秒表的设计-毕业设计论文

PAGE湖北理工学院毕业设计[论文]题目：秒表的设计院系：专业：姓名： 指导老师：摘要本系统由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、LED显示器组成，采用了中小规模集成芯片。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能，扩展电路完成数字计时器的扩展功能，进行了各单元设计，总体调试。数字计时器是由脉冲发生电路、计时和显示电路、清零电路、几部分组成的，电路由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等元件构成。振荡器产生的脉冲信号经过分频器分频作用后为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数器计数并且通过“时”、“分”、“秒”译码器显示时间。本系统由计数器、译码器、LED显示器采用了中小规模集成芯片。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成循环显示的基本功能，扩展电路完成启动停止的扩展功能，进行了各单元设计，总体调试。本文首先描述系统硬件工作原理，并附以系统结构框图加以说明，着重介绍了本系统模块的功能及工作过程,其次，详细阐述了程序的各个模块和实现方法。本设计以数字集成电路技术为基础。本文编写的主导思想是以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。关键词：石英晶体；分频器；计数器；译码器；脉冲

AbstractSystemhasbeencomposedofcrystaloscillator,frequencydivisionimplement,counter,decoder,LEDdisplay,hasadoptedtobehitbythesmall-scaleintegrationchip.Twomajorpartdesigningfrommainbodycircuitandexpandingacircuitarecomposedofanoverallplan.Mainbodycircuitsamongthemaccomplishfundamentaldigitalclockfunction,expandacircuitaccomplishingthefigurecalculagraphexpansionfunction,theelementhavingcarriedouteverydesignsthat,populationdebugs.Figurecalculagraphistobecomposedofpulsegeneratingcircuit,circuit,zeroclearingcircuit,severalpartsreckoningbytimeandshowing,thecircuitiscomposedofcomponentssuchasoscillator,frequencydivisionimplement,counter,decoder,display.Thepulsesignalthattheoscillatorproducescountsanddemonstratestimeby"time","mark","second"decoderbythatthefrequencydivisionimplementfrequencydivisioneffectqueenbeingsecondofpulse,secondofpulsesendinginthecounter,thecounter.Thissystemhasadoptthemiddlesmall-scaleintegrationchipfromthecounter,decoder,LEDdisplay.Twomajorpartdesigningfrommainbodycircuitandexpandingacircuitarecomposedofanoverallplan.Mainbodycircuitsamongthemaccomplishthefundamentalfunctionthatcirculationdemonstrates,expandacircuitaccomplishingthestartingstopexpansionfunction,theelementhavingcarriedouteverydesignsthat,populationdebugs.Systemhardwareoperatingprinciplethemainbodyofabookisdescribedfirst,andattachtheblockdiagramgivesexplanationwithsystemstructure,emphasizethemoduleandrealizationmethodhavingintroducedsystemmodulefunctionandcourseofwork,havingsetforththeprocedureeachsecondly,detailedly.DesignthatthetechnologyisabasiswithfigureICoriginally.Thedominantideasthemainbodyofabookiscompiledandcomposedistotakehardwareasbasis,writecomingtocarryouteveryfunctionmodule.Keywords:Quartzcrystal；frequencydivisionimplement；counter；decoder；pulse

