简易数字秒表的设计与实现.docx
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简易数字秒表的设计与实现
学号：
课程设计
题目
简易数字秒表的设计与实现
学院
信息工程学院
专业
通信工程
班级
姓名
指导教师
撒继铭
2016
年
6
月
26
日
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
撒继铭工作单位：
信息工程学院
题目:
简易数字秒表的设计与实现
初始条件：
本设计主要使用集成译码器、计数器、定时器、脉冲发生器和必要的门电路等来完成，用一组数码管显示时间计数值。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：
1周。
2、技术要求：
1）设计一个能测量3名100米跑运动员短跑成绩的数字秒表。
要求用一组四位数码管显示时间，格式为00.00s，最大计数时间是99.99秒。
2）秒表设置3个开关输入（清零开关1个、记录开关1个、成绩开关1个）。
按下“记录”开关第一次，将记录并储存第一名运动员的成绩，以此类推。
当“记录”开关按下3次后，成绩计数结束。
3）成绩计数结束之后，连续按动“成绩”开关，可以把3个运动员的成绩循环显示在数码管上。
4）确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和中小规模集成电路，设计分电路，画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3、查阅至少5篇参考文献。
按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。
全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。
时间安排：
1、年月日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、年月日至年月日，方案选择和电路设计。
3、年月日至年月日，电路调试和设计说明书撰写。
4、年月日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
目录
简易数字秒表的设计与实现1
摘要1
Abstract2
1简易数字秒表原理4
1.1简易数字秒表原理总述4
1.2简易数字秒表原理框图4
1.3方案选择4
1.3.1初始方案4
1.3.2方案比较5
1.4单元电路的设计和元器件的选择5
1.4.1555多谐振荡器5
1.4.2计数系统7
1.4.3译码系统及显示系统9
1.4.4记录系统11
1.4.5清零系统12
1.5完整电路图12
2仿真结果及分析13
2.1仿真结果分析13
4性能测试数据及分析15
5收获、建议及体会16
7原件清单17
8参考文献18
简易数字秒表的设计与实现
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，渗透到人们日常生活的方方面面，,掌握必要的数电知识已经成为当代大学生特别是理工类大学生必备的素质之一。
本次我们设计的简易数字秒表，是以74ls90为核心，以分频、计数与译码显示模块为主要构成部分的简易数字秒表的设计方案，充分利用数字电路的计数、译码、显示的优良特性，使整个设计达到了比较满意的效果。
基本电路主要有时基产生电路、电源电路、分频电路、计数与译码电路（包括显示电路）、开关按钮电路。
所设计的电子秒表达到了设计要求的各项指标，并且在这个基础上进行了功能扩展，系统具有随时启动、停止以及清零功能。
这次设计中不但对以前的知识进行巩固，而且学会了更多的新知识，提高思维、强化动手能力，能够更好地适应和走上工作岗位，为以后的就业打下一定的基础。
关键词：
秒表计数译码显示
Abstract
Electronictechnology,electronictechnologyvariousfieldsusingmoremorewidely,penetratesallaspectsPeople'sDailylife,necessaryelectricalelectronicknowledgehasbecomecontemporarycollegestudentsespeciallynecessarywedesignedstopwatch,separatefrequency,countingdecodingdisplaymodulemaincomponentselectronicstopwatchdesignscheme,makefullusedigitalcircuitcounting,decoding,displayexcellentcharacteristicsdesignachievedsatisfactoryeffect.basiccircuitmainsometimesbaseproducecircuit,countdecodercircuit（includingdisplaycircuit）,switchbuttoncircuit.electronicstopwatchmeetsdesignrequirementseachindex,functionexpansionsystemhasalwaysstartresetfunction.previousknowledgemorenewknowledge.
