10秒倒计时器的电子课程设计.doc

机械与电子工程学院
课程设计报告

课 程 名 称 数字电子技术课程设计
设 计 题 目 10秒倒计时器的设计
所学专业名称 电子信息工程
班 级
学 号
学 生 姓 名
指 导 教 师

2014年 6月 3日

0

机电学院电子信息工程课程设计
任 务 书

设计名称： 10秒倒计时器的设计
学生姓名： 指导教师：
起止时间：自 2014 年 5 月 21 日起 至 2014 年 6 月 4 日止

一、 课程设计目的
1).熟悉集成电路及有关电子元器件的使用;
2).了解计时器主体电路的组成及工作原理;
3).学习数字电路中基本555定时器、时钟发生器及计数、译码显示等单元电路的综合应用。
二、课程设计任务和基本要求
设计任务：
1).设计好完整的操作方案。
2).对电路的原理进行简要分析。
3).在Multisim仿真软件中绘制出完整仿真电路图。并且尽可能地使整个电路简洁、整齐、一目了然。
4).对设计的电路进行调试，完成课程设计应达到的目的.
基本要求：
1）具有10秒倒计时功能；
2)设置外部操作开关，控制计时器的直接清零/复位、开始和暂停/连续计数功能；
3)计时器计时间隔为1秒；
4)计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，保持并闪烁光电报警。
5计时器暂停计数时，数码管闪烁提醒；

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机电学院电子信息工程课程设计
指导老师评价表

院（部）
机电学院
年级专业
12电信
学生姓名

学生学号

题 目
10秒倒计时器的设计
一、 指导老师评语

指导老师签名：
年 月 日
二、 成绩评定

指导老师签名：
年 月 日

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目录
摘要与关键字．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1倒计时器组成及原理 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.1倒计时计数器组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1.2工作原理 ………………………………………………………………………3
2.拟定设计方案 ………………………………………………………………………4
2.1用Multisim进行仿真计 ……………………………………………4
2.2设计实现数码管示 …………………………………………………4
2.3设计555定时振荡实现秒振荡发生功能 ………………………4
2.4设计实现减法计数功能 ……………………………………………5
2.5设计实现二位数减法计数功能 ……………………………………5
2.6设计实现反馈电路实现30秒计数功能 ……………………………5
2.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电5
2.7.1清零/复位电路………………………………………………………………5
2.7.2暂停/继续计数电路…………………………………………………………6
2.7.3启动电路 ……………………………………………………………………7
2.8设计实现闪烁报警电路 …………………………………………8
3.功能说明总结 …………………………………………
4.课程设计小结 ……………………………………………………………………9
参考文献 …………………………………………………………………………………10
附录一
附录二

摘要与关键词
摘要：
电子秒表是现实生活中的很常见的装置，常见的电子秒表种类很多，其主要运用于运动中。数字式电子秒表是常见的电子秒表中的一种，它有显示更直观等好处。本次课程设计采用现代数字电路设计方法应用Multism进行设计并仿真。从总体设计框图开始，将设计任务逐步分解，直到可以用标准的集成电路部件实现，然后将各部件联结成系统，通过Multism进行设计的分析综合和时序仿真验证。本文在原理简要处，还加入了程序设计中用到的几种集成元件的管脚图，以及简单介绍了这些元器件所能实现的功能。先后设计出了计秒、计分和计时电路，并完成了初步的调试与仿真。最后，在分析时序仿真结果的基础上，对设计电路进行进一步的修改和完善，已达到对设计电路正确运行且学会运用Multism电路设计与仿真的目的。操作步骤与解释：（1）启动仿真电路，可观察到数字时钟的秒位开始计时，计数到60后复位为0，并进位到分计时电路。（2）观察到数字时钟的分位开始计时，计数到60后复位为0，并进位到时计时电路（3）开关J1可控制时计时电路的方式选择。（4）控制键可控制秒脉冲直接引入时、分计数器。（5）出现整点，即时计数器发生变化。
关键字：
计数器; 555定时器;多谢振荡器；课程设计

1 倒计时器组成及原理
1.1倒计时计数器组成
倒计时计数器选用TTL集成电路，主要由秒定时振荡发生器、减法计数器、译码器、七段数码显示器、控制电路、闪烁报警电路等组成，在电路工作过程中，电路能够通过控制器实现开始计数、清零/复位、暂停/继续计数等功能，在倒计时结束保持00状态并不断闪烁提示报警，原理图如下：

图1
1.2工作原理
当电路工作时，由555定时器组成多谐振荡器，选取适当的电容使振荡周期为1s；用两片减法计数器芯片级联组成二位数计数器，用七段数码管显示计数；控制电路通过控制减法计数器的控制端实现对电路保留、启动、清零/复位和暂停/继续计数功能的控制；利用JK触发器的翻转状态特性和译码器BI/RBO端的控制实现闪烁报警功能。

