秒表倒計(jì)時(shí)電路課件

1、電子設(shè)計(jì)與制作實(shí)訓(xùn)報(bào)告項(xiàng)目組長 學(xué)號 成 員 專 業(yè) 電子信息工程 班級 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 秒表倒計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師及職稱 開課學(xué)期 至 學(xué)年 學(xué)期 上課時(shí)間 年 月 日一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)名稱：秒表倒計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：小組合作： 是 否小組成員：1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?） 對數(shù)字電路知識有更進(jìn)一步的了解；（2） 熟練計(jì)數(shù)器集成電路如74191的使用方法；（3） 熟練555電路的應(yīng)用，數(shù)碼管、7段顯示譯碼器電路的使用。2、 實(shí)驗(yàn)場地及儀器、設(shè)備和材料：實(shí)驗(yàn)場地：實(shí)驗(yàn)儀器：電腦、proteus仿真軟件材料：電烙鐵、碳錫絲、電阻、數(shù)碼顯示管、555定時(shí)電路、74LS161芯片等3、 實(shí)驗(yàn)過程（實(shí)驗(yàn)

2、原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、及實(shí)驗(yàn)步驟等）：（1）設(shè)計(jì)要求：1） 設(shè)計(jì)一個(gè)秒表倒計(jì)時(shí)電路，計(jì)時(shí)最大值為59秒，每隔一秒鐘減1，最小值為0秒，接著再回到59秒，58秒，57秒，,0秒，59秒，58秒，57秒，如此循環(huán)往復(fù)。2） 采用7段數(shù)碼管顯示時(shí)間。3） 可能的話，在上述要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)。4） 先進(jìn)行原理分析與方案選擇，采用仿真軟件（比如Proteus或Quartus）進(jìn)行設(shè)計(jì)；功能實(shí)現(xiàn)后，設(shè)計(jì)并制作實(shí)際電路并進(jìn)行調(diào)試，完成一份設(shè)計(jì)報(bào)告。（2）實(shí)驗(yàn)大致步驟：1） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，構(gòu)思出基本路線，利用proteus仿真軟件畫出電路圖；2） 在原有的電路仿真圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的 擴(kuò)張功能設(shè)計(jì)，

3、并調(diào)試；3） 根據(jù)proteus仿真出的電路圖焊出電路板；4） 調(diào)試電路板。（3）實(shí)驗(yàn)原理：1）555定時(shí)器部分：555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較

4、器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。它的各個(gè)引腳功能如下： 1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地

5、，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，555時(shí)基電路的功能表如表所示。 555定時(shí)器的功能表如下：清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端TLQ放電管T功能00導(dǎo)通直接清零101保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)1101截止置11001截止置11110導(dǎo)通清零555定時(shí)器的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在未加觸發(fā)信號之前，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)觸發(fā)后，觸發(fā)器由穩(wěn)定狀

6、態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)狀態(tài)，暫穩(wěn)狀態(tài)保持一段時(shí)間后，又會自動(dòng)翻轉(zhuǎn)回原來的穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一般用于延時(shí)和脈沖整形電路。接通電源后，未加負(fù)脈沖 ，而C充電， 上升，當(dāng) 時(shí)，電路 輸出為低電平，放電管T導(dǎo)通，C快速放電， 使 = 0。這樣，在加負(fù)脈沖前， 為低電平， = 0，這是電路的穩(wěn)態(tài)。在t = t0時(shí)刻 負(fù)跳變（ 端電平小于 ），而 = 0（TH端電平小于 ），所以輸出 翻為高電平，T截止，C充電。 按指數(shù)規(guī)律上升。t = t1時(shí)， 負(fù)脈沖消失。t = t2時(shí) 上升到 （此時(shí)TH端電平大于 ， 端電平大于 ）， 又自動(dòng)翻為低電平。在 這段時(shí)間電路處于暫穩(wěn)態(tài)。t t2，T導(dǎo)通，C快速放電，電路又恢復(fù)

