秒表倒计时电路.docx
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秒表倒计时电路
电子设计与制作实训报告
项目组长×××学号××
成员××××
专业电子信息工程班级×
实验项目名称秒表倒计时电路设计
指导教师及职称×××
开课学期×至×学年×学期
上课时间×年×月×日
一、实验设计方案
实验名称:
秒表倒计时电路设计
实验时间:
××
小组合作:
是●否○
小组成员:
××××
1、实验目的:
(1)对数字电路知识有更进一步的了解;
(2)熟练计数器集成电路如74191的使用方法;
(3)熟练555电路的应用,数码管、7段显示译码器电路的使用。
2、实验场地及仪器、设备和材料:
实验场地:
实验仪器:
电脑、proteus仿真软件
材料:
电烙铁、碳锡丝、电阻、数码显示管、555定时电路、74LS161芯片等
3、实验过程(实验原理、实验内容、及实验步骤等):
(1)设计要求:
1)设计一个秒表倒计时电路,计时最大值为59秒,每隔一秒钟减1,最小值为0秒,接着再回到59秒,58秒,57秒,……,0秒,59秒,58秒,57秒,如此循环往复。
2)采用7段数码管显示时间。
3)可能的话,在上述要求的基础上进行相关扩展功能的设计。
4)先进行原理分析与方案选择,采用仿真软件(比如Proteus或Quartus)进行设计;功能实现后,设计并制作实际电路并进行调试,完成一份设计报告。
(2)实验大致步骤:
1)根据设计要求,构思出基本路线,利用proteus仿真软件画出电路图;
2)在原有的电路仿真图的基础上进行相关的扩张功能设计,并调试;
3)根据proteus仿真出的电路图焊出电路板;
4)调试电路板。
(3)实验原理:
1)555定时器部分:
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
它内部包括两个电压比较器,三个等值串联电阻,一个RS触发器,一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压,当5脚悬空时,则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3,C2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3,则比较器C2的输出为0,可使RS触发器置1,使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3,同时TR端的电压大于VCC/3,则C1的输出为0,C2的输出为1,可将RS触发器置0,使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下:
1脚:
外接电源负端VSS或接地,一般情况下接地。
2脚:
低触发端
3脚:
输出端Vo
4脚:
是直接清零端。
当此端接低电平,则时基电路不工作,此时不论TR、TH处于何电平,时基电路输出为“0”,该端不用时应接高电平。
5脚:
VC为控制电压端。
若此端外接电压,则可改变内部两个比较器的基准电压,当该端不用时,应将该端串入一只0.01μF电容接地,以防引入干扰。
6脚:
TH高触发端。
7脚:
放电端。
该端与放电管集电极相连,用做定时器时电容的放电。
8脚:
外接电源VCC,双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V,CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
在1脚接地,5脚未外接电压,两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下,555时基电路的功能表如表所示。
555定时器的功能表如下:
清零端
高触发端TH
低触发端TL
Q
放电管T
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
×
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
555定时器的单稳态触发电路只有一个稳态状态。
在未加触发信号之前,触发器处于稳定状态,经触发后,触发器由稳定状态翻转为暂稳状态,暂稳状态保持一段时间后,又会自动翻转回原来的稳定状态。
单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。
接通电源后,未加负脉冲,而C充电,上升,当时,电路输出为低电平,放电管T导通,C快速放电,使=0。
这样,在加负脉冲前,为低电平,=0,这是电路的稳态。
在t=t0时刻负跳变(端电平小于),而=0(TH端电平小于),所以输出翻为高电平,T截止,C充电。
按指数规律上升。
t=t1时,负脉冲消失。
t=t2时上升到(此时TH端电平大于,端电平大于),又自动翻为低电平。
在这段时间电路处于暂稳态。
t>t2,T导通,C快速放电,电路又恢复到稳态。
由分析可得:
输出正脉冲宽度tW=1.1RC
555定时器用于实际中的实例有:
能发出“叮、咚”声门铃的电路和旋光彩灯控制电路
上图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管,稳态时555电路输入端处于电源电平,内部放电开关管T导通,输出端Vo输出低电平,当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于1/3VCC,低电平比较器动作,单稳态电路即开始一个稳态过程,电容C开始充电,Vc按指数规律增长。
当Vc充电到2/3VCC时,高电平比较器动作,比较器A1翻转,输出Vo从高电平返回低电平,放电开关管T重新导通,电容C上的电荷很快经放电开关管放电,暂态结束,恢复稳定,为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图见图(b)。
暂稳态的持续时间Tw(即为延时时间)决定于外接元件R、C的大小。
Tw=1.1RC。
