倒计时数字计时显示器.docx
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倒计时数字计时显示器
数字计时显示器
论文作者：
戴橙
2011年12月30
邵阳学院课程设计（论文）任务书
年级专业
学生姓名
戴橙
学号
题目名称
数字显示计时电路
设计时间
2011.
12.12-12.30
课程名称
电子技术课程设计
课程编号
121202306
设计地点
电工电子实验室、创新实验室
一、课程设计（论文）目的
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。
二、已知技术参数和条件
采用模拟电子技术，数字电子技术课程上学习的集成电路来设计有一定应用性的电路。
不允许采用单片机。
设计一个具有数字显示的计时电路。
1、能够设置计时时间
2、能用LED数码管显示剩余工作时间，当计时开始时，显示所设定的总时间。
每当计时1min，显示数字立即减1。
在以上基础上任意发挥。
三、任务和要求
1.按学校规定的格式编写设计论文。
2.论文主要内容有：
①课题名称。
②设计任务和要求。
③方案选择与论证。
④方案的原理框图，总体电路图、布线图，以及它们的说明；单元电路设计与计算说明；元器件选择和电路参数计算的说明等。
⑤用protuse或其它仿真软件对设计电路仿真调试。
对调试中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测试、记录、整理与结果分析。
⑥收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。
注：
1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；
2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）
主编张克农.数字电子技术.高教出版社出版.第一版.2006年
彭介华主编.电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年
曾建唐主编.《电工电子基础实践教程》.机械工业出版社.2002年
康光华主编.《电子技术基础》.高教出版社出版.第四版.1999年
电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：
示波器 型号规格VP-5220、电子学习机 型号规格WL-V、万用表 MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。
五、进度安排
2011年12月12日-13日：
收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求；
2011年12月14日-15日：
总体方案设计，方案比较，选定方案的论证及电路的工作原理；
2011年12月16日-21日：
单元电路设计，参数计算，元器件选择，电路图；
2011年12月22日；整理书写设计说明书
2011年12月23日：
答辩
六、教研室审批意见
教研室主任（签字）：
年月日
七|、主管教学主任意见
主管主任（签字）：
年月日
八、备注
指导教师（签字）：
学生（签字）：
摘要
随着时代的发展，数字电路作用越来越大，对我们日常生活的影响也越来越深，小到我们用的手表，大到国防的先进武器，对数子电路的研究设计是目前正进行的一个重要课题。
本次我们研究的课题是数字显示计时电路的设计。
数字显示计时电路在我们日常生活中也应用很广泛，比如我们在比赛中用的倒计时钟，新年倒计时表等。
本次数字显示计时器我们用到数码管对我们的数字进行计数，74LS193芯片作用是对我们脉冲信号进行减法计数，处理信号的过程中我们还用到了CMOS门电路对信号的各种运算。
在计数器计完时间后会发出提示的响声，因此还加入三极管放大器和小音响设备，最后我们绘出了仿真图，成功的完成了本次设计。
关健词：
数字电路;显示计时;74LS193
目录
1绪论
1.1电子显示电路的作用
