毕业设计(论文)-电子秒表设计.doc
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1、I 目录目录 第一章第一章. .电子秒表结构设计与设计方案电子秒表结构设计与设计方案 .1 第二章第二章. .电子秒表单元电路的设计电子秒表单元电路的设计 .2 2.12.1 秒表的设计思路秒表的设计思路2 2.22.2 脉冲源的设计脉冲源的设计2 2.32.3 电路直接置位、复位功能的设计电路直接置位、复位功能的设计3 2.42.4 电路清零功能的设计电路清零功能的设计4 2.52.5 计数及译码显示功能设计计数及译码显示功能设计5 2.62.6 译码驱动及显示单元译码驱动及显示单元6 2.72.7 电子秒表工作原理电子秒表工作原理6 第三章第三章. . 元器件介绍元器件介绍 .8 3.13
2、.1 元器件清单元器件清单8 3.23.2 元器件介绍8 3.2.13.2.1 555555 定时器8 3.2.23.2.2 七段显示译码器七段显示译码器9 一相关设计方案及抉择一相关设计方案及抉择.11 1.11.1 方案一方案一11 1.21.2 方案二方案二11 2 2理论设计理论设计-单元电路与总电路设计单元电路与总电路设计 .13 2.12.1 5V5V 电压源电路设计电压源电路设计 13 2.1.12.1.1 降压电路降压电路 .13 2.22.2 1 1S S信号源设计:信号源设计:14 2.32.3 计数器电路设计:计数器电路设计:16 2.3.12.3.1 74ls19074
3、ls190 管脚图及功能简介16 2.3.22.3.2 电路连接概述.18 2.42.4 显示电路显示电路19 2.52.5 报警电路报警电路21 2.62.6 控制电路控制电路22 3 3仿真调试仿真调试 .23 3.13.1 软件介绍软件介绍23 3.23.2 调试过程调试过程23 3.2.13.2.1 倒计时及停止电路调试倒计时及停止电路调试.23 4 4实验中出现的问题及解决方法实验中出现的问题及解决方法 .25 附录附录 .27 电子秒表总电路图电子秒表总电路图 .27 总体电路图总体电路图.27 元器件清单元器件清单.27 I 摘要摘要 在数字测量仪表和各种数字系统中,都需要将数字
4、量直观的显示出来,数 字显示电路通常由译码驱动器和显示器等部分组成。数码显示器就是用来显示 数字、文字或符号的器件。七段式数字显示器是目前常用的显示方式,它利用 不同发光段的组合,可以显示 09 等阿拉伯数字 充分运用芯片 74LS90 的逻辑功能,用四片 74LS90 芯片实现秒表示 00:0099:99 秒。利用集成与非门构成的基本 RS 触发器(低电平直接触发) 实现电路的直接置位、复位功能。利用集成与非门构成的微分型单稳态触发器 为计数器清零提供输出负脉冲。利用 555 定时器构成的多谐振荡器为电路提供 脉冲源以驱动电路工作。 用四个 LED 数码管显示“秒表” ,显示时间为 00:0
5、0-99:99 秒,每厘秒自 动加一。电子秒表分为脉冲源、秒计数、厘秒计数、译码驱动电路和显示电路。 另外设计控制电路,使秒表启动、停止、复位。 先按一下按钮开关2,此时电子秒表不工作,再按一下按钮开关1,则 计数器清零后便开始计时,观察数码显示管计数情况是否正常,如不需要计时 或暂停计时,按一下按钮开关 K2,计时立即停止,但数码管仍保留所计时之值。 利用电子钟或手表的秒计时对电子秒表进行校准。经调试,结果与预测结果相 同,达到了预期的目的。 陕西航空职业技术学院毕业论文 1 第一章第一章. .电子秒表结构设计与设计方案电子秒表结构设计与设计方案 充分运用芯片 74LS90 的逻辑功能,用四
6、片 74LS90 芯片实现秒表示 00:00 99:99 秒。利用集成与非门构成的基本 RS 触发器(低电平直接触发)实现电路的直接 置位、复位功能。利用集成与非门构成的微分型单稳态触发器为计数器清零提供输出 负脉冲。利用 555 定时器构成的多谐振荡器为电路提供脉冲源以驱动电路工作。电路 图如图 1.1 所示。 图 1.1 总电路图 第二章.电子秒表单元电路的设计 2 第二章第二章. .电子秒表单元电路的设计电子秒表单元电路的设计 2.12.1 秒表的设计思路秒表的设计思路 用四个 LED 数码管显示“秒表” ,显示时间为 00:00-99:99 秒,每厘秒自动加一。 电子秒表分为脉冲源、秒