7、到穩(wěn)態(tài)。由分析可得：輸出正脈沖寬度 tW = 1.1RC555定時(shí)器用于實(shí)際中的實(shí)例有：能發(fā)出“叮、咚”聲門鈴的電路和旋光彩燈控制電路 上圖為由555定時(shí)器和外接定時(shí)元件R、C構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時(shí)555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關(guān)管T導(dǎo)通，輸出端Vo輸出低電平，當(dāng)有一個(gè)外部負(fù)脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時(shí)低于1/3VCC，低電平比較器動(dòng)作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)Vc充電到2/3VCC時(shí)，高電平比較器動(dòng)作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關(guān)管T重新導(dǎo)通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關(guān)管放電，暫態(tài)

8、結(jié)束，恢復(fù)穩(wěn)定，為下個(gè)觸發(fā)脈沖的來到作好準(zhǔn)備。波形圖見圖（b）。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間Tw（即為延時(shí)時(shí)間）決定于外接元件R、C的大小。Tw=1.1RC。通過改變R、C的大小，可使延時(shí)時(shí)間在幾個(gè)微秒和幾十分鐘之間變化。當(dāng)這種單穩(wěn)態(tài)電路作為計(jì)時(shí)器時(shí)，可直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器，并可采用復(fù)位端接地的方法來終止暫態(tài)，重新計(jì)時(shí)。此外需用一個(gè)續(xù)流二極管與繼電器線圈并接，以防繼電器線圈反電勢損壞內(nèi)部功率管。2） 二進(jìn)制計(jì)數(shù)加法器74LS16174LS161是4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，除了有二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能外，還具有異步清零、同步并行置數(shù) 、保持等功能。74LS161的邏輯電路圖和引腳排列圖如圖1所示，CR是異步清零端

9、，LD是預(yù)置數(shù)控制端，D0 ，D1，D2，D3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸人端，P和T是計(jì)數(shù)使能端，C是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級 聯(lián)提供了方便。 74LS161是4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，除了有二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能外，還具有異步清零、同步并行置數(shù) 、保持等功能。74LS161的邏輯電路圖和引腳排列圖如圖1所示，CR是異步清零端，LD是預(yù)置數(shù)控制端，D0 ，D1，D2，D3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸人端，P和T是計(jì)數(shù)使能端，C是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級 聯(lián)提供了方便。異步清零功能 當(dāng)CR0時(shí)，不管其他輸人端的狀態(tài)如何（包括時(shí)鐘信號CP），4個(gè)觸發(fā)器的輸出全為零。同步并行預(yù)置數(shù)功能 在CR1的條件

10、下，當(dāng)LD0且有時(shí)鐘脈沖CP的上升沿作用時(shí)，D3，D2，D1，D0輸入端的數(shù)據(jù)將分別被Q3Q0所接收。由于置數(shù)操作必須有CP脈沖上升沿相配合，故稱為同步置數(shù)。保持功能 在CR=LD1的條件下，當(dāng)TP0時(shí)，不管有無CP脈沖作用，計(jì)數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變（停止計(jì)數(shù)。同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)功能 當(dāng)CRLDPT1時(shí)，74LS161處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，電路從0000狀態(tài)開始，連續(xù)輸入16個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后，電路 將從1111狀態(tài)返回到0000狀態(tài)。進(jìn)位輸出C 當(dāng)計(jì)數(shù)控制端T1，且觸發(fā)器全為1時(shí)，進(jìn)位輸出為1，否則為零。功能表：狀態(tài)表：3）7段數(shù)碼顯示管7段數(shù)碼管一般由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中由7個(gè)細(xì)長的發(fā)光二極管組成 數(shù)

11、字顯示，另外一個(gè)圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點(diǎn)。 當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)光?？刂葡鄳?yīng)的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管。發(fā)光二極管（LED是一種由磷化鎵（GaP）等半導(dǎo)體材料制成的，能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光顯示器件。當(dāng)其內(nèi)部有一一電流通過時(shí)，它就會發(fā)光。 7段數(shù)碼管每段的驅(qū)動(dòng)電流和其他單個(gè)LED發(fā)光二極管一樣，一般為510mA；正向電壓隨發(fā)光材料不同表現(xiàn)為1.82.5V不等。 7段數(shù)碼管的顯示方法可分為靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示，