目录1绪论 12方案论证 32.1功能要求 32.2方案确定 33系统设计 53.1电源部分的设计 53.2时钟电路的设计 63.3主电路设计 63.3.1主要芯片的选择 73.3.2模块原理分析 154 电路板制作调试及性能分析 174.1电路板的制作与安装 174.2硬件调试 184.3性能分析 19结论 20致谢 21参考文献 22附录 23湖北理工学院毕业设计（论文）PAGE241绪论以数字信号为工作信号的控制电路。数字信号指所有在时间和数值上都离散的信号，其变化在时间上不连续，数值的增减都取数字形式。数字控制电路具有很高的控制精度和很强的抗干扰性，可以解决模拟控制电路所解决不了的问题。数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路[1]、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过100个；中规模集成电路包含的门电路在10～100个之间，或元器件数在100～1000个之间；大规模集成电路包含的门电路在100个以上，或元器件数在10～10个之间；超大规模集成电路包含的门电路在1万个以上，或元器件数在10～10之间；特大规模集成电路的元器件数在10～10之间。电子学近几十年的历史可以看作是逐渐小型化的历史，推动电子产品朝小型化过渡的主要动力是元器件和集成电路IC的微型化。随着微电子技术的发展，器件的速度和延迟时间等性能对器件之间的互连提出了更高的要求，由于互连信号延迟、串扰噪声、电感电容耦合以及电磁辐射等影响越来越大，由高密度封装的IC和其他电路元件构成的功能电路已不能满足高性能的要求。人们已深刻认识到，无论是分立元件还是IC，封装已成为限制其性能提高的主要因素之一。目前电子封装的趋势正朝着小尺寸、高性能、高可靠性和低成本方面发展。所谓封装是指将半导体集成电路芯片可靠地安装到一定的外壳上，封装用的外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁，即芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对集成电路和整个电路系统都起着重要的作用。芯片的封装技术已经历了几代的变迁，从双列直插式封装(DIP)、塑料方型扁平式封装(POFP)、插针网格阵列封装(PGA)、球栅阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)到多芯片组件(MCM)[2]，技术更先进，芯片面积与封装面积之比越来越趋近于1，适用频率更高，耐温性能更好，引脚数增多，引脚间距减小，可靠性提高，使用更加方便。21世纪集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统SoC(System-on-Chip)成为开发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。英特尔曾于2003年11月底展示了首个能工作的65纳米制程的硅片，Intel2004年8月宣布，他们已经采用65纳米，生产出了70Mbit的SRAM。并计划于2005年正式进入商业化生产阶段。使用65纳米制程生产的芯片中门电路的数目是90纳米制程的1/3。SRAM（静态存储器）将用于高速的存储设备，处理器中非常重要的缓存就是采用SRAM。Intel表示，通过采用第二代应变硅技术（应变硅技术是一种对晶体管沟道部分的硅施加应力使其变形，以此提高载流子迁移率的技术。借由加大硅原子间彼此的距离，电子便能够更加迅速地运行。而电子的运行速度越快，处理器的性能就越好。）可以将晶体管的性能提升了10%~15%，与90纳米工艺制造的晶体管相比，65纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少4倍的漏电电流。未来将会有越来越多的产品采用65纳米工艺Intel公司2004年底宣布首次成功开发出15纳米的晶体管。Intel的15纳米晶体管基于CMOS工艺，工作电压为0.8伏，每秒可进行2.63万亿次开关转换。Intel计划在2009年开发出基于15纳米晶体管的芯片，到时该公司开发出的处理器将达到20GHz甚至更高。80年代被誉为“电子组装技术革命”的表面安装技术SMT改变了电子产品的组装方式。SMT已经成为一种日益流行的印制电路板元件贴装技术，其具有接触面积大、组装密度高、体积小、重量轻、可靠性高等优点，既吸收了混合IC的先进微组装工艺，又以价格便宜的PCB代替了常规混合IC的多层陶瓷基板[3]，许多混合IC市场已被SMT占领。