2拟定设计方案
2.1用Multisim进行仿真设计
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。Multisim中提供了丰富的硬件数据可供选择，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。通过Multisim可以及时仿真实现电路设计功能并及时发现存在的问题进行改正，可以确保设计的电路能够正常实现应有的功能。

2.2设计实现数码管显示
选取共阴极七段红色数码管作为显示器，译码器选择74LS48N，将译码器的LT、RBI端直接接高电平，BI/RBO也接高电平，将七段数码管的七个引脚分别接100Ω电阻后于译码器输出端相连，在译码器输入端输入电平实现了数码管显示功能。

2.3设计555定时振荡实现秒振荡发生功能
如图2，用555定时器、电容电阻组成多谐振荡发生器，C1选择1uF，图中C1为100nF为仿真实验用数据，C2选择10nF，电阻均为5.1kΩ，由周期计算公式：
T≈0.7（R1+2R2）C1 ≈ 1s

图2 谐振荡发生器
2.4设计实现减法计数功能
选用74LS191N加减计数器作为减法计数器芯片，U/D加减控制端接高电平将74LS191N设置为减法计数状态，将74LS191N输出端与74LS48N译码器的输入端相接，脉冲接555定时振荡电路产生的谐振脉冲，实现减法计数功能。

2.5设计实现二位数减法计数功能
级联两片均设置为减法计数器的74LS191N，将低位减计数器的进位端RCO接高位减计数器的EN使能端（图中为CTEN端），将数码管、电阻及译码器74LS48N按2.2中说明连接，实现二位数减计数功能。

2.6设计实现反馈电路实现10秒计数功能
如图3，采用74LS191N异步置数，高位反馈输出OA、OB通过两个2输入与非门两次与非反馈给D触发器RESET端，为实现控制功能准备，最终反馈给预制LD端（电路图中为LOAD端）；低位反馈输出OB、OD同高位方法实现。高位预置数端DCBA预置0100，低位预置数端DCBA预置1001，实现10秒计数。

图3 反馈电路设计图
2.7设计实现控制电路实现启动、清零/复位和暂停/继续计数控制电路
2.7.1清零/复位电路
高、低位74LS191N的反馈信号分别通过两个2输入与非门两次与非输入D触发器的RESET端，同时D端与清零/复位控制电路相连，D触发器输出Q再反馈会LOAD端（即LD端），两个D触发器的D端均与开关J4所在清零/复位控制电路电阻、二极管右端，开关左端相接（如图3），高位74LS191N的高电平预置数与低位74LS191N的高电平预置数端与D输入接线位置相同，使得开关闭合前高低位74LS191N的高电平预置数及D为高电平，闭合后高低位74LS191N的高电平预置数及D为低电平，从而控制LD预置端实现清零和复位功能。
如图4，J4控制电路为清零/复位控制电路，J4为控制开关，闭合清零，开启复位。

图4 清零/复位电路图
2.7.2暂停/继续计数电路
单刀单掷开关J1所在电路为暂停/继续计数功能电路。如上图4，开关J1闭合前，J1所在电路反馈低电平，当J1闭合后，J1所在电路反馈高电平，反馈信号经如下图5两个或非门两次或非输入D触发器输入D端（如下图5），D触发器输出Q接低位74LS191N的CTEN端（及EN使能端），上面的JK触发器的输出端与第一个或非门的另一输入端相连。电路工作时，当J1断开，正常工作，当J1闭合时，使能端CTEN变为高电平，低位74LS191N输出保持，使电路进入暂停状态，断开J1则继续计数。

图5 暂停/继续计数电路设计图
2.7.3启动电路
如上图5，J3所在为启动控制电路，当J1处于断开状态，RESET端为低电平，当闭合J1后，RESET端为高电平，JK触发器输出置0，正常工作状态下第一级或非门另一输入为0，经两级或非后输入D触发器，且输入为低电平，即输出端Q输出低电平至CTEN（EN使能端）使电路启动。
74LS191N功能表如图：
预置
使能
加/减控制
时钟
预置数据输入
输出
工作模式
LD
EN
D/U
CP
D3 D2 D1 D0
Q3 Q2 Q1 Q0
0
x
x
x
d3 d2 d1 d0
d3 d2 d1 d0
异步置数
1
1
x
x
x x x x
保持
数据保持
1
0
0

x x x x
加法计数
加法计数
1
0
1

x x x x
加法计数
减法计数
图6
2.8设计实现闪烁报警电路
根据译码器控制端BI/RBO功能
功能
（输入）
输入
输入/输出
输出

LT
RBI
A3
A2
A1
A0
BI/RBO
a b c d e f g
灭灯
x
x
x
x
x
x
0
0 0 0 0 0 0 0
图7
如图7，当BI/RBO为0时，不论LT，RBI及A3A2A1A0为何值，输出为0且数码管为灭灯状态。当BI/RBO为1时，正常输出输入数据。
对于JK触发器，J端接高电平，K端与低位74LS191N的使能端EN（电路图中CTEN端）相接，则K端在计数使能时为低电平，暂停或计数到00时为高电平，由JK触发器功能表如下：
J
K
输出
1
0
置1
1
1
翻转

