿真结果如下：
图（9）多谐振荡器信号波形图
（2）与非门基本RS触发器的仿真
用示波器观察基本RS触发器的波形图如下（先闭合J1后再打开J1，再闭合J2后再打开）。
仿真结果如下：
图（10）RS触发器仿真图
（3）单稳态触发器的仿真
将启停电路单元的按钮按下,则此电路输出一个有效信号（负脉冲），但持续时间很短。
仿真结果如下：
图（11）单稳态触发器波形
（4）计数电路的仿真
仿真结果如下:
图（12）计数单元的仿真
2.电子秒表的整体测试
各单元电路测试正常后，按总图把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体仿真。
仿真结果如下：
图（13）电子秒表总体仿真图
3.PCB版电路电路制作
在MULTISIM11画好电路图，仿真成功以后，设置个原件封装，直接导出网络表。
在protell99se中导入生成的网络表截图可见
电子秒表网络表
（2）PCB制版
PCB制版图
四.心得体会
经过这次的数字电子秒表课程设计后，我从中学到了好多东西。
综合我们上一个学期的数字电子技术基础课，我们已经对数字电子技术有一定的了解，主要是我们熟悉了protell99se软件和multisim11两个软件。
加上之前学过的电路课和模拟电子技术基础课，我们可以独立完成电路CAD基础课程设计了。
不过，在课设当中还是遇到许多不懂的问题，都积极向老师同学请教，基本都攻克了难题。
学会了设计数字电子电路的一般方法，还进一步熟悉数字电子器件的使用。
课设过程中遇到的问题:
1、在绘制电路图的过程中对数电中学习过的555芯片不是很熟悉，通过上网查找，发现555产生方波的参数方程为T=1.1RC，这是一个很关键的方程，调节RC可以改变方波周期，使我能够顺利的得到100HZ的方波。
2、在生成网络表后，在protel99se中导入网络表，产生许多问题，例如：
multisim中的封装名跟protel中的不一样，或者是封装原件没有，最关键的问题是在pcb板上有好几个74ls160，考虑怎么能减少，将各个与非门合并到一个74ls160中，进过向老师请教，修改了原来的电路原理图，找到了解决办法，从新生成网络表，在pcb中减少了4个74ls160，感觉原件减少了许多。
这个课程设计课我还不是很熟悉，第一次做难免会感到陌生，而且对很多基本的东西都不是很清楚，在一定程度上影响了我们的课程设计的质量，希望能在以后的时间里认真学习好这些基础的东西。
我对这个课程设计课有着深刻的体会：
要想做好这个课程设计，就必须认认真真地去做，不要怕麻烦，遇到不懂的问题就要主动去问同学或者老师。
最后我希望课程设计课能够再多一点给我们提供动手的机会，并让我们多点发挥主观能动性和创造能力，这样可以在学到东西的同时又能发散大家的思维。
总之，通过这次练习我有了很多收获。
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，增强了动手能力。
五.附录
元器件清单：
序号
名称
型号
数量
备注
1
计数器
74LS90
4
——
2
555定时器
LM555CN
1
——
3
与非门
74ALS00M
5
——
4
或非门
4001BP
1
——
5
反相器
4009BCP
1
——
6
与门
74ALS08M
1
——
7
或门
74ALS32M
1
——
8
开关
SPST
2
——
9
电阻
RESISTOR
2
3KΩ
10
1
1KΩ
11
2
470Ω
12
1
100KΩ
13
POTENTIOMETE
1
100KΩ
14
七段译码显示器
DCD-HEX
4
——
15
发光二极管
LED
1
——
16
电容
电容
CAP
CAP
1
510pF
17
1
4.7nF
18
1
100nF
19
1
10nF
六.参考文献
可任意启动/停止的电子秒表的设计
一、课程设计目的和任务
<<微机原理与接口技术>>是一门实践性很强的电子信息工程专业的技术基础课程。
因此，微机接口课程设计是一项实践性很强的实训环节，结合运用所学的汇编语言及8086微处理芯片设计一个电子秒表，通过实践能够加深对汇编语言的理解以及对8086微处理器、8253可编程定时器、8259A可编程中断控制器、8255A可编程并行I/O接口芯片等的基本功能的认识。
从而在设计过程中，提高学生的实践编程能力和硬件设计能力。
也可以进一步巩固和融会贯通所学的汇编语言，并且可以培养学生查找资料的能力和自己分析问题解决问题的能力。
本实验利用8253可编程定时器等芯片的定时和记数的原理，结合实验箱上的集成电路芯片8086、LED数码管以及实验箱上的按键来设计秒表。
将软、硬件有机地结合起来，要求实现计时单位为1/100秒，利用功能键进行启/停控制，上电后计时器清0，当第一次按下KEY1启/停键时开始计数，按一下KEY2键清零，重新开始计时，在系统能够正确地进行计时，使6位LED数码管能够正确地显示时间。
二、分析与设计
1．设计任务分析：