7、计数、厘秒计数、译码驱动电路和显示电路。另外设计控制 电路,使秒表启动、停止、复位。框图如 2.1 所示。 图 2.1 秒表总体框图 2.22.2 脉冲源的设计脉冲源的设计 振荡器是电子秒表的核心,振荡器产生脉冲。振荡器的频率精度决定了电子秒表 计时的准确程度,通常选用石英晶体构成的振荡器。一般来说,振荡器的频率越高, 计时精度越高。用 555 定时器构成的多谐振荡器如图 2.2.1。 图 2.2.1 多谐振 荡器电路 陕西航空职业技术学院毕业论文 3 图 2.2.2 多谐振荡器的工作波形 接通电源后,电容 C 被充电,当 Vc 上升到 2Vcc/3 时,使 Vo 为低电平,同时放电 三极管
8、T 导通,此时电容 C 通过 R2 和 T 放电,Vc 下降。当 Vc 下降到 Vcc/3 时,Vo 翻 转为高电平。电容器 C 放电所需时间为: (1) CR7 . 0t 2PL 当放电结束时,T 截止,Vcc 将通过 R2、Rp、R1 向电容 C 充电,Vc 由 Vcc/3 上升 到 2Vcc/3,所需时间为: (2) CRRPRtPH)(7 . 0 21 当 Vc 上升到 2Vcc/3 时,电路又翻转为低电平。如此周而复始,于是,在电路的 输出端就得到一个周期性的矩形波,电路的工作波形如上图 3.2.2 所示,其振荡周期 为: (3) sCRRPRttT PLPH 01 . 0 )2(7
9、 . 0 21 f = 1/T = 100Hz (4) 输出方波占空比为: (5) 21 21 2RRR RRR T t D P PPH 脉冲源电路的职能是为秒表提供脉冲源以驱动芯片 74LS90 工作。 2.32.3 电路直接置位、复位功能的设计电路直接置位、复位功能的设计 电路的直接置位、复位功能利用集成与非门构成的基本 RS 触发器实现,属于低电 第二章.电子秒表单元电路的设计 4 平直接触发的触发器,有直接置位、复位的功能。如图 2.3 所示。 图 2.3 由基本 RS 触发器构成的具有直接置位、复位功能的逻辑电路 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
10、制Q 信号,控制脉冲源 CP 的放行与禁止。 按动按钮开关 K2(接地) ,则门 1 输出1;门 2 输出 Q0,K2复位后 Q、状态QQ 保持不变。再按动按钮开关 K1 ,则 Q 由 0 变为 1,门 5 开启, 为计数器启动作好准备。 由 1 变 0,送出负脉冲,启动单稳态触发器工作。Q 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。 2.42.4 电路清零功能的设计电路清零功能的设计 电路清零功能利用集成与非门构成的微分型单稳态触发器实现。 其逻辑电路图如图 2.4.1 所示 图 2.4.1 微分型单稳态触发器 而图 2.4.2 为其各点的波形图。 单稳态触发器的输入触发负
11、脉冲信号 vi 由基本 RS 触发器端提供,输出负脉冲Q 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 必须小于门的关门电阻 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 。 陕西航空职业技术学院毕业论文 5 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 图 2.4.2 单稳态触发器波形图 图 2.5.1 74LS90 引脚排列 2.52.5 计数及译码显示功能设计计数及译码显示功能设计 计数功能主要利用二五十进制加法计数器 74LS90 来实现。因要求电子秒表
12、显 示时间为 00:0099:99 秒,因此需四片 74LS90 芯片,其与译码显示单元的相应输 入端连接,可显示 00:0099:99 秒。图 2.5.1 为 74LS90 引脚排列。 通过不同的连接方式,74LS90 可以实现四种不同的逻辑功能;而且还可借助 R0(1)、 R0(2)对计数器清零,借助 S9(1)、S9(2)将计数器置 9。其具体功能详述如下: (1)计数脉冲从 CP1输入,QA作为输出端,为二进制计数器。 (2)计数脉冲从 CP2输入,QDQCQB作为输出端,为异步五进制加法计数器。 (3)若将 CP2和 QA相连,计数脉冲由 CP1输入,QD、QC、QB、QA作为输出端