图8
如图9，将74LS48N译码器的BI/RBO与该JK触发器的输出端相连，由图8可知当J=1，K=0时，BI/RBO置1，数码管正常工作；当J=1，K=1时，BI/RBO翻转，使数码管时亮时灭闪烁。
图9 闪烁报警电路设计图
经过以上功能分析、设计和仿真，30s计数器的各项功能得到实现，在清零/复位与暂停/继续控制电路中，当J1闭合，暂停计数时，发光二极管点亮，J1断开，继续计数时，发光二极管灭；当J4闭合，数码管清零，发光二极管点亮，当J4断开后，发光二极管灭。

3，功能说明总结
实现从29到00的30秒倒计时计数功能，时间间隔为1s，具有启动，清零/复位与暂停/继续计数功能；同时当清零与暂停时，清零/复位或暂停/继续计数功能电路中的发光二极管点亮，作为功能标识；暂停时，数码管显示闪烁提醒，倒计时到00时计数保持00，并且闪烁报警，提示计数结束。
J1为单刀单掷开关，是暂停/继续计数功能控制开关，闭合J1,开关，计数暂停，断开J1开关，计数继续；J3为自动复位开关，时计数启动开关，当清零/复位开关断开复位后，按下J3启动计数；J4为单刀单掷开关，是清零/复位功能控制开关，闭合J3开关，数码管清零保持，再断开J3开关，复位29，等待启动开关J3启动。
4.课程设计小结
课程设计过程中对学到的各种芯片的功能，作用有了更加深入的学习，尤其是通过Multisim的设计与仿真，Multisim之前没有接触过，这几天学习了其基本功能和仿真实验。在设计10秒倒计时计数器时，用到了74LS191N加/减计数器，共阴极数码管，74LS48N译码器，555定时器组成多谐振荡器电路，JK触发器和D触发器等元器件，对这些元器件的特性，功能有了进一步深入的了解。通过555定时器构成多谐振荡电路的仿真对其电路结构有了更深刻的印象，掌握了通过改变RC的值对振荡周期进行调整。
当然在设计各各功能的过程中也遇到了许多问题，如最初使用74LS191N加/减计数器的时候对其反馈和异步置数功能不是很清楚，在查阅书本和实践多次的基础上终于解决异步置数问题，又如在设计反馈控制电路的过程中，时选用JK触发器还是D触发器，最初的设想是用的JK触发器，但是实验多次后才觉得如果用D触发器会更好，最终用D触发器实现清零/复位控制电路和计数器反馈电路；另一个问题是倒计时计数到00时的保持与闪烁问题，当计数到00时，74LS191N的MAX/MIN端输出将从低电平变为高电平，试了不少方法，有些无法保持00状态，有些在00状态无法闪烁，最终通过反馈两个74LS191N的MAX/MIN端与非两次后的输控制D触发器U21的SET端控制低位74LS191N的使能端CTEN端（即EN端）实现保持00计数状态，并利用JK触发器的翻转和置1功能特性控制74LS48译码器的BI/RBO端输入实现闪烁功能。每遇到一个问题都时进一步学习和加深对电路，原理，元器件学习的过程，每解决一个问题，没实现一个功能，都会十分的兴奋，总之，课程设计是一个提高能力，实践所学知识的过程，当然，还有许多的元器件，电路原理等有待于进一步的学习，对Multisim是一个开始，希望今后也能进一步学习到更多这一功能强大仿真软件的功能。

参考文献：
艾永乐 付子义 《数字电子计数基础》 2008 [北京] 中国电力出版社；
邱关源 罗先觉 《电路》第五版 2011 [北京] 高等教育出版社；
《Multisim原件介绍》 百度文库；

附录一
电路原理图

附录二
元器件明细表
555定时器
1个
七段共阴极红色数码管
2个
74LS48N译码器
2个
74LS191N加/减计数器
2个
74LS00（四-2输入与非门）
2个（一共需要7个2输入与非门）
74LS02（四-2输入或非门）
1个（共需要2个或非门）
D触发器
3个
JK触发器
2个
电容
2个（C1 1uF，C2 10nF)

开关
3个 (J1、J4为单刀单掷开关，J3为自动复位开关)

电阻
18个（与数码管串电阻100欧姆14个，与二极管串接电阻1000欧姆2个，多谐振荡电路电阻5100欧姆2个）
发光二极管
2个（1.66V 5mA）

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