电子秒表课程设计

湖南人文科技学院

课程设计报告

课程名称：电子技术课程设计

设计题目数字电子秒表

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摘要

本次设计的数字电子秒表以555定时器为核心，由多谐振荡电路，计数译码显示电路，控制电路三大主要模块构成。由NE555定时器组成的多谐振荡电路通过控制阻值产生10Hz，1Hz的脉冲；输入由74LS192芯片组成的计数电路、74LS48组成的译码电路在数码管FJS5101显示器上输出,以上部分组成计数译码显示电路；通过控制电路实现复位，置数功能，灵活启动停止。电路是采用外接电源来实现的。经过仿真、布线、制板等工作,数字秒表成形。本组在此次设计过程中主要是先分析设计要求，根据提出的设计要求选取合适的芯片，再用multisim 10 画出电路图，进行仿真。再用Prote 2004 Sp2绘制原理图和PCB图，并把PCB图转印到印制板上完成焊接和调试等工作。最终完成数字电子秒表的工作。

关键词：NE555定时器；74LS192计数器；74LS48译码器；控制电路

目录

1、方案论证与对比 (1)

1.1 方案一 (1)

1.2方案二 (2)

1.3方案的对比与选择 (2)

2、数字电子秒表总体方案的分析与设计 (3)

2.1电子秒表电路总图 (3)

2.2控制电路 (4)

2.3 脉冲产生原理 (5)

2.4计数译码显示单元 (7)

2.4.1 计数器 (8)

2.4.2 译码器 (9)

2.4.3 七段显示数码管 (11)

3、调试与检测 (12)

3.1调试方法 (12)

3.2调试故障的原因与排除 (13)

3.3调试结果 (14)

4、总结与致谢 (14)

5、参考文献 (16)

6、附录 (17)

附录一元件清单 (17)

附录二总电路的PCB图 (17)

附录三总电路的仿真图 (18)

数字电子秒表

设计要求

基本要求：

①用单面PCB板设计一个数字电子秒表。

②计时1至99秒，用数码管显示。

③有直接置位，复位功能。

④用按钮开关灵活启动和停止秒表的工作。

⑤用6v干电池供电（也可以自己设置电源）。

发挥部分：

①增加倒计时功能。

②增加0.1s—9.9s的计时功能。

1、方案论证与对比

1.1 方案一

图 1 方案一系统方框图

方案一，由555定时器组成的多谐振荡器，通过开关控制，形成两条路线，即可产生10Hz 脉冲，也可产生1Hz脉冲，把脉冲送到计数器，通过计数译码，最后又数码管显示。数码管的控制小数点的管脚处加一个开关，当产生时钟脉冲电路产生1Hz脉冲时，开关断开，不显示小数点。当时钟脉冲产生10Hz脉冲时，开关闭合显示小数点。

1.2方案二

图 2 方案二系统方框图

方案二，也由555定时器组成的多谐振荡电路产生时钟脉冲，但脉冲的频率已确定为10Hz,在把脉冲送到计数译码器，最后显示。

1.3方案的对比与选择

1)相同点：

①都能实现该数字电子秒表的功能。

②都主要有时钟脉冲电路，计数译码显示电路，控制电路三大模块。

③都通过开关实现复位，清零。

2)不同点：

①方案一用计数，译码，显示各三片芯片；方案二这三种芯片各用了三片。

②方案一时钟脉冲通过开关控制可产生10Hz脉冲也可产生1Hz的脉冲；方案二只可产

生10Hz脉冲。

③方案一通在小数点管脚处接一个开关，用开关控制小数点的显示与否。

3)方案选择：

经过多方面的分析与论证，同时考虑到电路复杂[1]，势必给后期的布线，焊接带来很多麻烦，线路复杂，布线困难，焊接调试也很难成功。所以，最终本组选择了方案一。此方案，在实现此次数字电子秒表的基础上。还具有线路简单，经济等优点。为后期的布线，焊接奠定了基础，避免繁琐，易出错的难题，同时，所用元器件较少，经济可靠，节省了大量元器件。

2、数字电子秒表总体方案的分析与设计

2.1电子秒表电路总图

通过多方面的分析，论证和对比，我们最终确定了方案一为此次数字电子秒表设计的方案图[2]。此后，查阅大量资料，选择适应的芯片，以及其他各种元件，确定电阻，电容的阻值。然后用仿真软件进行仿真，调试。最终得到电子秒表的总电路图，如图3所示：