13、,则 构成异步 8421 码十进制加法计数器。 (4)若将 CP1与 QD相连,计数脉冲由 CP2输入, QA、QD、QC、QB作为输出端,则 构成异步 5421 码十进制加法计数器。 (5)清零、置 9 功能。 a)异步清零 当 R0(1)、R0(2)均为“1” ;S9(1)、S9(2)中有“0”时,实现异步清零功能,即 QDQCQBQA0000。 b)置 9 功能 当 S9(1)、S9(2)均为“1” ;R0(1)、R0(2)中有“0”时,实现置 9 功能,即 QDQCQBQA1001。 第二章.电子秒表单元电路的设计 6 74LS90 芯片功能表如表 2.5.1 所示。 由四片 74LS
14、90 芯片构成的计数器电路如图 2.5.2 所示。 74LS90 构成的计数器与相应的译码显示器相连构成电子秒表显示电路。 表 2.5.1 74LS90 芯片功能表 清 0置 9 时 钟 R0(1)、 R0(2) S9(1)、 S9(2) CP1 CP2 QD QC QB QA 11 0 0 清 0 0 0 11 置 9 1 QA 输 出 二进制 计数 1 QDQCQB 输出 五进制 计数 QA QDQCQBQ A输出 8421BCD 码 十进制 计数 QD QAQDQCQ B输出 5421BCD 码 十进制 计数 0 0 0 0 1 1 不 变 保 持 图 2.5.2 74LS90 构成的计
15、数器 2.62.6 译码驱动及显示单元译码驱动及显示单元 计数器实现了对时间的累计以 8421BCD 码形式输出,选用显示译码电路将计数器 的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流,选用 CD4511 作为显 示译码电路,选用 LED 数码管作为显示单元电路。 陕西航空职业技术学院毕业论文 7 2.72.7 电子秒表工作原理电子秒表工作原理 接通电源后,按动按钮开关 K2(接地) ,则门 G1 输出1;门 G2 输出 Q0,K2Q 复位后 Q、状态保持不变。再按动按钮开关 K1 ,则 Q 由 0 变为 1,门 G5 开启, 为计数Q 器启动作好准备。由 1 变 0,送出负脉冲,
16、启动单稳态触发器工作。Q 门 G5 开启时,脉冲信号 CP 被放行,因此芯片 74LS90(0)开始工作,由于该芯片 计时精度为 0.01s,因此变化很快,看不清数字逐渐从 0 加到 9,但理论上可知,当该 芯片计时到 9 时,此时 74LS90 的输出端 QDQCQBQA=1001,进位输出,因此 74LS90(1)芯片开始工作。该芯片计时精度为 0.1s,因此也不能看到数字从 0 加到 9,但理论上,当该芯片计时到 9 时,该芯片输出端 QDQBQCQA=1001,进位输出,因此 芯片 74LS90(2)开始工作,该芯片计时精度为 1s,可以观察到数字逐渐从 1 累加到 9,然后驱动芯片
17、74LS90(3)工作,如此进行下去,直到显示 99:99 秒。 在计数期间,如不需要计时或暂停计时,按动一下开关 K2,此时 Q 由 1 变为 0, 门 G5 关闭,脉冲信号 CP 被禁止,但数码管仍保留所计时之值。再按一下开关,则可 继续计时。 如计时停止后需重新开始计时,按动开关 K1,则实现清零,再按动开关 K2,计时 开始。如此循环。 第二章.电子秒表单元电路的设计 8 第三章第三章. . 元器件介绍元器件介绍 3.13.1 元器件清单元器件清单 元器件清单下表所示 3.23.2 元器件介绍 3.2.13.2.1 555555 定时器 内部电路由分压器、电压比较器 C1 和 C2、简
18、单 SR 锁存器、放电三极管以及缓冲 器 G 构成,其内部结构如图 8.4.1 所示。三个 5 千欧的电阻串联组成分压器,为比较 器 C1、C2 提供参考电压。当控制电压端(5)悬空时,比较器 C1 和 C2 的基准电压为 2Vcc/3 和 Vcc/3。 图 4.2.1.1 是其电路结构图。 图 3.2.1.1 555 定时器电路结构图 名称型号数量备注 计数器74LS904 译码器CD45114 LED 数码显示管LG5011AH4 集成与非门74LS002 开关2 555 定时器1 滑动变阻器1 电阻7 电容4 导线若干 陕西航空职业技术学院毕业论文 9 图 3.2.1.2 555 定时器