可任意启动/停止的电子秒表的实现用按键中断来控制整个程序，当按一下KEY1启动电子秒表，再按一下暂停，按一下KEY2键清零，用六个七段数码管显示时间。
整个程序涉及到8255、8253和8259三个芯片。
给8253的CLK0提供一个频率为10KHZ的时钟信号，8253的OUT0连接8259的IRQ7，8253的GATE2连接正5伏电压，采用计数器0每隔0.01秒产生一次中断并且计数，写入以偏移地址4000H开始的6个内存单元，然后利用8255将内存单元的数据输出到七段数码管。
由于按键中断优先于8259的7号中断，所以程序只有在按一下KEY1才启动电子秒表，再按一下暂停，按一下KEY2键清零，如果超出了60分，整个程序自动重新开始。
2．设计方案论证：
根据课程设计的要求和我们所要增加的功能写好程序流程图，在程序流程图的基础上，结合芯片的功能写出相应的程序。
然后再进行程序调试和相应的修改，以达到能够实现所要求实现的功能的目的。
在微机原理定汇编调试软件上编辑源程序，并进行汇编，在汇编成功无误后，选择端口进行调试，然后装入程序，至此，本次设计的软件工作准备完毕。
再根据硬件原理设计图完成各芯片之间的连接，打开实验箱电源开关总体进行调试。
在整个实验过程中，在8253可编程定时器CLK端输出管脚处接上一个计数的频率为10KHZ的时钟信号，由8253定时/计数器产生0.01秒的中断并进行计数，可编程并行I/O接口芯片8255A将偏移地址写入内存单元，进中断更新数据，然后将内存数据送给LED数码管显示。
定时器中断就是定义初值，然后开中断，剩下的就在中断里写了。
保存数据段后，取中断程序入口地址，定义可编程中断控制器8259中断7中断矢量，读8259中断屏蔽字，开8259中断7，六位数码管用动态显示，挨个点亮，六个I/O控制位，十二个I/O控制段码，将8259的定时器设置在0.01秒进入一次中断，交替输出高低电平（形成时钟频率），在计数器输出使用组合逻辑电路连接LED灯的各个控制输入端。
3．硬件设计：
（1）8086（16位微处理器）
8086CPU的工作电源为单一5V,它的外部数据总线为16位，地址线为20根，故寻址的地址空间为1MB。
8086具有一个功能相对完善的指令系统，能对各种类型的数据进行处理。
它可以在两种不同的模式下工作，即最大工作模式和最小工作模式。
所谓最小模式，就是微型计算机系统中只有8086或8088一个微处理器，在这个系统，所有的总线控制信号直接由CPU提供。
最大模式就是微型计算机系统中包含有两个或多个微处理器，其中一个主处理器是8086或8088微处理器，其他处理器称为协处理器，它们协助主处理器工作。
（2）8253（可编程定时器/计数器）
首先此设计中选用工作方式2，用输出指令向控制寄存器写入一个控制字，用输出指令向选中的计数器端口地址写入一个计数初值，然后，定时/计数器按控制字要求计数。
计数从“计数初始值”开始，每当CLK信号出现一次，计数值减1，当计数值减为0时，从OUT端输出一个低电平（具体形式与工作模式有关）。
当CLK信号出现时，计数值是否减1（即是否计数），一般，仅当GATE有效时，才减1.门控信号GATE如何影响计数操作，以及输出端OUT在各种情况下输出的信号形式与定时/计数器的工作模式有关。
（3）8255A（可编程并行I/O接口芯片）
8255A可为86系列CPU与外部设备之间提供并行输入/输出的通道。
由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式。
在输入过程中，输入设备把数据送给接口，并且使状态线“输入准备好”有效。
接口把数据存放在“输入缓冲寄存器”中，同时使“输入回答”线有效，作为对外设的响应。
外设在收到这个回答信号后，就撤消数据和“输入准备好”信号。
数据到达接口中后，接口会在“状态寄存器”中设置输入准备好标志，或者向CPU发一个中断请求。
CPU可用查询方式或中断方式从接口中读取数据。
接口中的数据被读取后，接口会自动清除状态寄存器中的标志，且撤消对CPU的中断请求。
在输出过程中，每当输出寄存器可以接收数据，接口就会将状态寄存器中“输出准备好”状态置1或向CPU发一个中断请求，CPU可用查询或中断方式向接口输出数据。
当CPU输出的数据到达接口后，接口会清除“输出准备好”状态，把数据送往外设，并向外设发一个“数据输出准备好”信号。
外设受到驱动后，便接收数据，并向接口电路发一个“输出回答”信号，接口收到该回答信号后，又将状态寄存器中“输出准备好”置位，以便CPU输出下一个数据。
（4）8259A（可编程中断控制器）
IR（外设中断请求线）线上提出了中断请求的中断源，IRR中断请求寄存器（共有8位D7～D0）对应于连接在IR0～IR7线上的外设的中断请求，输入线有请求的置1。
若OCW1（IMR中断屏蔽寄存器）未使该中断请求屏蔽，该请求被送入PR（优先权分析器）比较。
否则，不送入PR比较。
PR把新进入的请求与ISR（服务中寄存器）中正在被处理的中断进行比较。
