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秒表的设计毕业论文
湖北理工学院
毕业设计[论文]
题目：
秒表的设计
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摘要
本系统由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、LED显示器组成，采用了中小规模集成芯片。
总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。
其中主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字计时器的扩展功能，进行了各单元设计，总体调试。
数字计时器是由脉冲发生电路、计时和显示电路、清零电路、几部分组成的，电路由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等元件构成。
振荡器产生的脉冲信号经过分频器分频作用后为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数器计数并且通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。
本系统由计数器、译码器、LED显示器采用了中小规模集成芯片。
总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。
其中主体电路完成循环显示的基本功能，扩展电路完成启动停止的扩展功能，进行了各单元设计，总体调试。
本文首先描述系统硬件工作原理，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统模块的功能及工作过程,其次，详细阐述了程序的各个模块和实现方法。
本设计以数字集成电路技术为基础。
本文编写的主导思想是以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。
关键词：
石英晶体；分频器；计数器；译码器；脉冲
Abstract
Systemhasbeencomposedofcrystaloscillator,frequencydivisionimplement,counter,decoder,LEDdisplay,hasadoptedtobehitbythesmall-scaleintegrationchip.Twomajorpartdesigningfrommainbodycircuitandexpandingacircuitarecomposedofanoverallplan.Mainbodycircuitsamongthemaccomplishfundamentaldigitalclockfunction,expandacircuitaccomplishingthefigurecalculagraphexpansionfunction,theelementhavingcarriedouteverydesignsthat,populationdebugs.
Figurecalculagraphistobecomposedofpulsegeneratingcircuit,circuit,zeroclearingcircuit,severalpartsreckoningbytimeandshowing,thecircuitiscomposedofcomponentssuchasoscillator,frequencydivisionimplement,counter,decoder,display.Thepulsesignalthattheoscillatorproducescountsanddemonstratestimeby"time","mark","second"decoderbythatthefrequencydivisionimplementfrequencydivisioneffectqueenbeingsecondofpulse,secondofpulsesendinginthecounter,thecounter.
Thissystemhasadoptthemiddlesmall-scaleintegrationchipfromthecounter,decoder,LEDdisplay.Twomajorpartdesigningfrommainbodycircuitandexpandingacircuitarecomposedofanoverallplan.Mainbodycircuitsamongthemaccomplishthefundamentalfunctionthatcirculationdemonstrates,expandacircuitaccomplishingthestartingstopexpansionfunction,theelementhavingcarriedouteverydesignsthat,populationdebugs.Systemhardwareoperatingprinciplethemainbodyofabookisdescribedfirst,andattachtheblockdiagramgivesexplanationwithsystemstructure,emphasizethemoduleandrealizationmethodhavingintroducedsystemmodulefunctionandcourseofwork,havingsetforththeprocedureeachsecondly,detailedly.DesignthatthetechnologyisabasiswithfigureICoriginally.Thedominantideasthemainbodyofabookiscompiledandcomposedistotakehardwareasbasis,writecomingtocarryouteveryfunctionmodule.