随着IC的飞速发展，I／O数急剧增加，要求封装的引脚数相应增多，出现了“高密度封装”。90年代，在高密度、单芯片封装的基础上，将高集成度、高性能、高可靠的通用集成电路芯片和专用集成电路芯片ASIC在高密度多层互连基板上用表面安装技术组装成为多种多样的电子组件、子系统或系统，由此而产生了多芯片组件MCM[1]。在通常的芯片印刷电路板PCB和SMT中，芯片工艺要求过高，影响其成品率和成本；印刷电路板尺寸偏大，不符合当今功能强、尺寸小的要求，并且其互连和封装的效应明显，影响了系统的特性；多芯片组件将多块未封装的裸芯片通过多层介质、高密度布线进行互连和封装，尺寸远比印刷电路板紧凑，工艺难度又比芯片小，成本适中。因此，MCM是现今较有发展前途的系统实现方式，是微电子学领域的一项重大变革技术，对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域将产生重大影响。

2方案论证2.1功能要求测定运动项目的速度时需要使用秒表。秒表与普通的钟表（包括手表）不同，它的目的是对从某一时刻到另一时刻的时间间隔进行计时。利用数字电路可以很容易地制作计数器，所以对于制作钟表来说最大的问题是如何准确的标定时间。如何能准确地产生1/100s的脉冲是整个电路的设计要点。为了获得准确而稳定的振荡，必须采用石英振荡器。本设计采用的是频率为6MHZ的石英振子[4]。1、秒表基准脉冲的设计；能准确地产生1/100s的脉冲是整个电路的设计要点。为了获得准确而稳定的振荡，必须采用石英振荡器。本设计采用的是频率为6MHZ的石英振子。秒表按钮开关的设计。3、电路的最大计数为99.99s,并能掌握计数器位数与计数范围之间的关系。4、分频电路的设计。2.2方案确定利用数字电路可以很容易地制作计数器，所以对于制作钟表来说最大的问题是如何准确地标定时间。作为测定时间的典型工具，在制作秒表时，我们首先应该了解钟表的结构。方案一：可以使用几个专用计数器IC，尽管叫做专用IC，其实采用不同的使用方法还是能够用于各种不同用途的。它把几位十进制计数器集成在一个管壳中的数字IC。输出显示是动态式的，所以只要一个7段的译码器驱动就够了。但是大多专用数字IC都是外国进口的，价格较高，并且在市面上不容易买到。方案二：如图2-1所示，系统以数字芯片为主控制器。时钟功能的实现方法是由石英脉冲发生器产生脉冲,再通过分频完成基本的时钟任务，再通过LED模块显示出来。秒信号的产生：在方案一中是由专用数字IC[5]产生，在方案二中是由分频完成，如果要扩展外围功能方案二中由分频产生的其它的频率可以使用，可使功能更加强大。数字显示：在方案一中LED的显示是使用动态的显示，动态的显示对于秒表来说不是很好的选择，很容易出现显示不清晰或错误的乱码。在方案二中采用LED的静态显示，显示清晰稳定。由以上的比较知，在实现相同功能的情况下，方案二比方案一明显地具有优越性，成本较低，本设计采用方案二。图2-1系统框图

3系统设计由于本电子旋转圆盘系统以74LS系列[6]为主控芯片。硬件的结构和可靠性直接影响着整个系统的可靠性。任何电子产品都必须有一个电源为其提供能量才能工作，故本设计先从电源部分开始，再进行功能部分的设计。3.1电源部分的设计稳压电源的功能是把来自电网的220V交流电压转变为所需的、稳定的直流电压，为其他电路提供能源。它的设计在保证满足负载所须能量的同时，还要根据负载的特性及其对电源的要求（如稳压范围、纹波系数等），进行设计。必要时还要有过流、过压、欠压、过负载保护措施。现在常用的直流稳压电源有变压器式和开关式电源两种。在本系统中从价格和结构上考虑选用价格低廉和结构简单的直流稳压电源。变压器式直流稳压源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图3-1所示。市电先经电源变压器变换成所须等级的交流电压，而后经整流电路将之整流成直流电，这时的直流电脉动量很大，经滤波电路以减小其脉动量，最后经稳压电路进行稳压，从而得出符合要求的电压。图3-1变压器式直流稳压电源图3-1变压器式直流稳压电源3.2时钟电路的设计时钟脉冲的的精度取决于振荡器，就是说振荡器是秒表的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了秒表计时的准确程度，如果精度要求不要可以采用由逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器[7]。振荡频率=103Hz，如图3-2所示。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高，通常选用石英晶体构成振荡器电路。如图3-3所示。本设计中需要精度高的脉冲，选用石英晶体振荡器电路。图3-2555振荡器电路图3-3晶体振荡器电路由于得到的频率较高，要进行分频，分频器的功能只要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如电台报时用的1kHz的高音频信号和500Hz的低音频信号等。选用6片中规模集成电路计数器74LS192可以完成上述功能。因每片为1/10分频，5片级联则可获得所需要的频率信号，即第1片的输出频率为600kHz，第二片的输出为60kHz，以此类推。