学位论文秒表.docx

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学位论文秒表

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04072827141012

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

4.1RS触发器4

4.2单稳态触发器电路6

4.3555多谐振荡电路8

4.4555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74HC451118

7.5数据分配器7413820

7.6LED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

4.1RS触发器

（1）RS触发器原理图

图4.1.1RS触发器原理图（Multisim版）

图4.1.2RS触发器原理图（QuartusII版）

表4.1.1RS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4.1.2SR触发器仿真波形（Multisim版）

图4.1.3SR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。

4.3555多谐振荡电路

（1）555多谐振荡电路原理图

图4.3.1555多谐振荡器原理图

（2）555多谐振荡电路仿真波形

图4.3.2555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。

4.4555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7.1.1555多谐振荡器原理图

图7.1.2555多谐振荡器理论工作波形图

图7.1.3555多谐振荡器实际工作波形图

图7.1.4555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7.2.374LS290管脚图

（2）74LS290原理

表7.1.374LS290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7.5.174373锁存器

表7.5.174138锁存器功能表

工作模式

输入

内部锁存器状态

输出

OE非LEDn

Qn

使能和读锁存器

LHL

LHH

L

H

L

H

锁存和读锁存器

LLL

LLH

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7.4.174HC4511译码器

（2）原理介绍

表7.4.374HC4511译码器

十进制数或功能

输入

输出

字形

LE

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

R0AR0B

S9AS9B

CP0CP1

Q3Q2Q1Q0

1

0

XX

0000

X

1

XX

1001

0

0

CP0

二进制

0

0

0CP

五进制

0

0

CPQ0

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7.5.174138数据分配器

（2）功能介绍

表7.5.174138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

7.6LED显示器（七段数码管）

（1）LED显示器

图7.6.1LED显示器

（2）功能介绍

表7.6.27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