Keywords:
Quartzcrystal；frequencydivisionimplement；counter；decoder；pulse
1绪论
以数字信号为工作信号的控制电路。
数字信号指所有在时间和数值上都离散的信号，其变化在时间上不连续，数值的增减都取数字形式。
数字控制电路具有很高的控制精度和很强的抗干扰性，可以解决模拟控制电路所解决不了的问题。
数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。
根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路[1]、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。
小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过100个；中规模集成电路包含的门电路在10～100个之间，或元器件数在100～1000个之间；大规模集成电路包含的门电路在100个以上，或元器件数在10～10个之间；超大规模集成电路包含的门电路在1万个以上，或元器件数在10～10之间；特大规模集成电路的元器件数在10～10之间。
电子学近几十年的历史可以看作是逐渐小型化的历史，推动电子产品朝小型化过渡的主要动力是元器件和集成电路IC的微型化。
随着微电子技术的发展，器件的速度和延迟时间等性能对器件之间的互连提出了更高的要求，由于互连信号延迟、串扰噪声、电感电容耦合以及电磁辐射等影响越来越大，由高密度封装的IC和其他电路元件构成的功能电路已不能满足高性能的要求。
人们已深刻认识到，无论是分立元件还是IC，封装已成为限制其性能提高的主要因素之一。
目前电子封装的趋势正朝着小尺寸、高性能、高可靠性和低成本方面发展。
所谓封装是指将半导体集成电路芯片可靠地安装到一定的外壳上，封装用的外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁，即芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。
因此，封装对集成电路和整个电路系统都起着重要的作用。
芯片的封装技术已经历了几代的变迁，从双列直插式封装（DIP）、塑料方型扁平式封装（POFP）、插针网格阵列封装（PGA）、球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）到多芯片组件（MCM）[2]，技术更先进，芯片面积与封装面积之比越来越趋近于1，适用频率更高，耐温性能更好，引脚数增多，引脚间距减小，可靠性提高，使用更加方便。
21世纪集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统SoC（System-on-Chip）成为开发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。
英特尔曾于2003年11月底展示了首个能工作的65纳米制程的硅片，Intel2004年8月宣布，他们已经采用65纳米，生产出了70Mbit的SRAM。
并计划于2005年正式进入商业化生产阶段。
使用65纳米制程生产的芯片中门电路的数目是90纳米制程的1/3。
SRAM（静态存储器）将用于高速的存储设备，处理器中非常重要的缓存就是采用SRAM。
Intel表示，通过采用第二代应变硅技术（应变硅技术是一种对晶体管沟道部分的硅施加应力使其变形，以此提高载流子迁移率的技术。
借由加大硅原子间彼此的距离，电子便能够更加迅速地运行。
而电子的运行速度越快，处理器的性能就越好。
）可以将晶体管的性能提升了10%~15%，与90纳米工艺制造的晶体管相比，65纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少4倍的漏电电流。
未来将会有越来越多的产品采用65纳米工艺Intel公司2004年底宣布首次成功开发出15纳米的晶体管。
Intel的15纳米晶体管基于CMOS工艺，工作电压为0.8伏，每秒可进行2.63万亿次开关转换。
Intel计划在2009年开发出基于15纳米晶体管的芯片，到时该公司开发出的处理器将达到20GHz甚至更高。
80年代被誉为“电子组装技术革命”的表面安装技术SMT改变了电子产品的组装方式。
SMT已经成为一种日益流行的印制电路板元件贴装技术，其具有接触面积大、组装密度高、体积小、重量轻、可靠性高等优点，既吸收了混合IC的先进微组装工艺，又以价格便宜的PCB代替了常规混合IC的多层陶瓷基板[3]，许多混合IC市场已被SMT占领。
随着IC的飞速发展，I／O数急剧增加，要求封装的引脚数相应增多，出现了“高密度封装”。
90年代，在高密度、单芯片封装的基础上，将高集成度、高性能、高可靠的通用集成电路芯片和专用集成电路芯片ASIC在高密度多层互连基板上用表面安装技术组装成为多种多样的电子组件、子系统或系统，由此而产生了多芯片组件MCM[1]。
在通常的芯片印刷电路板PCB和SMT中，芯片工艺要求过高，影响其成品率和成本；印刷电路板尺寸偏大，不符合当今功能强、尺寸小的要求，并且其互连和封装的效应明显，影响了系统的特性；多芯片组件将多块未封装的裸芯片通过多层介质、高密度布线进行互连和封装，尺寸远比印刷电路板紧凑，工艺难度又比芯片小，成本适中。
因此，MCM是现今较有发展前途的系统实现方式，是微电子学领域的一项重大变革技术，对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域将产生重大影响。