随着电子技术的高速发展，电子技术领域里的新概念，新方法不断涌现，使电子技术内容不断增加，而数字显示计时电路作为电子的一个方面，也得到了快速的发展，本次课题就是对显示计时电路的一个探讨。
本次课程设计的基础思想是：
１.通过学生的自己设计来对学生电子技术知识的掌握情况，从而找到教学方面的缺优点，并加以改进和传播。
２.学生通过电子课程设计来提高动手能力，同时也是一次创新。
1.2电子计时在生活中的应用
随着数字时代的飞速发速，数字技术已经完全成熟，而且随着技术的发展，其价格也越来越低，使得数字电子计时器在我们生活得到普及。
在体育赛事中，倒数计时器必不可少，而且其要求的精度也要求严格，这就需求有非常强的技术。
在商业界的影响更是如此。
对于大型的商品的促售活动，商家们就使用了电子倒数计时器，其造价成本低受到了大家的青睐。
尤其是以电子LED计时显示屏的特点更为突出，比如：
1、电子计时显示屏亮度高可视距离远,五百米内都能清晰可见。
2、电子计时显示屏显示内容简单明了色彩鲜艳,不会带来条幅或其它显示设备的粗糙感及厚重感。
4、电子计时显示屏是一种高科技的产品.它的采用能很快的将贵公司与时代接轨。
5、电子计时显示屏的发展前景极为广阔，在政府机构和企事业处都起着重大作用。
显示屏的系统的采用，将使贵公司的信息化登上更高的台阶。
随着我国经济发展迅猛，对信息的传播有越来越高的要求。
可以相信，数字电子计时显示器以其色彩鲜亮、显示信息量大、寿命长、耗电量小、重量轻、空间尺寸小、稳定性高、易操作、易安装维护等特点将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。
总得看来，电子计时显示器在当今显示媒体中，性价比最高，将会是人们最佳的选择。
2数字电子显示电路的原理
2.1秒钟个位计时原理
本系统由三个模块组成，74LS193芯片、显示数码管和蜂鸣器。
系统设计的方框图如下图2.1所示，当脉冲信号输入时，74LS193对其进行减法计数，当秒钟计到零时，分钟计数器自动减1，当分钟和钞钟全部为0时，分钟计时器
产生脉冲使得音响设备发出声音提示计时时间快到。
数字电子显示电路之所以能计时，就是因
为其内部有脉冲信号使其能以1S一个脉冲波的
频率输出脉冲信号，脉冲信号输送给74LS193芯
片。
由表2.2可知，当
，MR=0,脉冲信号从
DN端输入时，74193自动从数字15开始计数，此时
74193就实现了减法计数的功能，为了让我们能
看到74193所显示的数字，需要引进显示管的显
示功能来实现。
数字显示管的有四个引脚，分别
接74193的输出端，从而可以实现了输出的显示
功能。
当74193的引脚
，MR=0,同时UP接入
脉冲信号，且DN接１时，74193就可做一个加法
器。
它作为加法器时，如果没有预置数，脉冲会
会从0开始，每当UP端来一个脉冲，74193就会加
１，并从输出端输出，从而可以在显示管上显示 图2.1系统流程图
出来。
表2.２ 74193的功能表
UP
DN
MR
工作状态
－
－
1
－
清0
－
－
0
0
预置数
1
0
1
加法计数
1
0
1
减法计数
本次我们的课题是定时器，因此，我们用到的是74193的减法功能，所以，在设计74193的减法时，我们需要便
，即让74193的11号引脚接高电平，也就达到了使端口
置1的功能。
MR=0是减法计数的另一个必要条件，因此为了使MR=0，我们只要把74193芯片的14号引脚接地即可实现MR的置0。
当然，要使74193做减法器，DN必需接脉冲信号的输入端。
这样就是一个能过1S就能使数字显示器显示减法的计数器。
减法器做好之后，接下来就是要实现减法计数器的分钟计数。
因此减法器必须实现秒钟的秒数从00变为59然后依次对秒钟数进行减数。
为此，我们必须使74193从9开始减数，而不是从15开始减数，然后从9至0依次循环，这就涉及到74193的预置数功能。
74LS193的预置数功能就是使74193能从外界接收到给的信号数字，然后按照所给的信号数字开始减数。
因为秒钟秒数从9开始减数，因此这里我们设置秒钟的预置数为9，使秒钟的个位数能在9至0之间循环。
从上表2.2中可知，当
=0,MR=0,即74193的11号线与14号线接地时，74193就可以实现预置数功能。
