数字秒表电路设计ok

数字秒表电路设计电信1205班钟杰瑛学号U201213508一、设计任务及要求设计一个数字秒表电路，其功能要求是：（1）设计一个用来记录短跑运动员成绩的秒表电路，能以数字的形式显示时间；（2）秒表的计数范围为0.01~59.99S，计时精度为10mS；（3）通过两个按键来控制计时的起点和终点，一个是清零按键，用于设置秒表为初始状态，另一个则是开始/停止按键，在清零无效时，按一下开始/停止键，则计时器开始计时，再按一下则暂停计时，再按一下则继续计时。二、系统组成框图本系统采用层次式设计方法设计，系统由时钟脉冲产生电路，可预置计数器，毫秒计数、秒计数、控制电路、译码及显示电路，及消抖动电路等部分（模块）组成。系统组成框图如图1所示。系统工作原理是：由时钟脉冲产生电路产生频率为100Hz的脉冲信号接入暂停/继续控制电路，由该电路通过按键控制毫秒、秒计数器的暂停计数/继续计数。由控制电路输出的毫秒脉冲输入到毫秒计数器，毫秒计数器（二级毫秒计数器）计数到100毫秒时向秒计数器进位，秒表计数至59.99秒时停止计数。毫秒，秒计数器输出分别经毫秒，秒译码器译码后送至各自的LED数码显示器。三、系统电路设计1.时钟脉冲产生电路时钟脉冲产生电路选用NE555定时器组成多谐振器,产生100Hz脉冲给毫秒计数器。电路及其工作波形分别图2(a)、(b)所示。其工作原理是：①接通电源后，电容C被充电，CV上升，当CV上升到CCV32时，触发器被复位，同时定时器内部的放电三极管DT导通，此时oV为低电平，电容C通过2R和DT放电，使CV下降；②当CV下降到CCV31时，触发器又被置位，oV翻转为高电平。电容器C放电所需时间为时钟脉冲产生电路暂停/继续控制电路毫秒计数器秒计数器毫秒译码器秒译码器毫秒显示秒显示清零预置计数值图1数字秒表系统组成框图CRCRtPL227.02ln③当C放电结束时，DT截止，CCV将通过1R，2R向电容器C充电，CV由CCV31上升到CCV32所需时间为CRRCRRtPH)(7.02ln)(2121④当CV上升到CCV32时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为CRRttfPHPLo)2(43.1121由于555内部的比较器灵敏度较高，且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。图2(a)所示电路各元件参数的选择如下由CRRfo)2(43.121选用标称值电容1μFC，则12261.431.432110110oRRfC314.31014.3K取15.1kΩR，则29.2kΩR。考虑到电阻、电容的允许误差通常为±10%，为使振荡器输出为100Hz脉冲信号，2R选用kΩ10电位器代替。2.暂停/继续控制电路设计图2由555组成多谐振荡器及其工作波形47625130.01uFR2R15.1k0k1uF5558+VccVCVOttVCVCCVCCtPLtPH2313VOC(a)(b)电路工作波形100暂停/继续控制电路由四位二进制计数器74LS191、3输入与门74LS11组成，电路如图3所示。图中反相施密特触发器CC40106用于消除按键的抖动信号。74LS191功能表如表1所示。由表1可知，当计数使能控制端CT0，置数控制端LD1，加/减计数控制端U/D0，当时钟脉冲输入端送入时钟脉冲时，实现加法计数。74LS191计数时序真值表如表2所示。当74LS191预置数据输入端30D~D均接地，接通电源时，其状态输出端30Q~Q的初始状态均为0。通过按键2S及CC40106给74LS191提供时钟脉冲。由于6IC在时钟脉冲上升沿开始计数，当2S未按下时，CP为高电平；当2S按下时，CP为低电平；而在2S松开后，CP又为高电平，当计数值未到规定的59.99S时，74LS30输出端始终是高电平。由图3和表2，当按动奇数次2S时，6IC的0Q1，74LS11门被打开，计数器开始计数；当按动偶数次2S时，6IC的0Q0，74LS11门被封锁，计数器停止计数，实现设计任务功能3的要求。3.毫秒，秒计数电路及译码、显示电路设计毫秒，秒计数电路均采用可预置十进制加/减计数器74LS192，各计数器均采用十进制计数操作。计数及译码、显示电路如图4所示。74LS192功能表如表3所示。图4中，低位毫秒计数器1IC的UCP端接NE555产生的100Hz脉冲信号，DCP端接高电平，高位毫秒计数器的UCP端接1IC的进位输出端CO。对于秒计数器，低位秒计数器3IC的UCP接2IC的CO端，高位秒计数器4IC的UCP端接3IC的CO端，计数器使能控制端按表3进行加计数设置，则可完成各计数器的十进制加计数操作。