Keywords:
DisplayComputersCounttime
绪论
在科技高度发展的今天，集成电路和计算机应用得到了高速发展。
尤其是计算机应用的发展。
它在人们日常生活中已逐渐崭露头角，大多数电子产品多是有计算机电路组成，如：
手机、mp3等。
而且将来的不久他们的身影将会频繁的出现在我们身边。
各种家用电器多会实现微电脑技术。
电脑各部分在工作时多是一时间为基准的。
本文就是基于计算机电路的时钟脉冲信号、状态控制等原理设计出的数字秒表。
秒表在很多领域充当一个重要角色。
在各种比赛中对秒表的精确度要求很高，尤其是一些科学实验，他们对时间精确度达到了几纳秒级别。
当然，现今是存在比我的系统更加完美的设计，如果可能，仅希望提供另外一种设计思路，也许会有某些火花的碰撞。
1简易数字秒表原理
1.1简易数字秒表原理总述
按下清零开关后，555多谐振荡器产生周期为10ms的cp脉冲信号，此时，由4片74ls90组成的计数系统收到脉冲后开始计数。
由4片74ls48译码器组成的译码系统通过与其相连的数码管将时间显示在显示屏上。
需要记录成绩时，按下记录开关，将成绩通过4片74F573锁存器存储。
显示屏上时间不再变化，即可读取成绩。
1.2简易数字秒表原理框图
简易数字秒表原理框图如图1.1所示。
计数系统开始计数
555多谐振荡器产生脉冲信号
按下清零开关
需要记录成绩时按下记录开关
计数时通过译码器和数码管显示时间
显示数码管显示成绩
图1.1简易数字秒表原理框图
1.3方案选择
1.3.1初始方案
方案一：
基于单片机系统实现的简易数字秒表
利用C51单片机控制外围电路。
通过编程定时计数，数码管显示，以及软件编程方法实现防抖动开关控制清零，启动，记录。
从而实现简易数字秒表记录成绩、循环显示成绩的功能。
方案二：
基于组合逻辑电路的设计实现简易数字秒表
通过组合逻辑电路的设计，包括多个计数器组成的计数系统，多个译码器组成的译码系统，多个锁存器组成的存储系统，共阴极数码管以及555多谐振荡器设计的脉冲发生器与门电路各个模块的硬件电路设计实现简易数字秒表记录成绩、显示成绩的功能。
1.3.2方案比较
方案一：
优点:
实现的外围硬件电路设计简单，利用C语言编程的可移植性较强。
缺点：
对C语言的编程能力要求高，需要重复调试程序来实现数字秒表的基本功能，调试电路的工作量大。
以我们现有的知识水平无法使用单片机进行设计。
方案二：
优点：
以我们现有的知识水平可以做到。
电路调试的时间较短，通过multisim仿真可以确定电路的基本线路。
缺点：
对各个芯片的选择要求准确，芯片较多。
设计电路图较复杂，制作硬件的条件要求高。
对组合逻辑电路设计的基本方法要熟悉。
综上所述，选择方案二。
1.4单元电路的设计和元器件的选择
1.4.1555多谐振荡器
1.4.1.1555多谐振荡器的作用
555多谐振荡器用于产生周期为10ms的时钟脉冲，使计数系统开始计数。
S3为清零开关，闭合S3秒表开始计数。
，打开S3秒表停止计数。
1.4.1.2555多谐振荡器参数的设置
图1.2555定时器构成的多谐振荡器电路图及工作波形
电容C放电所需时间为
（1.1）
C放电结束时，T截止，将通过，向电容器C充电，由上升到所需的时间为
（1.2）
其频率为
（1.3）
由于显示数码管最低位数字的跳变时间是0.01s，故cp脉冲的周期为10ms。
利用公式1.3设定各电阻电容的值或者利用multisim工具中的电路向导功能自动设置各参数。
利用电路向导功能求得，，C==10nF。
但由于元件中不存在这两种大小的电阻，故用39k和47k代替。
1.4.1.3555多谐振荡器的电路图
图1.3555多谐振荡器电路图
1.4.1.4555多谐振荡器仿真图
555多谐振荡器产生的cp脉冲如图1.4所示
图1.4555多谐振荡器产生的脉冲信号图像
1.4.2计数系统
1.4.2.1计数系统的作用
该部分由4片74ls90计数器构成。