图3 电子表秒总电路图

2.2控制电路

1）控制加减计数

图4 计数开关

当开关1,4闭合，2,3打开时，实现加计数器；当开关2，3闭合，1,4打开，实现减计数器。

(2)控制置数，清零开关S1

图5 置数清零开关S1

开关1打开，3闭合，产生1Hz 脉冲。开关1闭合，3打开，产生10Hz 脉冲。 (3)控制不同频率脉冲产生开关S2

CPU CPD

脉冲

电 源

CLR

LD

图6 脉冲产生开关S2

当开关1,3闭合时，实现置数功能。当3

断开时，实现清零复位功能。 （4）控制显示小数点开关S3

图7 小数点开关S3

当开关闭合，实现小数点显示。

2.3 脉冲产生原理

1) NE555

时基集成电路555并不是一种通用型的集成电路[3]，但是它却可以组成上百种实用电路，可谓变化无穷，故深受人们欢迎。555时基电路具有以下几个特点：

a.555时基电路是一种将模拟电路和数字电路巧妙结合在一起的电路。

b.其电路可采用4.5~15V的单独电路，也可以和其他的运算放大器和TTL电路共用电源。

c.单独的555时基电路，可以提供将近15分钟的较准确的定时时间。

d.具有一定的输出功率，最大输出电驴达200mA，也可以直接驱动继电器，小电动机，指示灯及喇叭。

因此，555时基电路可做：脉冲发生器，方波发生器，单稳态多谐振荡器，双稳态多谐振荡器等。

2）由555定时器构成的脉冲发生器

图8 时钟脉冲发生器

R12=10K,R13=180K,C=3.3uF

a.产生1Hz脉冲（打开开关3，闭合开关1）：

f=1.43/(R12+R13+Rw) C (1) Rw=31.67KΩ

b.产生10Hz脉冲（打开开关1，闭合开关2）：

f=1.43/(R12+R11+Rw) C (2) Rw=12.77KΩ

图9 波形图

3）555时钟电路构成多谐振荡器

表1 555真值表

REST THR TRI OUT TD状态

0 X X 0 导通

1 >2/3 Vcc >1/3Vcc 0 导通

1 <2/3 Vcc <1/3Vcc 不变不变

1 >2/3 Vcc >1/3Vcc 1 截止

1 <2/3 Vcc <1/3Vcc 1 截止

注释：6脚为THR,触发器输入端，低电平有效。2脚为TRI,阀值输入端，高电平有效。4脚为REST，总复

位端，低电平有效。7脚位DIS，放电端。5脚位CON，控制端。1脚接地，8脚接电源。3脚位输出端，TD

为内部三极管。

2.4计数译码显示单元

两片十进制加减计数器74LS192，两片74LS48译码器和两片FJS5101AH数码管共同构成构

取得矩形脉冲，

成数字电子秒表的计数译码单元。第一个74LS192计数器接入脉冲，在输出端Q

D

作为第二个计数器的时钟输入。计数器接成8421 码十进制形式，其输出端与实验装置上74LS48译码器的相应输入端连接，译码器的输出端再与FJS5101AH数码管相连，共同构成计数译码显示单元。

2.4.1 计数器

1)计数器电路

图10 计数电路

2)74LS192引脚图

图11 74LS192引脚图

3）74LS192功能图

通过不同的连接方式，74LS192可以实现四种不同的逻辑功能；而且还可借助MR 对计数器清零，

PL 将计数器置，D cp ，U CP 实现加减。 TCD 用于同步借位输出，即倒计时输出，TCU 用于同步进位输出。74LS192芯片的具体功能[3]如下表所示：

表2 74LS192真值表

输 入

输 出

功

能 清零 MR 置数 PL

CP D CP U P D P C P B P A Q D Q C Q B Q A 1 X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 清零 0 0 X X d c b a d c b a 置数 0 1 1 x x x x x x x x 加法 0