这里我们要实现的是作9至0的循环。
因此，我们要把9输入74193中，使输入端
，
，
，
，即使74193的输入端9号和15号分别接高电平，1号和10号分别接地。
其接线如图2.3所示。
如果MR=0,
则74193就会把9置入芯片中，若此时
又马上变成1，那74193就立刻从9开始作减法计数。
图2.3 显示计时器秒钟个位计时接线图
预置数功能只能实现了把9置入芯片中，使其能从9开始减数，但由表2.2 74193功能表可知，当秒钟的个位变为0后，由于
仍为1的，也就是秒钟个位又变回到从15开始减数，为了让秒钟的个位从9减到0后，又能从9开始减数，因此必须当秒钟的个位变为15时使74193把9预置入芯片中，但同时又不会影响其秒钟的个位减数功能，我们引入了如上图2.3中与非门。
当秒钟由0变回15时，即输出端信号全部变成1时，经过与非门的转换，使信号变为0，然后把0信号又传给
，则由74193的功能表可知，当MR=0,
=0时，74193实现的是预转数功能，这时74193又从9开始计数，而且信号经与非门之后又是变成了1，传给
端后又实现减法计数，从而达到了我们想要的减法循环计数功能。
2.2 秒钟十位计时原理
秒钟个位已经设置好了，接下来是实现秒钟的十们减法计数，也就是要让秒钟的十位能在秒钟的个位从0变到9时，秒钟的十位能减1，即当秒钟个位每一个循环，秒钟的十位就实现减法，也是指每秒钟的个位一个循环就给秒钟的十位一脉冲信号。
从而达到如秒钟的个位减法计数的效果。
我们知道秒钟的十位是从5开始减法计数至0后又循环至5，也就是六进制的循环。
所以只要我们把秒钟十位预置数接成5即中满足要求，同时秒钟的十位脉冲信号端DN应接秒钟个位信号经与非门转换后的信号，即秒钟的十位减法是由秒钟的个位循环来提供脉冲的。
其他线的摘法同秒钟的个位减法接线一样。
秒钟的十位计时实物接线图如图2.4所示。
图2.4 显示计时器秒钟十位计时接线图
如上图电路中，把计数的输入端接5，即D3和D1都接地，把D2和D0接高电平。
当输出端Q0-Q3在下一循环变成全部变成1时，信号经过与非门后输给
，使5又置入74193芯片中，74193又从5开始循环减数。
把秒钟十位的输出端接数字显示管，我们就可以对秒钟的十位计时进行观察，这样就实现了显示计时电路的秒钟十位减法计数。
2.3 显示计数器分钟计时原理
上两节我们主要介绍了显示计数器的秒钟减法计时原理，这一节我们主要讨论如何设置分钟计时原理。
分钟的减法计数原理与秒钟的减法计时原理十分的相似，它是由秒钟的十位计数器的与信号来提供脉冲的，其他接线端同秒钟的计时接线图一样，如图2.5所示实物接线图。
分钟减法计数接线唯一与钞钟接线不同的是没有设置循环置数，因为我们设置的分钟定时是希望当分钟和秒钟数全部都变为0时，定时器就停止计时，而不是让它循环计时，所以如2.5图所示，74193的11号端口
没有与输出信号与非门相接，而是让11号端口直接接高电平，即让11端口接电源。
分钟的预置数也是与秒钟的预置数不一样的，因为我们是要求分钟能灵活的设置我们想要定时的数，所以分钟的预置数是灵活多变的，于是我们设计出了如图2.5所示的二进制预置数开关，以电源正极代表1，接地表示0。
有SW1至SW4四个开关，分别对应显示计时电路的分钟预置数。
当开关拔向电源的正极时，表示此开关接1。
当开关拔向接地端时，表示开关为0。
然后把开关的接线分别与74193的输入端D0-D3相接，如图3.5中，SW1为0，SW2为0,SW3为1，SW4为0，表示二进制数为0010，其相对应的十进制数为2，这样就解决了分钟的定时数问题。
当我们把开关接为1101，然后根据表2.2 74193的功能表可知，使
变为0，则芯片对我们定时2分钟进行预置数。
然后
变为1，74193实行减法计数功能，开始对分钟数进行减法计数。
图2.5 显示计时器分钟接线图
2.4 显示计时电路的暂停与清0
显示计时电路的暂停和清0功能是在74193原有功能上的一个扩充，因为在实际的应用中，常常会遇到很多的情况，如计错了计时的时间等各种人为因素的影响，都需要我们对计时器进行重计时的操作，这就需要计时器有清零的功能。
不仅如此，计时器的暂停功能在实际的应用中也很重要。