通过改变R、C的大小,可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时,可直接驱动小型继电器,并可采用复位端接地的方法来终止暂态,重新计时。
此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接,以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。
2)二进制计数加法器74LS161
74LS161是4位二进制同步加法计数器,除了有二进制加法计数功能外,还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。
74LS161的逻辑电路图和引脚排列图如图1所示,CR是异步清零端,LD是预置数控制端,D0,D1,D2,D3是预置数据输人端,P和T是计数使能端,C是进位输出端,它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
74LS161是4位二进制同步加法计数器,除了有二进制加法计数功能外,还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。
74LS161的逻辑电路图和引脚排列图如图1所示,CR是异步清零端,LD是预置数控制端,D0,D1,D2,D3是预置数据输人端,P和T是计数使能端,C是进位输出端,它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
异步清零功能当CR=0时,不管其他输人端的状态如何(包括时钟信号CP),4个触发器的输出全为零。
同步并行预置数功能在CR=1的条件下,当LD=0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时,D3,D2,D1,D0输入端的数据将分别被Q3~Q0所接收。
由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合,故称为同步置数。
保持功能在CR=LD=1的条件下,当T=P=0时,不管有无CP脉冲作用,计数器都将保持原有状态不变(停止计数。
④同步二进制计数功能当CR=LD=P=T=1时,74LS161处于计数状态,电路从0000状态开始,连续输入16个计数脉冲后,电路将从1111状态返回到0000状态。
⑤进位输出C当计数控制端T=1,且触发器全为1时,进位输出为1,否则为零。
功能表:
状态表:
3)7段数码显示管
7段数码管一般由8个发光二极管组成,其中由7个细长的发光二极管组成数字显示,另外一个圆形的发光二极管显示小数点。
当发光二极管导通时,相应的一个点或一个笔画发光。
控制相应的二极管导通,就能显示出各种字符,尽管显示的字符形状有些失真,能显示的数符数量也有限,但其控制简单,使有也方便。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管,阴极连在一起的称为共阴极数码管。
发光二极管(LED是一种由磷化镓(GaP)等半导体材料制成的,能直接将电能转变成光能的发光显示器件。
当其内部有一一电流通过时,它就会发光。
7段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样,一般为5~10mA;正向电压随发光材料不同表现为1.8~2.5V不等。
7段数码管的显示方法可分为静态显示与动态显示,下面分别介绍。
静态显示
所谓静态显示,就是当显示某一字符时,相应段的发光二极管恒定地寻能可截止。
这种显示方法为每一们都需要有一个8位输出口控制。
对于51单片机,可以在并行口上扩展多片锁存74LS573作为静态显示器接口。
静态显示器的优点是显示稳定,在发光二极管导通电注一定的情况下显示器的亮度高,控制系统在运行过程中,仅仅在需要更新显示内容时,CPU才执行一次显示更新子程序,这样大大节省了CPU的时间,提高了CPU的工作效率;缺点是位数较多时,所需I/O口太多,硬件开销太大,因此常采用另外一种显示方式——动态显示。
动态显示
所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器(扫描),对于显示器的每一位而言,每隔一段时间点亮一次。
虽然在同一时刻只有一位显示器在工作(点亮),但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应,看到的却是多个字符“同时”显示。
显示器亮度既与点亮时的导通电流有关,也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参烽,可实现亮度较高较稳定的显示。
若显示器的位数不大于8位,则控制显示器公共极电位只需一个8位I/O口(称为扫描口或字位口),控制各位LED显示器所显示的字形也需要一个8位口(称为数据口或字形口)。
动态显示器的优点是节省硬件资源,成本较低,但在控制系统运行过程中,要保证显示器正常显示,CPU必须每隔一段时间执行一次显示子程序,这占用了CPU的大量时间,降低了CPU工作效率,同时显示亮度较静态显示器低。
综合以上考虑,由于温度显示为精确到小数点后两位,故只需4个数码管,又考虑到CPU工作效率与电源效率,设计采用静态显示,为共阳极显示。
4)译码器74LS47
译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出的高、低电平信号。
常用的译码器电路有二进制译码器、二--十进制译码器和显示译码器。
译码为编码的逆过程。
它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。
实现译码的逻辑电路成为译码器。
译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。
74LS47是输出低电平有效的七段74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器,74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码,可以直接把数字转换为数码管的显示数字。