1

1

x

x

x

x

x

x

x

x

减法

2.4.2 译码器 1）74LS48引脚图

图12 74LS48引脚图 2）74LS48引脚功能图

74LS48芯片[3]，其中，A,B,C,D 为译码器的输入端,a ～g 为输出端,BI /RBO 为灭灯输入 / 灭零输出端，RBI 为灭零输入端,LT 为试灯输入端，它们是为了便于使用而设置的控制信号。只要灭灯输入信号（BI /RBO ）和试灯输入信号（LT ）为高电平（BI /RBO 也可悬空，下同），就可对输入为十进制数1 ～ 15的二进制码（0001～1111）进行译码。如果LT 、RBI 和

BI /RBO 均为高电平，则译码器对输入十进制数0的二进制码（0000)进行译码。当灭灯输入（BI )直接接低电平时，不管其他各输入端为何状态，各段输出 a ～g 均为低电平，数码管所

有发光段均熄灭。当灭零输入（RBI）和 A,B,C,D 输入端为低电平，而灯测试输入（LT）为高电平时，所有各段输出 a～g均为低电平，使数码管全灭，不显示 0 字形，同时灭零输出（RBO）变为低电平（响应条件），用以指示译码器正处于灭零状态。当灯测试输入（LT）加入低电平，并且BI/ RBO端为开路或保持高电平时，所有各段输出 a～g均为高电平，数码管显示数字“ 8”。利用这一功能可用来检查 74LS48 和数码管七个发光段的好坏。

表3 74LS48功图

2.4.3 七段显示数码管

7段数码管又分共阴和共阳两种显示方式。如果把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极，那共阴就是把abcdefg这7个发光二极管的负极连接在一起并接地；它们的7个正极接到7段译码驱动电路74LS48的相对应的驱动端上（也是abcdefg）！此时若显示数字1，那么译码驱动电路输出段bc为高电平，其他段扫描输出端为低电平，以此类推。如果7段数码管是共阳显示电路，那就需要选用74LS47译码驱动集成电路。本设计采用与共阴极数码管与74LS48相匹配。

1）七段显示数码管引脚图

图13 数码管引脚图

2）数码管与译码管连接图

图14 数码管与译码管连接图

3）真值表

FJS5101AH由七条线段围成8型，每一段包括一个发光二极管。外加正向电压时二极管导通，发出清晰的光。只要按规律控制各发光段的亮灭，就可以显示各种字形或字符号。如，当输入8421码DCBA=0100时，应显示，即要求同时点亮b,c,f,g段，熄灭a,d,e段，故数码管输入应为a～b=0110011。具体工作如下：

表4 七段译码器真值表

3、调试与检测

3.1调试方法

本次设计中，调试是一个重大的过程，调试的好坏就直接关系了作品的成功与否。本课程设计方案的调试包括仿真调试和实物调试。

在设计电子秒表的过程中，开始本组成员利用multisim 10软件进行调试。本组成员先分模块调试[4]。分模块调试中，先从电源开始调试。电源是整个设计首先要解决的问题，主要是看电源电路的输入输出是否正常，是否是+6V，当电压的波动较大时，要看整流电路是否正

确，否则电压过大电路元件可能会烧坏。

时基产生电路的调试。555定时器是否产生所需的10Hz或1Hz频率脉冲[3]，关系到电子秒表的精确度，所以此部分的设计很关键。

计数部分与译码电路的调试。74LS192加减计数器通过74LS48译码转化为共阴数码管段码，然后显示。

控制电路的调试。这部分的调试工作有两方面，第一是要调试启动、停止按钮是否能实现，第二要调试74LS192能否正常受开关控制，要达到复位，置位功能。

各单元电路测试正常后，按总图把几个单元电路连接起来，进行电子秒表的总体测试。先按一下停止按钮，此时电子秒表不工作，再按一下启动按钮，则计数器清零后便开始计时，观察数码管显示计数情况是否正常，如不需要计时或暂停计时，按一下停止按钮，计时立即停止，但数码管保留所计时之值。

总图调试完全后，制板，焊接，做成实物图。进行实物调节，按照仿真调节步骤一步一步进行调节看能否达到预期结果。若未能达到预期结果，检查，看是否焊点没焊好，或者有极性的原件是否接反，芯片管脚是否接对，一步步去检查，指导成功调试出预期结果。