3.3主电路设计主电路的功能是完成0-99循环显示，再送往LED显示，使用轻触开关来启动和停止。设计秒表电路的要求：用7段数字表示器设计旋转圆盘。99个数的计数器部分的设计。显示用的译码器电路的设计。3.3.1主要芯片的选择1、74LS192主控芯片由十进制计数器完成。目前市场上的十进制的芯片很多种在这里我选用74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入[8]，并具有清除和置数等功能。如图3-4、表3-1。CPUCPDLDCR操作XXX1清零XX00置数1110加计数1010减计数1110保持表3-174LS192真值表图3-474LS192引脚图图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，

为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。表3-274LS192模块引脚功能引脚号符号功能1,9,10,15P0~P3数据输入端2,3,6,7Q0~Q3数据输出端4CPD减计数时钟输入端（下升沿有效）5CPU加计数时钟输入端（上升沿有效）8GND接地11PL预置数控制端12TCU进位输出端，当计数上溢时输出低电平脉冲13TCD错位输出端，当计数下溢时输出低电平脉冲14MR清零端当为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，可清零16VCC+5V当清除端CR[9]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，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；在计数脉冲上升沿进行8421码十进制加法计数。执行减计数时，加计数CPU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD输入，表3-2为8421码十进制加、减计数器的状态转换表。其功能表如表3-2所示。2、与非门74LS00TTL门电路是数字集成电路中应用最广泛的，由于其输入端和输出端的结构形式都采用了半导体三极管，所以一般称它为晶体管-晶体管逻辑电路，或称为TTL电路。这种电路的电源电压为+5V，高电平典型值为3.6V（≥2.4V合格）；低电平典型值为0.3V（≤0.45合格）。常见的复合门有与非门、或非门、与或非门和异或门。74LS00为四-2输入与非门[10]，为14脚芯片，14脚为Vcc，7脚为GND。在门电路芯片中，输入端一般用A，B，C，D，…表示，输出端用Y表示。如一块集成芯片有几个门电路时，在其输入、输出端的功能标号前(或后)标上相应的序号。如74LS00为四个2输入与非门电路，1A、1B为第一个与非门的输入端；1Y为该门的输出端，2A、2B为第二个与非门的输入端，2Y为其输出端，依此类推。其引脚图如图3-4所示。图3-474LS00引脚图与非门相当于与门+反相器，它与与门和反相器一样也可以作为门使用，只是各自的输出是反转的。所以作为控制信号，与门和与非门是相同的，只是输出的极性是反转的。门IC本来就是作为逻辑器件而制作的，与非门的逻辑真值表如表3-3。表3-374LS00真值表输入输出ABYLLH3、74LS0474LS04为六输入非门，为14脚芯片，14脚为Vcc，7脚为GND。在非门电路芯片中，输入端一般用A，B，C，D，…表示，输出端用Y表示。如一块集成芯片有几个门电路时，在其输入、输出端的功能标号前(或后)标上相应的序号。1A为第一个与非门的输入端；1Y为该门的输出端，2A为第二个与非门的输入端，2Y为其输出端，依此类推。其引脚图如图3-5所示。图3-574LS04引脚图4、CD4511译码器译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码[11]和显示译码两类。变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电平。译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异，其中二进制译码器、二-十进制译码器和显示译码器是三种最典型，使用十分广泛的译码电路。应用领域的不断扩大，要求生产更直接更方便的LED显示器件。因而出了数码管、字符管、电平管[12]等多种LED显示器。译码器是典型的组合数字电路，译码器是将一种编码转换为另一种编码的逻辑电路，学习译码器必须与各种编码打交道。从CD4511是BCD锁存—段码译码—共阴LED驱动集成电路，CD4511是输出高电平有效的CMOS显示译码器，其输入为8421BCD码，图3-6和表3-4分别CD4511的引脚图和逻辑功能表。图3-6CD4511引脚图LT:试灯极，低电平有效，当其为低电平时，所有笔划全部亮，如不亮表示该笔划有问题。BL:灭灯极，低电平有效，当其为低电平时，不管输入的数据状态如何，其输出全为低电平，即所有笔划熄灭。ST／LE:选通/锁存极，其是一个复用的功能端，当输入为低电平时，其输出与输入的变量有关；当输入为高电平时，其输出仅与该端为高电平前的状态，并且输入DCBA端不管如何变化，其显示数值保持不变。