将脉冲信号接入U2的INA端，INB接该芯片的QA。
QD接U5的INA端，U5的INB端接该芯片的QA。
以此类推连接其余74ls90。
所有74ls90的R01、R02均接开关S2（S2的功能后面将会详细介绍）所有74ls90的R91、R92均接地。
每一片74ls90的QA、QB、QC、QD分别接74F573的1D、2D、3D、4D、5D、6D、7D、8D。
构成100进制计数器（如图1.6所示）
1.4.2.2元器件的选择
74ls90功能表如图1.55
图1.574ls90功能表
1.4.2.3计数系统的电路图
由于四位时间的前两位和后两位的连线方式相同，故显示出后两位数字的电路图。
图1.6计数系统的电路图
1.4.3译码系统及显示系统
1.4.3.1译码系统及显示系统的作用
将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，并用数码管在显示屏上显示出来。
将4片74ls48的A、B、C、D、E、F、G分别与共阴极7段数码管的A、B、C、D、E、F、G连接起来，3、4、5管脚分别接高电平，4片共阴极7段数码管的CK端均接地。
1.4.3.2元器件的选择
74ls48功能表如图1.6所示
图1.774ls48功能表
共阴极7段数码管如图1.8所示
图1.8共阴极7段数码管
1.4.3.3译码系统及显示系统的电路图
由于四位时间的前两位和后两位的连线方式相同，故只做出后两位数字的电路图。
图1.9译码系统及显示系统的电路图
1.4.4记录系统
1.4.4.1记录系统的作用
为了实现按下“记录”开关，记录并储存第一名运动员的成绩的作用，共使用2片74F573锁存器。
由于四位时间的前两位和后两位的连线方式相同，故只对存储后两位数字的存储系统进行说明。
74F573的2-9管脚分别接2片74ls90的A、B、C、D，74F573的12-19管脚分别接2片74ls48的A、B、C、D。
初始状态时，单刀双掷开关S1向下闭合，使OC和LE均接高电平，数码管计数。
当需要记录读取成绩时，将开关S1向上闭合，使OC和LE均接低电平，根据74F573的功能表（如图1.10），当OC和LE同时接低电平时，锁存器保持，此时数码管示数不变，即记录成绩，读取数码管显示数字即可。
1.4.4.2元器件的选择
74F573的功能表如图1.10
图1.1074ls194功能表
1.4.4.3记录系统的电路图
图1.11记录系统的电路图
1.4.5清零系统
1.4.5.1清零系统的作用
为了实现设计要求中的清零功能，利用开关S2。
初始状态时，S2向右闭合，即74ls90的R01、R02均接低电平，由74ls功能表（如图1.5所示）可知，此时74ls90实现计数功能。
当需要清零时，将S2向左闭合，即74ls90的R01、R02均接高电平，由74ls功能表（如图1.5所示）可知，此时74ls90实现清零功能。
1.4.5.2清零系统的电路图
图1.12清零系统的电路图
1.5完整电路图
图1.13完整电路图
2仿真结果及分析
2.1仿真结果分析
开始仿真后，闭合计数开关S3，清零开关S2向右闭合，记录开关S1向下闭合。
计时部分数码管开始显示（如图2.1所示）。
需要记录成绩时，将记录开关S2向上闭合，数码管计数停止（如图2.2所示）读取学生成绩。
将3名学生的成绩读取后，将清零开关S2向左闭合，同时记录开关S2向下闭合，每个数码管重新显示0（如图2.3所示）。
将计数开关S3打开，数码管关闭，不再计时，数码管关闭（如图2.4所示）。
图2.1
图2.2
图2.3
图2.4
由仿真结果可知，仿真成功。
3安装调试中遇到的问题及解决方法
在multisim仿真之前，我先把简易数字秒表划分为4部分：
计数部分、显示部分、存储部分和记录部分。
然后分别设计每一部分。
设计每一部分之前，首先进行cp脉冲的设计。
考虑到做实物时无法有直接的cp脉冲，故用555多谐振荡器产生cp脉冲。