3.2调试故障的原因与排除

在本次课程设计中采用EAD电路仿真，对设计电路进行调试。运用软件Multisim10。在调试的过程中遇到不少麻烦经过多次反复的检查和排除，最终达到了设计要求。

故障1：不能计数。

原因：芯片可能已烧坏。

排除方法：检查芯片是否烧坏。

故障2：时钟电路输出波形不正确。

原因：电阻参数不正确。

排除方法：利用公式，算出相符合的电阻，选择正确的参数元件。

故障3：数码管显示错乱。

原因：74LS192计数器管脚接错，显示管FJS5101AH极性接反。

排除方法：查阅资料，弄清计数器管脚，正确接线。调整数码管的阴阳极接线（按共阴极方法接线）。

故障4：数码管数字跳动频率不均匀。

原因：使能输入信号的波形不是规则的矩形波。

排除方法：用仿真软件观察时钟脉冲和单稳态电路的脉冲波形并调节，最终达到预期效果。

故障5：实物不能实现预期结果。

原因：焊点没焊好，导致短路。

排除方法：修改焊点，达到标准。

3.3调试结果

此次设计的数字电子秒表用单面PCB板设计的，共有16个元器件组成。通过多方面的调试，最终实现了理想功能。不仅实现了设计要求的基本功能：数码管能够显示1s-99s的计数，有直接置位，复位功能，还能灵活启动停止。同时也完成了拓展功能，不仅能够实现倒计时功能，还能显示0.1s-9.9s.而且布线和焊接工艺都非常好，可以说是一件完美的作品。

4、总结与致谢

本组成员,接到课题后，经过认真激烈的讨论，并开始从网上和大量书籍中查阅了各方面资料，然后确定其基本思路和主要元件。然后设计出电路图，采用555定时器组成多谐振荡器通过调节电容，电阻阻值来为74LS192提供10Hz，1Hz的时钟脉冲，用74LS48作为译码驱动加到数码管FJS5101AH上。在用multisim10画出电路图，进行仿真，通过调试最终实现各种功能，确定最终电路图。再用protel2004sp2画出PCB图，得到印刷图。由印刷图制板，最后根据电路图，把各个元件在板子上焊接起来，得到了数字电子秒表的实物。

自从进入大学以来，本来应该精彩的大学生活，却没做一点有意义的事情，没有追求，没有目标。但这三个星期以来，感觉到从来没有过的充实，重新获得了奋斗的动力，不但让我们认识到专业在生活中的实用性，还让我们知道学习的乐趣和努力的方向。通过这次课程设计，感觉成长了很多，不但学到了专业知识，更确定了人生的目标。

第一：巩固和加深了数字电子技术和模拟电子技术的基本知识和理解，提高了综合运用所学知识的能力。第二，增加根据课程需要选修参考资料，查阅手册，图表，文献资料的自学能力。第三，通过实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选取，安装调试等环节，初步掌握了简单的使用电路的分析方法和工程设计方法。第四，意识到，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。所以在课程设计的实践中，本组成员将理论知识与实际想结合，锻炼自己理论联系实际的能力和实际动手能力。第五、掌握了比较常用的仪器的使用

方法，提高了动手能力，熟悉了一些芯片的功能及各管脚的棕作用。第六、充分意识到团结的需要性，明白了团结的力量是无穷大的。为以后的工作打下基础。第七、培养了严谨的工作作风和科学态度。第八、在此次设计过程了，本组成员也学习了与专业相结合的企业软件protel2004 sp2 ，multisim10，同时熟练了Word，以及PPt等软件。第九、熟悉了论文的正确规范的写作格式以及论文的基本框架的写作思路。这些收获不管是对我们今后的学习还是工作，生活都有着非常重要的作用，帮助我们更好的在学习，更好的生活。

此次的课程设计能过顺利完成，主要来自于各位老师的细心指导和同学们的热心帮助。借此机会，本组成员在这感谢各位老师和同学的帮助，衷心的说一声：“谢谢你们”。特别要感谢的是李新君老师和刘永贵老师，谢谢你们的悉心指导，以及宝贵意见。祝你们身体健康，万事如意。

5、参考文献

[1]阎石主编.电子技术基础学习指导[M].辽宁:科技出版社.1985

[2]夏路易主编.电路原理图与电路板设计教程[M].北京:希望电子工业出版.2002

[3]康华光主编.数字技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社.2000

[4]任为民主编.数字电子电路学习和实验指导[M].北京:广播电视大学出版社.1992