秒计时器电路设计

数字电路课程设计说明书

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目录

第一部分：正文部分 (1)

一、选题背景 (1)

二、方案论证 (1)

2.1 功能要求 (1)

2.2 实现方案 (1)

三、过程论述 (1)

3.1倒计时计数器 (2)

3.2 秒脉冲产生电路 (3)

3.3 信号转换器 (4)

3.4 完整电路图 (5)

四、结果分析 (5)

五、结论 (7)

第二部分：图纸部分 (7)

一、电路图纸 (7)

二、元件清单 (8)

第三部分：参考文献 (8)

第四部分：指导教师评语 (9)

第五部分：成绩评定 (9)

第一部分：正文部分

一、选题背景

随着“秒时代”的到来，人们的生活也更加精准和快捷，对计时准确性和可靠性的要求越来越高。人类社会正处于高度发达的信息化社会，而信息化社会的进步又离不开电子产品的进步与革新。随着工业水平的飞速发展，在很多领域需要集成数以万计的电子器件来控制和操作多种繁琐的操作和功能，从而提高生产的效率，促进经济的发展。计时器在生活中的应用极其广泛，不胜枚举。诸如各项运动赛事的计时，定时警报，交通信号灯，以及各种航空航天、智能家居等多领域的计时功能，它已经渗透到了我们生活的大大小小各个方面，成为科学技术发展不可或缺的重要组成之一。本设计应用基本数字电路知识，用数码管作倒计时显示，最终实现从59s～00s的倒计时功能。

二、方案论证

2.1 功能要求

（1）能够实现从59到00的60秒倒计时计数功能，时间间隔为1秒，数码管显示计数值；

（2）提供外部操作开关，控制计数器的开始计数功能；

（3）计数器递减计时，到00时，发光二极管点亮提示计数结束。

2.2 实现方案

依据功能要求，该秒计数器系统主要应由秒脉冲信号发生器、倒计时计数电路以及信号转换器组成，原理框图如图1所示。秒脉冲信号发生器是该系统中的倒计时计数电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出一组驱动信号T0，然后点亮发光二极管提示计数结束。倒计时计时电路是系统的关键组成部分，由它来控制信号转换器的工作。

图1 秒计时器原理框图

三、过程论述

3.1倒计时计数器

该系统核心部分就是倒计时计数器。具体工作方式为：事先置数后，按下开始开关，显示器显示初始值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到两个数码管显示的值为“00”时，计数器计数工作停止，并向信号转换器提供T0信号，点亮发光二极管，提示计数结束。

倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。

计数器选用集成电路74LS192进行设计。74LS192是一种典型的高性能、低功耗CMOS4位同步二进制加计数器，除了具有这个功能外还有并行数据的同步预置功能，时钟脉冲CLK是计数脉冲输入端，也是芯片内4个触发器的公共时钟输入端，CLR为异步清零端，当它为低电平时，无论其输入端为何种状态，都使片内所有触发器状态置0，LOAD为并行置数使能端，当它为低电平时，数据输入端D3～D0的逻辑值置入计数器。B0为借位输出端。CO为进位输出端。其功能表如图2所示：

表1 74LS192功能表

要实现60秒的倒计时，需选用两个74LS192芯片级联成一个从99倒计到00的计数器，当清除端CR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LD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，LD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；执行减计数时，加计数端CPU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD输入。因此该电路设计将用到的计数器由两片74LS192同步十进制可逆计数器构成。利用借位输出端BO与下一级的CPD连接,实现计数器之间的级联。利用预置数LD端实现异步置数。当RD=0,且LD=0时，不管CPU和CPD时钟输入端的状态如何,将使计数器的输出等于并行输入数据,即Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0。例如本设计要求60秒倒计时，故预置数为（01011001）2 =（59）10 。电路连接如图3所示：

图2计时电路

3.2 秒脉冲产生电路

秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。本方案采用555定时器与RC组成多谐振荡器。555谐振电路能自发产生一定占空比的脉冲信号，调整其中R1、R2的值，从而得出本实验想要的输入脉冲。