计时器的暂停很简单。
本显示电子计时之所以能计时全来自于有外界提供脉冲信号。
所以只要我们在中断了脉冲信号，就可以实现定时器的暂停功能，为此，我们在脉冲信号的连线上加上一个开关即可，其接线图见附件。
计时器的清零设计也很简单。
由表2.2 74193的功能表可知，只要当MR=0,则74193就立刻清0，计时器就会从回到0，并从15开始减数。
利用74193的这一原理，我们把分钟和秒钟的个位和十位74193MR端都通过一个开关接上电源。
当开关接通时这相当于74193的MR端接1，则显示计时电路全部都0。
但此时计时器并不能保持置0的状态，因为74193的MR端只是暂时的置1，清0开关断开后，下一个脉冲来后，计时又变成了15，使74193保持0状态不变，为此我们加入一与门逻辑开关，把分钟输出信号经过与门后送给分钟和秒钟74193芯片的MR端。
当分钟输出由0变成15时，信号经过与门的处理变成了全部变成了1，此时MR被置1，计数器又是保持0状态不变，从而巧妙的实现74193的保持0功能。
2.5 蜂鸣器的设置
蜂鸣器是在定时时间到后能自动发声，所以只要设置在定时的时间到后，给蜂鸣器的信号就行。
我们知道当分钟计数器为0时，会从15开始重新减数，当信号从输出端经与门后会变成1，而分钟计数器在没有计完数时，从与门输出的信号就为0。
因此只要把与门输出端与蜂鸣器相连就可。
由于从与门端的输出信号电压和电流都很少，不足以提供蜂鸣器的电压和电流，我们还必须引进一个三极管，经三极管的电压放大后就可满足所需功能要求，其具体实物接线如图2.6所示：
图2.6 蜂鸣器接线图
从上图2.6 蜂鸣器接线图可以看出，蜂鸣器LS1的一端与三极管的发射极相连，另一端直接接地。
三极管的基极和与门输出端相连，其集电极接电源的正极，这样，三极管就起了信号的放大作用。
在日常生活中，人们往往有时没有留心计时器的计时时间已到，而倒致不能正确确定计时时间。
加入蜂鸣器后，我们就可以弥补这个缺陷，只要计时时间一到，那么，蜂鸣器就会发出声音，提醒计时者时间已到。
3数字显示管
显示电子计时电路的数字显示全部是由数字显示管来实现的，因此数字显示管在本设计中起了很大的作用。
其实物图如3.1所示。
显示器是接收、处理数字信号的显示器，作为一种先进的显示器类型，数字显示器正在呈现加速发展的态势。
数字显示器的先进性首先体现在信号的保真度上，在传输的过程中，数字信号的损失几乎为零，因此数字显示器的显示效果更加逼真；其次，数字显示器具有单一模式的回路结构，因而系统更简单、更可靠；第三，数字显示器中没有了可见扫描线的干扰，因此能够显现更清晰的动态图像、游戏、照片等，能获得图形作业所需的高水准图像效果。
同时数字显示器可以更有效地实现与显示效果直接相关的性能，如色彩修正，肤色补偿，色彩再校准等。
目前的数字显示器并非绝对的数字显示器，它同时可以接受、处理数字信号和模拟信号，因此兼有两种显示器的特点。
图3.1 数字显示管实物图
本次设计分别用到了三个数码管，其中第一个的四个引脚分别与分钟的四个引脚相连，其引脚的接线从左到右分别接第一个74193芯片的Q3、Q2、Q1、Q0,即分钟计数器的引脚，这个数字显示管也就是分钟剩余显示器。
同理，第二个数字显示管与第二个74193芯片相连，用来显示秒钟的剩余十位数。
第三个数字显示管与最后一个74193芯片相连，用来显示秒钟个位的剩余数。
474193芯片的介绍
4.174193的端口功能
74193为可预置的十进制同步加/减计数器，其形式有很多种，但主要有54LS193和74LS193两种线路结构形式。
其中74LS193电路图见附件图1，它的电特性的典型值如下：
193的清除端是异步的。
当清除端（CLEAR）为高电平时，不管时钟端（CDOWN、CUP）状态如何，即可完成清除功能。
74LS193的预置是异步的。
当置入控制端（LOAD）为低电平时，不管时钟（CDOWN、CUP）的状态如何，输出端（QA－QD）即可预置成与数据输入端（A－D）相一致的状态。
74LS193的计数是同步的，靠CDOWN、CUP同时加在4个触发器上而实现。
在CDOWN、CUP上升沿作用下QA－QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。