D,C,B,A:8421BCD码输入，其D位为最位。a～g:输出端，为高电平有效[13]，故其输出应与其阴极的数码管相对应。其引脚如图3-6所示，各引脚功能如下：cd4511是常用的七段数码管显示译码芯片，他的驱动能力强稳定性高。表3-4CD4511模块引脚功能引脚号符号功能1~2,6~7A1~A4BCD码输入端9~15a~g译码输出端（高电平有效）3LT测试输入端L：a~g全部输出高电平七段均发亮，显示“8”4BI消隐输入控制端H：可显示数字L：数码管均处于熄灭不显示数字5LE锁定控制端H：锁定保持状态L：允许译码输出8GND接地16VCC+5V主要功能：BCD锁存,7段译码,驱动器。数码显示功能：按功能表输入二进制信号0000~1001[14]，数码显示器应显示十进制数0~9，如表3-5所示。表3-5CD4511真值表输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111XXXX锁存锁存5、LED数码管在数字系统中常见的数码显示器通常有：发光二极管数码管(LED数码管)和液晶显示数码管(LCD数码管)两种。LCD译码驱动器[15]电路与LED的译码驱动电路不同，其输出不是高电平或低电平，而是脉冲电压，当输出有效时，其输出为交变的脉冲电压，否则为高电平或低电平。发光二极管数码管是用发光二极管构成显示数码的笔划来显示数字，由于发二极管会发光，故LED数码管适用于各种场合。液晶显示数码管是利用液晶材料在交变电压的作用下晶体材料会吸收光线，而没有交变电场作用下有笔划不会听吸光，这样就可以来显示数码，但由于液晶材料须有光时才能使用，故不能用于无外界光的场合（现在便携式电脑的液晶显示器[16]是用背光灯的作用下可以在夜间使用），但液晶显示器有一个最大的优点就是耗电相当节省，但价格昂贵。所以广泛使用于小型计算器等小型设备的数码显示。在这里选用价格低廉的LED。图3-7是LED数码管的内部结构及显示数码的情况，LED有共阴极和共阳极两种。其是一个阳极连在一体的一种LED数码管，我们通常称为共阳极数码管。另外一种阴极连在一体的一种LED数码管，我们通常称为共阴极数码管。图3-7共阳、共阴极数码管原理图二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。LED数码管引脚图见图3-8所示。图3-8LED数码管引脚图数码管的分类：数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。数码管的驱动方式：数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。②动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。数码管参数：8字高度：8字上沿与下沿的距离。比外型高度小。通常用英寸来表示。范围一般为0.25-20英寸。长*宽*高：长——数码管正放时，水平方向的长度；宽——数码管正放时，垂直方向上的长度；高——数码管的厚度。时钟点：四位数码管中，第二位8与第三位8字中间的二个点。一般用于显示时钟中的秒。数码管使用的电流与电压：电流：静态时，推荐使用10-15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色时，使用2.1V乘以每段的芯片串联的个数。恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响：1、显示效果：由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。安全性：即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止，由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。另外，我们所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极管的损害。超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。数码管亮度不均匀：关于亮度一致性的问题是一个行业内的常见问题。有二个大的因素影响到亮度一致性。一是使用原材料芯片的选取，一是使用数码管时采取的控制方式。原材料--芯片的VF和亮度和波长是一个正态分布。即使筛选过芯片，VF和亮度和波长已在一个很小的范围了，生产出来的产品还是在一个范围内,结果就是亮度不一致。2、要保证数码管亮度一样，在控制方式选取上也有差别，最好的办法是恒流控制，流过每一个发光二极管的电流都是相同的，这样发光二极管看起来亮度就是一样的了。如恒压控制，则导致VF不相同的发光二极管分到的电流不相同，所以亮度也不同。当然以上二个条件是相辅相成的。测量数码管引脚，分共阴和共阳：找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。从LED数码管结构原理图可知，为了显示字符，要为LED显示数码管提供显示段码，组成一个“8”字形字符的7段，再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。