我遇到的第一个问题就是555多谐振荡器参数的设置。
由于参数范围较广且我实际经验较少，通过示波器看的的信号是一条直线而非脉冲信号。
经过查阅资料和与同学讨论，发现利用multisim中的电路向导功能可以自动设置参数，产生所需的cp脉冲。
但是有一个问题，我至今还没弄明白，设置频率后，秒表的跳变时间比实际应该的跳变时间慢。
在买原件的时候，由于不存在28.86kΩ和57.72kΩ大小的电阻，故实物用39k和47k的代替。
计数部分和显示部分由于平时的数电实验做过，较为简单，设计出来并没有什么问题。
但由于芯片和线路较多较复杂，在连线时要认真仔细，我之前因为一根线连接忘记连接，导致四位时间最后一位只显示偶数。
改正后才正常显示时间。
我认为简易数字秒表最难的部分就是记录部分，经过多次查阅资料后，发现用移位寄存器和锁存器都能实现存储功能，我选择了锁存器。
经查阅有相关资料，最终确定了存储部分的线路。
我设计的线路原理较简单，但最大的问题就是线路复杂、所用芯片太多，在做实物时会过于麻烦。
由于时间有限，暂时还没有想到更好的实现方法。
4性能测试数据及分析
4.1实物正面图
实物正面图如图4.1所示
实物背面图如图4.2所示
图4.1实物正面图
图4.2实物背面图
5收获、建议及体会
通过这次数电课设，我深刻的体验到了将理论转化为实际的过程。
刚拿到这个题目时，我感到有些无从下手，如何产生cp脉冲源，如何计时，如何记录成绩，如何设计电路，如何选择元器件等一系列问题都困扰着我。
经过在网上和图书馆查阅了大量资料后，我有了大概思路并且确定了部分电路图。
但如何设计存储部分和记录部分是一个漫长而艰难的过程。
由于在平时的理论课学习中，对此方面介绍的较少，对数电实验中使用移位寄存器的那个实验印象较模糊，导致在这一板块花费了大量的时间，让我对不同功能的芯片（例如：
74ls90、74ls48、74ls194）和555多谐振荡器有了更深刻的了解和认识。
在以后的学习中，我应该不仅仅关注理论知识，更应该关注与理论相联系的实际知识，比如不同类型芯片的功能。
同时，我们也不应该仅仅满足与设计出电路，更应该努力将电路简单化。
我这个电路最大的问题就是线路复杂，所用芯片过多，在实际焊板子的过程中非常的麻烦。
通过上学期的模电课设和这次数电课设，我对multisim仿真软件也更加熟悉，学会了在无法出现正确仿真结果的情况下如何利用示波器等工具调试电路。
在仿真过程中，有些元器件在实际中并没有，只能用其他参数的元器件代替，比如555多谐振荡器旁连接的电阻没有仿真中参数的电阻。
但我在仿真时没有考虑到这一点，故应该将理论和实际结合起来。
此电路线路偏复杂，焊接时由于引脚的排列不像multisim仿真中排列的有规律，故焊接时应该认真仔细，注意跳线时不能短路，在焊之前，要认真的研究原件的排列，降低线路的复杂性。
由于芯片种类繁多，不要将芯片弄混。
我在焊板子的过程中，就由于原件乱放，焊接时不够仔细，导致花费大量时间找原件，拆线。
总的来看，这次数电课设让我受益匪浅。
7原件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
555定时器
1
2
计数器
74ls90
4
3
译码器
74ls48
4
4
共阴极7段数码管
4
5
电阻
39K
1
6
电阻
47k
1
7
单刀双掷开关
2
8
普通开关
1
9
锁存器
74F573
2
10
电容
10nF
2
8参考文献
《电子线路设计·实验·测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社
《数字电子技术基础》伍时和主编，清华大学出版社
《数字电子电路及逻辑设计》刘可文主编，科学出版社
《数字电子技术基础》第五版，康华光主编，高等教育出版社
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