2方案论证
2.1功能要求
测定运动项目的速度时需要使用秒表。
秒表与普通的钟表（包括手表）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。
利用数字电路可以很容易地制作计数器，所以对于制作钟表来说最大的问题是如何准确的标定时间。
如何能准确地产生1/100s的脉冲是整个电路的设计要点。
为了获得准确而稳定的振荡，必须采用石英振荡器。
本设计采用的是频率为6MHZ的石英振子[4]。
1、秒表基准脉冲的设计；能准确地产生1/100s的脉冲是整个电路的设计要点。
为了获得准确而稳定的振荡，必须采用石英振荡器。
本设计采用的是频率为6MHZ的石英振子。
2、秒表按钮开关的设计。
3、电路的最大计数为99.99s,并能掌握计数器位数与计数范围之间的关系。
4、分频电路的设计。
2.2方案确定
利用数字电路可以很容易地制作计数器，所以对于制作钟表来说最大的问题是如何准确地标定时间。
作为测定时间的典型工具，在制作秒表时，我们首先应该了解钟表的结构。
方案一：
可以使用几个专用计数器IC，尽管叫做专用IC，其实采用不同的使用方法还是能够用于各种不同用途的。
它把几位十进制计数器集成在一个管壳中的数字IC。
输出显示是动态式的，所以只要一个7段的译码器驱动就够了。
但是大多专用数字IC都是外国进口的，价格较高，并且在市面上不容易买到。
方案二：
如图2-1所示，系统以数字芯片为主控制器。
时钟功能的实现方法是由石英脉冲发生器产生脉冲,再通过分频完成基本的时钟任务，再通过LED模块显示出来。
秒信号的产生：
在方案一中是由专用数字IC[5]产生，在方案二中是由分频完成，如果要扩展外围功能方案二中由分频产生的其它的频率可以使用，可使功能更加强大。
数字显示：
在方案一中LED的显示是使用动态的显示，动态的显示对于秒表来说不是很好的选择，很容易出现显示不清晰或错误的乱码。
在方案二中采用LED的静态显示，显示清晰稳定。
由以上的比较知，在实现相同功能的情况下，方案二比方案一明显地具有优越性，成本较低，本设计采用方案二。
图2-1系统框图
3系统设计
由于本电子旋转圆盘系统以74LS系列[6]为主控芯片。
硬件的结构和可靠性直接影响着整个系统的可靠性。
任何电子产品都必须有一个电源为其提供能量才能工作，故本设计先从电源部分开始，再进行功能部分的设计。
3.1电源部分的设计
稳压电源的功能是把来自电网的220V交流电压转变为所需的、稳定的直流电压，为其他电路提供能源。
它的设计在保证满足负载所须能量的同时，还要根据负载的特性及其对电源的要求（如稳压范围、纹波系数等），进行设计。
必要时还要有过流、过压、欠压、过负载保护措施。
现在常用的直流稳压电源有变压器式和开关式电源两种。
在本系统中从价格和结构上考虑选用价格低廉和结构简单的直流稳压电源。
变压器式直流稳压源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图3-1所示。
市电先经电源变压器变换成所须等级的交流电压，而后经整流电路将之整流成直流电，这时的直流电脉动量很大，经滤波电路以减小其脉动量，最后经稳压电路进行稳压，从而得出符合要求的电压。
3.2时钟电路的设计
时钟脉冲的的精度取决于振荡器，就是说振荡器是秒表的核心。
振荡器的稳定度及频率的精确度决定了秒表计时的准确程度，如果精度要求不要可以采用由逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器[7]。
振荡频率
=103Hz，如图3-2所示。
一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高，通常选用石英晶体构成振荡器电路。
如图3-3所示。
本设计中需要精度高的脉冲，选用石英晶体振荡器电路。
图3-2555振荡器电路图3-3晶体振荡器电路
由于得到的频率较高，要进行分频，分频器的功能只要有两个：
一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。
选用6片中规模集成电路计数器74LS192可以完成上述功能。
因每片为1/10分频，5片级联则可获得所需要的频率信号，即第1片的输出频率为600kHz，第二片的输出为60kHz，以此类推。
3.3主电路设计
主电路的功能是完成0-99循环显示，再送往LED显示，使用轻触开关来启动和停止。
设计秒表电路的要求：
1、用7段数字表示器设计旋转圆盘。
2、99个数的计数器部分的设计。
3、显示用的译码器电路的设计。
3.3.1主要芯片的选择
1、74LS192
主控芯片由十进制计数器完成。
目前市场上的十进制的芯片很多种在这里我选用74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入[8]，并具有清除和置数等功能。
如图3-4、表3-1。
CPU
CPD
LD
CR
操作
X
X
X
1
清零
X
X
0
0
置数
1
1
1
0
加计数
1
0
1
0
减计数
1
1
1
0
保持
表3-174LS192真值表
图3-474LS192引脚图
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。
表3-274LS192模块引脚功能
引脚号
符号
功能
1,9,10,15
P0~P3
数据输入端
2,3,6,7
Q0~Q3
数据输出端
4
CPD
减计数时钟输入端（下升沿有效）
5
CPU
加计数时钟输入端（上升沿有效）
8
GND
接地
11
PL
预置数控制端
12
TCU
进位输出端，当计数上溢时输出低电平脉冲
13
TCD
错位输出端，当计数下溢时输出低电平脉冲
14
MR
清零端当为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，可清零