12、下面分別介紹。 靜態(tài)顯示 所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地尋能可截止。這種顯示方法為每一們都需要有一個(gè)8位輸出口控制。對于51單片機(jī)，可以在并行口上擴(kuò)展多片鎖存74LS573作為靜態(tài)顯示器接口。 靜態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電注一定的情況下顯示器的亮度高，控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，僅僅在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)，CPU才執(zhí)行一次顯示更新子程序，這樣大大節(jié)省了CPU的時(shí)間，提高了CPU的工作效率；缺點(diǎn)是位數(shù)較多時(shí)，所需I/O口太多，硬件開銷太大，因此常采用另外一種顯示方式動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示 所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對于顯示器的每一位

13、而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。雖然在同一時(shí)刻只有一位顯示器在工作（點(diǎn)亮），但利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和發(fā)光二極管熄 滅時(shí)的余輝效應(yīng)，看到的卻是多個(gè)字符“同時(shí)”顯示。顯示器亮度既與點(diǎn)亮?xí)r的導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參烽，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個(gè)8位I/O口（稱為掃描口或字位口），控制各位LED顯示器所顯示的字形也需要一個(gè)8位口（稱為數(shù)據(jù)口或字形口）。 動(dòng)態(tài)顯示器的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省硬件資源，成本較低，但在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，要保證顯示器正常顯示，CPU必須每隔一段時(shí)間執(zhí)行一次顯示子程序，這占用了CPU的大量時(shí)間，

14、降低了CPU工作效率，同時(shí)顯示亮度較靜態(tài)顯示器低。 綜合以上考慮，由于溫度顯示為精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，故只需4個(gè)數(shù)碼管，又考慮到CPU工作效率與電源效率，設(shè)計(jì)采用靜態(tài)顯示，為共陽極顯示。4） 譯碼器74LS47譯碼器的邏輯功能是將每個(gè)輸入的二進(jìn)制代碼譯成對應(yīng)的輸出的高、低電平信號。常用的譯碼器電路有二進(jìn)制譯碼器、二-十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器。譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時(shí)賦予代碼的含義“翻譯”過來。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應(yīng)關(guān)系。74LS47是輸出低電平有效的七段74LS47是BCD-7段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動(dòng)器， 74LS47的功能用于將BCD碼轉(zhuǎn)化成數(shù)碼塊中的

15、數(shù)字,通過它解碼， 可以直接把數(shù)字轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管的顯示數(shù)字。 74LS47為低電平作用。字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用，其管腳功能圖及狀態(tài)表如下圖所示： 5）74LS08與門 6）74LS32或門 7）74LS04非門 8）74LS13與非門（4） 實(shí)驗(yàn)思路：555定時(shí)器7段數(shù)碼管顯示 秒表低位 顯示電路二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器（74LS161）計(jì)數(shù)邏輯門轉(zhuǎn)換為倒計(jì)時(shí)7段顯示譯碼器（74LS47）譯碼 秒表高位 顯示電路利用555定時(shí)器給秒表低位顯示電路脈沖，讓秒表低位電路工作，開始倒計(jì)時(shí)，秒表低位每倒計(jì)時(shí)到0就給秒表高位顯示電路一個(gè)脈沖，讓秒表高位顯示電路減1。秒表低位顯示電路的設(shè)計(jì)和秒表高位顯

16、示電路一樣：首先，利用二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS161的同步置數(shù)的功能讓計(jì)數(shù)器從6到15循環(huán)計(jì)數(shù)，（615的二進(jìn)制數(shù)分別是：0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111）；然后利用邏輯門電路的功能讓615計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成90倒計(jì)時(shí)，（90的二進(jìn)制數(shù)分別是：1001、1000、0111、0110、0101、0100、0011、0010、0001、0000）；最后再利用74LS47譯碼器譯碼，讓7段數(shù)碼管顯示倒計(jì)時(shí)。具體如下表：74LS161二進(jìn)制加法器計(jì)數(shù)74LS161輸出邏輯門電路74LS47譯碼7段數(shù)碼管顯示60110非1001970111非10