当进行加计数或减计数时可分别利用CDOWN或CUP，此时另一个时钟应为高电平。
当计数上溢出时，进位输出端（CARRY）输出一个低电平脉冲，其宽度为CUP低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（BORROW）输出一个低电平脉冲，其宽度为CDOWN低电平部分的低电平脉冲。
当把BORROW和CARRY分别连接后一级的CDOWN、CUP，即可进行级联。
如图4.1所示：
图4.1 74193引脚图
如果我们要用74193进行加法或减法计数器时，或者我们要把74193芯片用于其他用途时，我们可以利用74193芯片的12端口输出的脉冲来实现。
如果把芯片的12号端口与另一个74193芯片的DN端相连时，就相当于第二个74193芯片是用于减法器使用；若把12号端口与另一个芯片的UP端相连，那第二个74193芯片就能作加法器用。
当然，芯片上不同端口其功能也很不相同，而且相同的端口，其连线的不同也直接影响到芯片执行不同的功能，同时相同连线的端口在不同工作条件下其功能也有不同，74193芯片中各端口功能及工作条件如图4.2所示：
引出端符号
BORROW 错位输出端（低电平有效）
CARRY 进位输出端（低电平有效）
CDOWN 减计数时钟输入端（上升沿有效）CUP 加计数时钟输入端（上升沿有效）CLEAR 异步清除端
A－D 并行数据输入端
LOAD 异步并行置入控制端（低电平有效）
QA－QD 输出端
极限值
电源电压 7V
输入电压 7V
54/74193 5.5V
54/74LS193 7V
工作环境温度
54×××-55～125℃
74×××0～70℃储存温度-65℃～150℃
图4-2 端口功能及工作条件图
4.274193时序图
74193主要功能是能作可逆计数。
它的信号时序图如图4-4所示:
图4.474193时序图
它的各项说明如下：
1.当
时，时钟信号应引入DN，74193作加计数。
加法计数进位输出端为
此时计数器输出1111状态，且DN为低电平时，
端输出一个负脉冲。
2.当
时，时钟信号应引入UP，74193作减法计数。
减法计数借位输出端为
，当计数器输出0000状态，且DN为低电平时，
端输出一个负脉冲信号。
3.74193的预置数是利用片内每个触发器的直接清0信号DN和直接置位信号MR来实现，当DL=0时，将
立即置入计数器中，此时是异步送数，与CP脉冲无关。
4.当MR=1时，74193立即清0，此时与其它输入端状态无关。
通过时序图的功能我们不难看出，UP作为脉冲信号输入端时，且DN端为高电平时，此时OUTPUTS（输出端）明显发生变化，即每当脉冲来个高电平，OUTPUTS就作加法。
当UP置1，且DN为脉冲信号接收端时，OUTPUTS就开始减数，此时就相当于74193作减法器，而我们本次设计也正是基于它的减法计数功能实现的。
总结
本次课程设计虽然我们花很少的时间轻松的完成了任务，但从中我们却学习了很多宝贵的经验。
首先，我们认识到了自己在动手方面有很大的不足，无法把学习的理论知识运用到实践中，这是我们应该加强的。
其次，先前我们学习的很多内容都几乎全忘了，我们要及时的复习自己学习过的知识。
而且，数字电子技术基础是一门很重要的课程，它已经渗透到了我们的生活中，我们应给予足够的重视。
最后，一个人完成整个任务是很困难的，团队合作的力量对整个任务来说就很容易了，因此，我觉得加强团队之间的合作是我们任务完成的关健。
参考文献
[1]沈尚贤主编.电子技术导论（上册）[M].北京：
高等教育出版社，1986
[2]张克农主编.数字电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2003
[3]何金茂主编.数字电子技术导论[M].西安：
陕西科学技术出版社，1997
[4]胡宴如主编.模拟电子技术（第二版）[M].北京:
高等教育出版社，2003
附件１
74LS193电路结构图
附件２
系统启动图
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