各段码位与显示段的对应关系如表3-6所示。表3-6数码管真值表段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段dpgfedcba3.3.2模块原理分析1、控制模块控制电路如图3-9所示，图中与非门的作用是控制时钟信号的启动与停止，当停止输出为1时，与与非门关闭，封锁时钟信号；当启动输出为1时，与非门打开，放行时钟信号。计数器电路是在计数输入的“L”-“H”的变化点开始计数，所以如果使用与非门，那么1/100s振荡器的输出就变化成在“H”-“L”的变化点开始计数。与非门中的计数的标定时间有半个时钟脉冲的偏差。不过在启动和停止这两个动作都产生这种偏差，所以并不构成秒表的误差。图3-9控制电路2、计数模块8421BCD码100进制递增计数器是由74LS192构成的，如图3-10所示，100进制递增计数器的预置数为N=（10011001）84BCD=（99）D。它的计数原理是，每当低位计数器的Tcv端发出正跳变借位脉冲时，高位计数器加1计数。当高、低位计数器处于99时，计数器完成同步清零，计数器在CPV时钟脉冲作用下，进入下一轮加计数。3-108421BCD码36进制递增计数器3-108421BCD码36进制递增计数器3、显示模块只要接通+5V电源和将十进制数的BCD码接至译码器的相应输入端A、B、C、D即可显示0～9的数字。四位数码管可接受四组BCD码输入。CD4511与LED数码管的连接如图3-11所示。图3-11CD4511驱动一位LED数码管图3-11CD4511驱动一位LED数码管CD4511

电路板制作调试及性能分析一个电路系统经过总体设计，完成了设计开发。元器件安装后，系统即可运行。焊接好的线路不能按预计的那样正常工作是常见的事，多少会出现一些硬件上的错误。像操作不当（如布线错误等）、设计不当、元器件使用不当、或功能不正常、仪器（主要指数字电路实验箱）和集成器件本身出现故障。这就需要通过调试来发现错误并加以改正。调试可分为静态调试和动态调试。在允许的条件下，根据本设计系统的需求性首先采用在PC机上用模拟开发软件进行检测和调试，然后进行硬件的组装与调试。4.1电路板的制作与安装本设计选用万用板制作而成，每块万用板中央有一凹槽，凹槽两边各有50X4个插孔，每四个为一组，它们是相通的，另有两条电路线在凹槽中可用作电源线和地线。集成电路引脚必须插在万用板中央凹槽两边的孔中，插入时先安装芯片底座，使引脚与芯片底座中的弹簧片接触良好，所有的集成芯片的方向要一致，缺口朝左。这样便于正确的布线和查线，集成芯片在插入与拔出时要受力均匀，以免发生引脚弯曲或断裂。布线时，一般选取直径为0.6mm的单股导线，长度适当。先将两头绝缘皮剥去7mm~8mm，然后把导线两头弯成直角，用镊子夹住导线，垂直插入相应的孔中。为了避免或减少故障，万用板上的电路布局与布线必须合理而且美观。1.集成块和晶体管的布局，一般按主电路信号流向的顺序在万用板上直线排列。各级元器件围绕各级的集成块或晶体管布置，各元器件之间的距离应视周围元件多少而决定。2．第一级的输入线与末级的输出线、高频线与低频线要远离，以免形成空间交叉耦合，尤其在高频电路中，元器件插脚和连线应尽量短而直，以免分布参数影响电路性能。3．为了使布线整洁和便于检查，尽可能采用不同颜色的导线，一般电源线用红色，负电源线用蓝色，地线用黑色。要求连线紧贴万用板，注意尽量在器件周围走线，一个孔只允许插一根线，并且不允许导线在集成块上方跨过。4．合理布置地线，为了避免各级电流通过地线时互相产生干扰，特别要避免末级电流通过地线对某一级形成正反馈而产生自激，故应将各级单独接地，然后再分别接入公共地线。4.2硬件调试1.通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。2.静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，如检查各芯片插座上相关引脚的电位，仔细测量相应的输入输出电平是否正常。通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。因为均为数字逻辑电路，使用电平检查法可首先查出逻辑设计是否正确，选用器件和连接关系是否符合要求等。3.动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。4.控制电路调试(1)把所有集成块拔掉，用数字万用表检查电路是否有短路，如果有，先排除（特别是7805）。(2)插上74LS192，开通电源，在74LS192管脚插座的输出端（Q1～Q3）处用细导线将Q1～Q3分别接地或＋5伏电源，即令Q1～Q3分别为001、010、011…等，看数码管是否显示1～7。如果正常，这步完成，否则进一步检查连线和CD4511。(3)不开电源，把控制板控制端与主电源板调整电位器处相连（不要电位器了），开通主电路板电源，测输出电压，在CD4511管脚插座的X—X1；X—X2；X—X3…处用细导线分别相连，调整对应微调电阻，使输出电压分别为3.6伏、5.0伏…等（按指标要求取）。