19、管脚排列 VI1 是比较器 C1 的信号输入端,成为阈值输入端;VI2 是比较器 C2 的信号输入端。 如果控制电压端(5)外接电压 VIc,则比较器 C1 和 C2 的基准电压就变为 Vic 和 Vic/2。比较器 C1 和 C2 的输出控制 SR 锁存器和放电三极管 T 的状态。 放电三极管 T 为外接电路提供放电通路,在使用时,该三极管的集电极(7)脚一 般都要外接上拉电阻。 为直接复位输入端,当为低电平时,不管其他输入端的状态如何,输出端 vo 即为低电平。 当 VI12Vcc/3,VI2Vcc/3 时,比较器 C1 输出低电平,比较器 C2 输出高电平,简 单 SR 锁存器 Q 端置
20、 0,放电三极管 T 导通,输出端 vo 为低电平。 当 VI1Vcc/3 时,简单 SR 锁存器 R=1,S=1,锁存器状态不变,电路 保持原状不变。 综合上述分析,可得 555 定时器功能表,如表 3.2.1.1 所示 表 3.2.1.1 555 定时器功能表 3.2.23.2.2 七段显示译码器七段显示译码器 在数字测量仪表和各种数字系统中,都需要将数字量直观的显示出来,数字显示 电路通常由译码驱动器和显示器等部分组成。数码显示器就是用来显示数字、文字或 第二章.电子秒表单元电路的设计 10 符号的器件。七段式数字显示器是目前常用的显示方式,它利用不同发光段的组合, 可以显示 09 等阿
21、拉伯数字。 普遍使用的七段式数字显示器发光器件有发光二极管和液晶显示器,这里主要介 绍前者。发光二极管构成的七段显示器有两种,共阴极和共阳极电路。共阴极电路中, 七个发光二极管的阴极连在一起接低电平,需要某一段发光,就将相应的阳极接高电 平。共阳极显示器的驱动则刚好相反。 为了使数码管能显示十进制数,必须将十进制数的代码经译码器译出,然后驱动 相应的段。译码器的功能是,对应于某一组数码输入,相应的几个输出端有有效信号 输出。 常用的集成七段显示译码器有两类,一类译码器输出高电平有效信号,用来驱动 共阴极显示器,另一类输出低电平有效信号,以驱动共阳极显示器。比如 CD4511 七段 显示译码器输
22、出高电平有效,用以驱动共阴极显示器。 CD4511 译码器是 8421BCD 码锁存七段译码器,驱动共阴极 LED 数码管,其中 DA、DB、DC、DD 为 BCD 码输入端,OA-OF 为译码输出端,输出高电平有效,用来驱动 共阴极 LED 管。LT为调试输入端,当为 0 时,输出全为 1;BI为消隐输入端,当为 0 时,输出全为 0。EL为锁存端,当其为 1 时译码器处于锁定状态,当其为 0 时,正 常译码。因此 CD4511 要正常译码,应使 LT=1,BI=1,EL=0。译码器还有拒伪功 能,当输入超过 1001 时,输出全为 0,数码管熄灭。 陕西航空职业技术学院毕业论文 11 一相
23、关设计方案一相关设计方案及抉择及抉择 1.11.1 方案一方案一 555 定时器74 ls192741s48 LED-RED控制电路 声响电路 七段显示数 图 1.1 倒计时定时 器总结构图 如图 1.1 信号由 555 定时器产生频率为 1HZ,占空比 1/2 的信号,由 190 构成 15 进制计数器,由 JK 触发器控制 190 和发光二极管的工作状态,由三态门控制停止电路 和声控电路。 图 1.2 -总体电路截图 1.21.2 方案二方案二 第二章.电子秒表单元电路的设计 12 555 定时器74 ls192741s48 LED-RED控制电路 声响电路 七段显示数 码管 图 1.3
24、倒计时定时 器总结构图 如图 1.3 信号由 555 定时器产生频率为 1HZ,占空比为 1/2 的信号,由 192 构成 15 进制的计数器,由 JK 触发器控制 192 和发光二极管的工作状态,由三态门控制停止 电路和声控电路 图 1.4-总体电路截图 陕西航空职业技术学院毕业论文 13 2 2理论设计理论设计-单元电路与总电路设计单元电路与总电路设计 2.12.1 5V5V 电压源电路设计电压源电路设计 2.1.12.1.1 降压电路 直流电压源的输入端接 220V 的交流电网电压,一般情况下,所需直流电压的数值 和交流电压有效值相差较大,因而需要电源变压器进行降压。在对交流电压进行降压
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