接通VCC后，VCC经R1和R2对C充电。当2号输入的VC上升到2VCC/3时，V0=0，T导通，C通过R2和T放电，VC下降。当VC下降到VCC/3时，V0又由0变为1，T截止，VCC又经R1和R2对C充电。如此重复上述过程，在输出端V0产生了连续的、周期为1秒的矩形脉冲，从而为计时器提供触发信号，其中，可以通过R1、R2、C1、C2来控制放电时间，相关参数计算为：

多谐振荡器的振荡周期T=0.7*（（R1+R2）*C1）

各参数的值为：R1=200K，R2=200K C1=10nF C2=100nF

各参数的值带入上述公式得： T=0.9999s

其电路连接如图4所示：

图3振荡器电路

3.3 信号转换器

本方案采用三输入与门74LS11作为信号转换器，其功能表如下：

表2 74LS11功能表

输入输出

A B C Y

××L L

×L ×L

L ××L

H H H H

3.4 完整电路图

图4 倒计时电路设计四、结果分析

打开Multisim，连接好电路图后，仿真结果如下：

（1）初始置数为“59”，按下开关，开始计数：

图5 系统开始工作状态图

（2）倒计时直至显示为“00”，发光二极管亮提示计数结束：

图6 系统结束工作状态图

在仿真实验过程中，计时器以每秒减1的速度倒计时，并将实时结果显示在两个数码管上，直到数码管显示“00”，发光二极管被点亮，计时停止。此过程中系统运行稳定，效果与预想基本吻合，说明该电路的设计是符合该课程设计的题目要求的，达到了实验目的。在功能拓展上，因为生活中许多方面都有秒计时器的应用，故可以考虑很多种不同类型的功能设计，比如在此设计的基础上，构建一个信号灯控制器即可组成交通灯信号控制系统；增加一个蜂鸣器可组成定时报警系统；加上加、减、保持等操作可组成篮球计时系统等。

五、结论

在这次课程设计中，我学会了用Multisim软件画电路图，而且学会了设计一些简单的电路图，但是由于所学知识目前仍十分有限，因此对于复杂的电路理解起来还有很大的难度，对于一些芯片和工具的使用还是不熟练。开始时我遇到的最大的问题就是选用什么样的元件了，看着这个也能用、却也不会用，再看那个也是如此。可是经过几次的试验才发现同一个元件不同种用法会更简单，这也许是对其更深入的了解吧。其次，通过这次的课程设计，让我加深了对模拟电子技术、数字电子技术的原理的理解。仅仅通过课本和课堂的途径来汲取知识是远远不够的，自己一定要动手操作。对于那些复杂的电路图，可以从图中的每一小部分去分析再了解整个电路。虽然耗费的时间比较长，但是最终设计方案能够完全符合设计要求，让我有了极大的自豪感，也激发了我对这门课程的热情与兴趣。在以后的日子，更应该着重自己动手能力的提高，专业本身就是一门需动手操作的，对那些复杂的电路图，一定要敢于去分析，并动手去操作。但同时，在这次试验中发现了许多自身的不足，如理论知识不扎实，很多原理都不懂，希望老师在以后的教学中能够更多地结合实际操作来为我们解答疑难。

第二部分：图纸部分

一、电路图纸

图7完整电路图

二、元件清单

1.74LS192 *2

2.LM555C *1

3.74LS11 *1

开关 *1 5.七段数码管 *2 6.发光二极管 *1

7.电阻 *3 8.VCC 5V

第三部分：参考文献

1.王连英．基于Multisim 10的电子仿真实验与设计. 北京：北京邮电大学出版社，2009.8；

2.唐小华等. 数字电路与EDA实践教程. 北京：科学出版社，2010.8；

3.余孟尝. 数字电子技术基础简明教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2006.7。学生签名：填表日期：年月日

第四部分：指导教师评语

第五部分：成绩评定

指导教师签名：填表日期：年月日