16
VCC
+5V
当清除端CR[9]为高电平“1”时，计数器直接清零；CR置低电平则执行其它功能。
当CR为低电平，置数端
也为低电平时，数据直接从置数端D0、D1、D2、D3置入计数器。
当CR为低电平，
为高电平时，执行计数功能。
执行加计数时，减计数端CPD接高电平，计数脉冲由CPU输入；在计数脉冲上升沿进行8421码十进制加法计数。
执行减计数时，加计数CPU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD输入，表3-2为8421码十进制加、减计数器的状态转换表。
其功能表如表3-2所示。
2、与非门74LS00
TTL门电路是数字集成电路中应用最广泛的，由于其输入端和输出端的结构形式都采用了半导体三极管，所以一般称它为晶体管-晶体管逻辑电路，或称为TTL电路。
这种电路的电源电压为+5V，高电平典型值为3.6V（≥2.4V合格）；低电平典型值为0.3V（≤0.45合格）。
常见的复合门有与非门、或非门、与或非门和异或门。
74LS00为四-2输入与非门[10]，为14脚芯片，14脚为Vcc，7脚为GND。
在门电路芯片中，输入端一般用A，B，C，D，…表示，输出端用Y表示。
如一块集成芯片有几个门电路时，在其输入、输出端的功能标号前（或后）标上相应的序号。
如74LS00为四个2输入与非门电路，1A、1B为第一个与非门的输入端；1Y为该门的输出端，2A、2B为第二个与非门的输入端，2Y为其输出端，依此类推。
其引脚图如图3-4所示。
图3-474LS00引脚图
与非门相当于与门+反相器，它与与门和反相器一样也可以作为门使用，只是各自的输出是反转的。
所以作为控制信号，与门和与非门是相同的，只是输出的极性是反转的。
门IC本来就是作为逻辑器件而制作的，与非门的逻辑真值表如表3-3。
表3-374LS00真值表
输入
输出
A
B
Y
L
L
H
3、74LS04
74LS04为六输入非门，为14脚芯片，14脚为Vcc，7脚为GND。
在非门电路芯片中，输入端一般用A，B，C，D，…表示，输出端用Y表示。
如一块集成芯片有几个门电路时，在其输入、输出端的功能标号前（或后）标上相应的序号。
1A为第一个与非门的输入端；1Y为该门的输出端，2A为第二个与非门的输入端，2Y为其输出端，依此类推。
其引脚图如图3-5所示。
图3-574LS04引脚图
4、CD4511译码器
译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：
变量译码[11]和显示译码两类。
变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。
显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。
译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。
把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。
或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。
根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电平。
译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。
应用领域的不断扩大，要求生产更直接更方便的LED显示器件。
因而出了数码管、字符管、电平管[12]等多种LED显示器。
译码器是典型的组合数字电路，译码器是将一种编码转换为另一种编码的逻辑电路，学习译码器必须与各种编码打交道。
从CD4511是BCD锁存—段码译码—共阴LED驱动集成电路，CD4511是输出高电平有效的CMOS显示译码器，其输入为8421BCD码，图3-6和表3-4分别CD4511的引脚图和逻辑功能表。
图3-6CD4511引脚图
LT:
试灯极，低电平有效，当其为低电平时，所有笔划全部亮，如不亮表示该笔划有问题。
BL:
灭灯极，低电平有效，当其为低电平时，不管输入的数据状态如何，其输出全为低电平，即所有笔划熄灭。
ST／LE:
选通/锁存极，其是一个复用的功能端，当输入为低电平时，其输出与输入的变量有关；当输入为高电平时，其输出仅与该端为高电平前的状态，并且输入DCBA端不管如何变化，其显示数值保持不变。
D,C,B,A:
8421BCD码输入，其D位为最位。
a～g:
输出端，为高电平有效[13]，故其输出应与其阴极的数码管相对应。
其引脚如图3-6所示，各引脚功能如下：
cd4511是常用的七段数码管显示译码芯片，他的驱动能力强稳定性高。
表3-4CD4511模块引脚功能
引脚号
符号
功能
1~2,6~7
A1~A4
BCD码输入端
9~15
a~g
译码输出端（高电平有效）
3
LT
测试输入端L：
a~g全部输出高电平七段均发亮，显示“8”
4
BI
消隐输入控制端H：
可显示数字L：
数码管均处于熄灭不显示数字
5
LE
锁定控制端H：
锁定保持状态L：
允许译码输出
8
GND
接地
16
VCC
+5V
主要功能：
BCD锁存,7段译码,驱动器。
数码显示功能：
按功能表输入二进制信号0000~1001[14]，数码显示器应显示十进制数0~9，如表3-5所示。
表3-5CD4511真值表
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
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1
0
1
1
0
1
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