17、00881000非0111791001非01106101010非01015111011非01004121100非00113131101非00102141110非00011151111非00000指導(dǎo)老師對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的意見： 指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日 二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、場地及儀器、設(shè)備和材料、實(shí)驗(yàn)思路等見實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案2、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及結(jié)果（1）電路仿真路線：1）555定時(shí)器電路：2)數(shù)碼管部分3）7段顯示譯碼器電路：4)秒表低位連接電路：5)秒表高位連接電路：6)整體電路仿真圖：(2)系統(tǒng)仿真結(jié)果：(3)實(shí)物焊接：(5)電路測試：1)秒表低位電路實(shí)物測試：連接杜邦線后：接通電

18、源后：2) 秒表高位電路實(shí)物測試：接線前：接杜邦線和電源后，測試結(jié)果顯示：3）整體電路板測試結(jié)果：3、對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及觀察結(jié)果的分析與討論：1）仿真圖成功顯示倒計(jì)時(shí)，說明仿真電路沒問題；2）秒表低位顯示電路的實(shí)物部分測試成功，接上電源能夠正常從90倒計(jì)時(shí)，只是在從0跳變到9時(shí)數(shù)碼管有1秒的黑屏，尚未解決此問題；3）秒表高位顯示電路第一次連接電源時(shí)沒有預(yù)想的效果，沒有顯示倒計(jì)時(shí)，連數(shù)碼管也沒有亮.經(jīng)過長時(shí)間的測試，最終終于出來了，但由于測試時(shí)不小心把數(shù)碼管的一個(gè)管腳燒壞了，有一個(gè)發(fā)光二極管不能正常顯示。4、結(jié)論：這次實(shí)訓(xùn)所選做的課題秒表倒計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)，秒表低位電路和高位電路仿真和實(shí)物測試都成功

19、了，也能正常倒計(jì)時(shí)，除了數(shù)碼管有一個(gè)發(fā)光二極管不能正常工作，其余都正常。5、實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)已解決的問題和待解決的問題及其解決方案：實(shí)物仿真中遇到的問題：1） 對于555定時(shí)器的脈沖的產(chǎn)生，有些小組成員不是很清楚，所以我們選擇了網(wǎng)上一些現(xiàn)成的555定時(shí)器的電路；2） 74LS161是加法計(jì)數(shù)器，從09，而我們需要的是倒計(jì)時(shí)，順序是從90。這就導(dǎo)致的了74LS161不能直接與7段譯碼器74LS47相連。所以我們在74LS161與74LS47之間接了一些邏輯門電路，以便達(dá)到我們想要的效果。焊接過程遇到的問題：1) 由于電路中芯片和線太多，為了方便焊接和節(jié)約時(shí)間，我們把電路分為三個(gè)模塊分開，同時(shí)由不

20、同的成員焊接：555定時(shí)器部分、秒表低位顯示部分、秒表高位顯示部分；2) 由于我們把電路分為三塊焊接，考慮到測試時(shí)要把電路連在一起，也為了減少焊接的難度，我們選擇在電路板之間焊接一些插針，利用杜邦線把各塊電路連接起來；3) 不止是各個(gè)電路板之間，每個(gè)芯片內(nèi)部和各個(gè)芯片之間的連接，為了避免距離太長而導(dǎo)致焊接無法進(jìn)行，及方便各個(gè)芯片接電源和地，我們也選擇在其周圍焊接一些插針，通過杜邦線連接，達(dá)到與仿真電路相同的效果；4) 由于仿真中的元器件和實(shí)物的不同，在焊接實(shí)物時(shí)，各個(gè)芯片都需要焊接者查看其管腳圖，對號入座，以便準(zhǔn)確的焊接；5) 同仿真元器件與實(shí)物之間的不同一樣，仿真電路的成功，不一定實(shí)物也能成功。所以要考慮到一些實(shí)際運(yùn)行可能會出現(xiàn)的問題，及時(shí)更改焊接的電路。在本次實(shí)訓(xùn)中，我們發(fā)現(xiàn)7段數(shù)碼顯示器若是直接接電源，會導(dǎo)致數(shù)碼管短路，燒掉數(shù)碼管。所以我們