如果新进入的请求优先级较低，则8259不向CPU提出请求。
如果新进入的请求优先级较高，则8259使INT引脚输出高电平，向CPU提出请求。
（5）LED（数码管）
LED为发光二极管构成的显示器件，由7个字符段和一个小数点段组成，每段对应一个发光二极管，当发光二极管点亮时，相应的字符段点亮。
LED有共阴极和共阳极两种供应状态。
共阴极显示时，将LED显示的COM接地，将八个字符段端a、b、c、d、e、f、g、dp依次与一个8位I/O口的最低到最高位连接，当I/O给LED的字符段送入一个高电平时，该段就被点亮，从而从这7个被点亮的字符段中构成相应的字符显示出来。
同理，COM阳极即将COM端接Vcc，其显示原理与COM阴极的基本相同，但I/O口送入低电平是相应的段才被点亮。
硬件设计原理图如下：
4．程序流程图和源代码清单：
（1）程序流程图：
（2）源代码清单：
主程序：
PUSHDS ；保存数据段
MOVAX,0000H
MOVDS,AX；数据段清零
MOVAX,OFFSETIRQ7 ；取中断程序入口地址
ADDAX,2000H ；加装时IP＝2000地址
MOVSI,003C ；填8259中断7中断矢量
MOVW[SI],AX ；填偏移量矢量
MOVAX,0000H ；段地址CS＝0000H
MOCSI,003EH
MOVW[SI],AX ；填段地址矢量
POPDS ；弹栈
INAL,21H ；读8259中断屏蔽字
ANDAL,7FH ；开8259中断7
OUT21H,AL
MOVAL,39H;8253的计数器0为方式2，采用BCD码计数，先写低8位，后写高8位。
方式控制字为00110101
OUT43H,AL;写入方式控制字到控制字寄存器
MOVAL,00H；计数初值低8位
OUT42H，AL；写入计数初值低8位到通道0
MOVAL,10H；计数初值高8位
OUT42H，AL；写入计数初值高8位到通道0
MOVAL,81H ;8255的A口位方式0输出，B口为方式0输出，C口下部输入10000001
OUT63H,AL ；写方式控制字
CALLFIRST；调用first子程序，赋计数初值
BEGI:
HLT;延时等待
STI；开中断
MOVAH,01H
INT16H ；检测是否按了键
JZBEJI
MOVAH,00H；读键值
INT16H
CMPAL,0DH ；是否按了KEY2
JNZA1
MOVSI,4000H
NOT[SI+04H] ；偏移地址为4004H的内存单元内容取反
JMPBEGI
A1:
CMPAL,1BH ；是否按了KEY1键
JNZA2
CALLFIRST；重新赋初值，相当于清零
A2:
JMPBEGI
中断程序：
IRQ7：
CAKKDIS；调用DISP子程序，用来在数码管显示数据
MOVSI4000H
CMP[SI+04H],00H ；判断是否按了第2次回车键
JEA4
CALLADDN ；调用ADDN子程序，用来计数
A4:
MOVAL,20H
OUT20H,AL
CLI ；关中断
IRET ；返回
ADDN程序：
ADDN:
MOVSI,4000H
ADD[SI+05H],01H；百分之一秒加1
CMP[SI+05H],0AH ；判断是否大于10
JZA5
JMPA11
A5:
MOV[SI+05H],00H
ADD[SI+04H],01H；十分之一秒加1
CMP[SI+04H],0AH ；判断是否大于10
JZA6
JMPA11
A6:
MOV[SI+04H],00H
ADD[SI+03H],01H ；秒位加1
CMP[SI+03H],0AH；判断是否大于10
JZA7
JMPA11
A7:
MOV[SI+03H],00H
ADD[SI],01H ；十秒位加1
A8:
MOV[SI+02H],00H
ADD[SI+01H],01H ；分位加1
CMP[SI+01H],0AH；判断是否大于10
JZA7
JMPA9
A9:
MOV[SI+01H],00H
ADD[SI],01H ；十分位加1
CMP[SI],06H ；判断是否大于6
JZA8
JMPA9
A10:
MOV[SI],00 ；大于60：
00重新开始
A11:
RET
显示程序：
DSP:
PUSHAX ；保存AX
MOVSI,4000H；指向数据缓冲区
MOVDL,F7H；11110111指向数码管
MOVAL,DL;AL=11110111
AGAIN:
OUT60H,AL ；写端口A
MOVAL,[SI]
MOVBX,4100H；指向数码缓冲区BX=0100000100000000
ANDAX,00FFH；BX=00000000al
ADDBX,AX；得到显示代码BX=01000001al
MOVAL,[BX]
OUT61H,AL；写端口B
CALLDELAY：
调用延时程序DELAY
INCSI
MOVAL,DL
TESTAL,01H
JZOUT
RORAL,1；指向下一个数码管
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