74LS47为低电平作用。
字形译码器,它在这里与数码管配合使用,其管脚功能图及状态表如下图所示:
5)74LS08与门
6)74LS32或门
7)74LS04非门
8)74LS13与非门
(4)实验思路:
利用555定时器给秒表低位显示电路脉冲,让秒表低位电路工作,开始倒计时,秒表低位每倒计时到0就给秒表高位显示电路一个脉冲,让秒表高位显示电路减1。
秒表低位显示电路的设计和秒表高位显示电路一样:
首先,利用二进制加法计数器74LS161的同步置数的功能让计数器从6到15循环计数,(6—15的二进制数分别是:
0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111);然后利用逻辑门电路的功能让6—15计数转换成
9—0倒计时,(9—0的二进制数分别是:
1001、1000、0111、0110、0101、0100、0011、0010、0001、0000);最后再利用74LS47译码器译码,让7段数码管显示倒计时。
具体如下表:
74LS161二进制加法器计数
74LS161输出
逻辑门电路
74LS47译码
7段数码管显示
6
0110
非
1001
9
7
0111
非
1000
8
8
1000
非
0111
7
9
1001
非
0110
6
10
1010
非
0101
5
11
1011
非
0100
4
12
1100
非
0011
3
13
1101
非
0010
2
14
1110
非
0001
1
15
1111
非
0000
0
指导老师对实验设计方案的意见:
指导老师签名:
年月日
二、实验结果与分析
1、实验目的、场地及仪器、设备和材料、实验思路等见实验设计方案
2、实验现象、数据及结果
(1)电路仿真路线:
1)555定时器电路:
2)数码管部分
3)7段显示译码器电路:
4)秒表低位连接电路:
5)秒表高位连接电路:
6)整体电路仿真图:
(2)系统仿真结果:
(3)实物焊接:
(5)电路测试:
1)秒表低位电路实物测试:
连接杜邦线后:
接通电源后:
2)秒表高位电路实物测试:
接线前:
接杜邦线和电源后,测试结果显示:
3)整体电路板测试结果:
3、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论:
1)仿真图成功显示倒计时,说明仿真电路没问题;
2)秒表低位显示电路的实物部分测试成功,接上电源能够正常从9—0倒计时,只是在从0跳变到9时数码管有1秒的黑屏,尚未解决此问题;
3)秒表高位显示电路第一次连接电源时没有预想的效果,没有显示倒计时,连数码管也没有亮.经过长时间的测试,最终终于出来了,但由于测试时不小心把数码管的一个管脚烧坏了,有一个发光二极管不能正常显示。
4、结论:
这次实训所选做的课题——秒表倒计时电路设计,秒表低位电路和高位电路仿真和实物测试都成功了,也能正常倒计时,除了数码管有一个发光二极管不能正常工作,其余都正常。
5、实验总结
⑴本次实验已解决的问题和待解决的问题及其解决方案:
实物仿真中遇到的问题:
1)对于555定时器的脉冲的产生,有些小组成员不是很清楚,所以我们选择了网上一些现成的555定时器的电路;
2)74LS161是加法计数器,从0—9,而我们需要的是倒计时,顺序是从9—0。
这就导致的了74LS161不能直接与7段译码器74LS47相连。
所以我们在74LS161与74LS47之间接了一些逻辑门电路,以便达到我们想要的效果。
焊接过程遇到的问题:
1)由于电路中芯片和线太多,为了方便焊接和节约时间,我们把电路分为三个模块分开,同时由不同的成员焊接:
555定时器部分、秒表低位显示部分、秒表高位显示部分;
2)由于我们把电路分为三块焊接,考虑到测试时要把电路连在一起,也为了减少焊接的难度,我们选择在电路板之间焊接一些插针,利用杜邦线把各块电路连接起来;
3)不止是各个电路板之间,每个芯片内部和各个芯片之间的连接,为了避免距离太长而导致焊接无法进行,及方便各个芯片接电源和地,我们也选择在其周围焊接一些插针,通过杜邦线连接,达到与仿真电路相同的效果;
4)由于仿真中的元器件和实物的不同,在焊接实物时,各个芯片都需要焊接者查看其管脚图,对号入座,以便准确的焊接;
5)同仿真元器件与实物之间的不同一样,仿真电路的成功,不一定实物也能成功。
所以要考虑到一些实际运行可能会出现的问题,及时更改焊接的电路。
在本次实训中,我们发现7段数码显示器若是直接接电源,会导致数码管短路,烧掉数码管。
所以我们决定在数码管与电源之间接一个限流电阻。
我们选择的是2个贴片电阻,或许是我们的成员焊接技术不是很熟练,所以焊接的过程中也遇到了些许困难,最后是由小组中焊接技术熟练的同学来焊接的;
6)实物中,每个芯片都要供电,焊接的时候总是忘记给一两个芯片供电;
测试过程中遇到的问题:
1)在仿真图中解决的问题,在实物测试中又出现了,例如:
在秒表低位倒计时过程当中,由0跳到9时,存在1秒的黑屏;
2)时钟产生模块频率不是标准的1HZ信号;
3)测试秒表高位显示电路时,接上电源,电路板无反应,需要不断地测试,并用万能表测试可能出现问题的地方,看是否焊接出现虚短虚断等问题。
⑵本实验的关键环节及改进措施:
做好本实验需要把握的关键环节及难点:
1)首先是仿真电路图的成功,这是后续步骤能顺利进行的基础;
2)明白实物焊接与电路仿真的不同:
在仿真时或许能成功,但若是完全照着仿真图焊接实物,或许会出现问题,如电路短路等;
3)测试不是一蹴而就的,需要耐心的不断调试。
若重做本实验,为实现预期效果,仪器操作和实验步骤应如何改善:
1)电路图中的与或非等逻辑门太多,不止是仿真图看起来有些难懂,在实物焊接和电路板测试连接各个芯片过程当中都产生了许多困难,所以可以适当的简化、修改电路图,减少逻辑电路的使用,也为这个任务节约了时间;
2)由于其他学业和时间的限制,本次实训,我们没有在秒表倒计时电路上增加其他扩展功能,如果重做本次实验,我们会在其基础上增加其他电路,以便更清楚的体现秒表倒计时带来的效果。
⑶对实验的自我评价:
每位组员及组长的心得
指导老师评语及得分
签名:
年月日
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- 秒表 倒计时 电路