图4中，译码器采用BCD-7段译码器CD4511，数码管采用共阴极数码管。由于本系统显示电路是显示计数值，故CD4511试灯端LT,灭灯端BL，均接V5，选通/锁存端LE接地，各译码器8421BCD码输出端分别接十进制计数器各输出端，完成0.01~59.99S显示。4.消抖动电路设计（1）按键抖动产生原因通常的按键所用开关为机械弹性开关，由于机械式开关的核心部件为弹性金属簧片，因而在开关切换的瞬间会在接触点出现来回弹跳的现象。虽然只是进行了一次按键，结果在按键信号稳定的前后出现了多个脉冲，如图5所示。如果将这样的信号直接送给集成计数器的LDCP操作置数CT0000101011加计数减计数保持U/D表174LS191功能表63145411D0Q1D1D2Q2D3Q3Q0LDCP74LS191U/DCT27151109RC13S26IC74LS113456510+5V12CC40106暂停/继续至IC5的CPU自NE555输出端自74LS30输出端图3暂停/继续控制电路00Q3Q2Q0Q1000011001100000110011000101101CP012345678910110100010110101011121314151100110111101111表274LS191计数真值表CPDCPULDCR操作1111111000100清零置数加计数减计数保持表3LS192功能表74时钟输入端，将可能把按键稳定前后出现的脉冲信号当作按键信号，这样就会出现人为的一次按键但计数器以为多次按键现象。为了确保按键识别的准确性，在按键信号抖动的情况下不能进入状态输入，为此就必须对按键进行消抖处理，消除抖动时不稳定、随机的电压信号。机械式按键的抖动次数、抖动时间、抖动波形都是随机的。不同类型的按键其最长抖动时间也有差别，抖动时间的长短和按键的机械特性有关，一般为5~10mS。（2）按键消抖电路的设计消抖是为了避免在按键按下或是抬起时电平剧烈抖动带来的影响。按键的消抖，可用硬件或软件两种方法。本系统使用的是硬件消抖的方法。，按键消抖电路如图6所示。当图中按键2S未按下时，A点为低电平。，由于A点与地之间接有一个容量为220PF的电容，当按下2S时，电容两端的电压不能跃变，因此A点电压只能缓慢增加。这就消除了由于键按下瞬间，由于按键弹性金属簧片的弹跳，造成A点呈现快速的断续电压。当2S松开时，电容经要之并联的510电阻放电，使A点电压缓慢下降，再经施密特触发器修整波形，就得到应该比较标准的脉冲波输出。+5VNE55512563145411D0Q1D1D2Q2D3Q3Q0LDCP74LS191U/DCT27151109631254D0Q1D1D2Q2D3Q3Q0CPU74LS192279101CPD15631154D0Q1D1D2Q2D3Q3Q0LDCPU74LS192279101CPD15634D0Q1D1D2Q2D3Q3Q0CPU74LS192279101CPD15634D0Q1D1D2Q2D3Q3Q0CPU74LS192279101CPD15CRCR1414CR14CR145RC13S25.1K10K1uF100HZ0.01S0.01uF7623+5V+5V+5V21345679101112131415CD4511A1A2LTBLLEA3A0fgabcde21345679101112131415CD4511A1A2LTBLLEA3A0fgabcde21345679101112131415CD4511A1A2GNDLTBLLEA3A0fgabcde21345679101112131415CD4511A1A2GNDLTBLLEA3A0fgabcde+5V+5V+5V+5V76241910abcdefg76241910abcdefg76241910abcdefg76241910abcdefg385105105105103838836311D0Q1D1D2Q2D3Q3Q0LDCPU74LS192279101CPD15CR14151IC2IC3IC4IC42ICQ40ICQ33ICQ30ICQ23ICQ20ICQ13ICQ10ICQ5IC6IC74LS0474LS0874LS1174LS0074LS08233456174LS302345611128+5V+5V510+5V510+5V510+5VS1510+5V123456CC40106CC40106CC40106CC4010698541(6)(3)(7)(3)(7)(7)(3)(3)84复位暂停/继续加计数减计数S3S4220PF220PF220PF220PF45612COCOCOR1R2图4数字秒表电路前沿抖动后沿抖动键稳定图5按键抖动波形图键按下S2510+5V12CC40106A220RC图6按键消抖电路