(4)不开电源，插上CD4511。打开电源（主、副电源都开），在74LS192管脚插座的输出端（Q1～Q3）处用细导线将Q1～Q3分别接地或＋5伏电源，即令Q1～Q3分别为001、010、011…等，数码管应显示1～7。输出电压应分别为3.6伏、5.0伏…等（按指标要求取）。如果正常，这步完成，否则CD4511有问题，要更换。(5)不开电源，插上74LS192。打开电源（主、副电源都开），在74LS00管脚插座的与非门输出端（Q）处用细导线将Q分别接地或＋5伏电源。当Q接地时，74LS161的输出端（Q1～Q3）应为111；当Q接＋5伏电源时，74LS192的输出端（Q1～Q3）应为计数。否则74LS192有问题或电路连线不对，要检查。(6)不开电源，插上74LS192。打开电源（主、副电源都开），电路应能正常工作。4.3性能分析经过以上的调试和检查后，终于实现了设计中各种功能。下面对各项功能进行分析：1)、时间时间的快慢主要取决秒电容值的大小。电容值越大振荡时间越长，相对时钟脉冲越慢，电容值越小振荡时间越短，相对时钟脉冲越快。2)、显示LED显示数字清晰明了，直接给出秒数，让使用者易懂，直观。3)、价格器件少，在市面上容易购买，成本低廉。实践证明，这个秒表系统设计方案，结构合理，工作可靠，性能优越，功能强大等。

结论本系统由计数器、译码器、LED显示器采用了中小规模集成芯片。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成启动停止，循环显示的基本功能，进行了各单元设计，最后进行总体调试及性能分析。在做这次毕业设计过程中使我学到了很多，加深了对数子电路的理解，验证了所学理论知识，提高了基本的解决实际问题的能力，并增加了对电子设计方面的兴趣。掌握了电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选用元器件，电路组装、调试和检测环节，以及电路的分析方法和设计方法。在做这次毕业设计过程中使我学到了很多，加深了对数子电路的理解，验证了所学理论知识，提高了基本的解决实际问题的能力，并增加了对电子设计方面的兴趣。掌握了电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选用元器件，电路组装、调试和检测环节，以及电路的分析方法和设计方法。实验的基本过程，应包括确定实验内容、选定最佳的设计方法和设计线路、拟出较好的设计步骤、合理选择仪器设备和元器件、进行连接安装和调试、最后写出完整的实验报告。更重要的是我体会到不论做什么事都要真真正正用心去做，才会使自己更好的成长，没有学习就不可能有实践的能力，实践才是最终的目的，没有实践就不会有自己的突破和创新，相信这次的经历能让我在以后的工作和生活中不断成长与进步。

致谢在设计任务完成之际，我的心情不是抵达终点的欣喜，虽然这里面有我的辛勤付出，但是，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。在课题设计的整个过程，以及毕业论文的写作、修改和定稿过程中，得到了老师和同学们的热心帮助。首先我要衷心的感谢江玲老师对我整个毕业设计由始至终地悉心督促指导，并提供了大量而又详实的资料给我，使我从困惑迷茫的初期走向论文的顺利完成，在完成论文的同时也深受启发和教育，使我受益终生；然后还要感谢进大学以来所有的老师们，为我打下电气专业知识的基础；同时还要感谢我的同学和朋友们，正是因为有了你们的热心帮助和鼓励，使我有一个愉快而又严肃认真的学习和生活环境，这段日子成为我一生中美好的回忆。最后感谢电气学院和我的母校——黄石理工学院四年来对我的大力栽培。总之，如果没有你们我想圆满完成这个设计是难以想象的，在这里，请最后接受我最诚挚的谢意！致谢人：赵文进2008年5月28日

参考文献[10]梅开乡.数字逻辑电路学习与实训指导.北京:电子工业出版社，2004:5577[11]沈嗣昌.数字设计引论.北京:高等教育出版社，2003:7889[12]付家才.电子实验与实践.北京:高等教育出版社，2004:6576[13]马建国.电子系统设计.北京:高等教育出版社，2004:4356[14]Forsyth,A.J..ExtendedfundamentalfrequencyanalysisoftheLCCresonantconverter.PowerElectronics[J],2003:12861292[15]Doolla,S.AGUIbasedsimulationofpowerelectronicconvertersandreactivepowercompensatorsusingMATLAB/SIMULINK.2004InternationalConferenceonPowerSystemTechnology,2004:17101715[16]P.Seitz.Opticalsuperresolutionusingsolid-statecamerasanddigitalsignalprocessing[J].Opticalengineering,1988:35~42

附录系统原理图基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研