秒计时器的设计详解

引言

《课程设计》是为了让我们更好的理解所学知识，体会理论与实践之间的联系，将所学理论真正用到实处。作为一名合格的大学生不仅需要有扎实的理论知识，还需要过硬的动手能力；《课程设计》这门课程就给了我们这样一个机会。此次课程设计，让我们用所学的数字电子技术的基础知识，设计一个秒计时器，不仅能够加深我们对电子系统设计过程的理解，而且有助于我们对书本知识的进一步深化。

本作品的实现全部采用各种门电路及计数器芯片，利用自锁开关对电路进行控制，并且计时器具有十秒报警功能。

1 设计任务及要求

1.1 设计任务

设计并制作一个秒计时器

1.2设计要求

1) 有秒计时显示功能；

2) 设定外部操作开关，控制计时器的清零、启动和暂停/连续功能；

3) 计时器为秒递减或递加计时器，其计时间隔为1s；

4) 计时器计时值为10秒的整数倍时，有提示。

2 系统各部分设计方案介绍

2.1 设计总体方框图

图2.1.1 系统框图

2.2 系统各部分设计方案介绍

2.2.1 秒脉冲发生器的设计

A、方案一：利用运放构成振荡器

分析：该方案电路比较简单，计算相对容易。但是，运放振荡输出不是TTL电平， 需要加一个正向偏移电平才能为后级电路所用，而且该方案输出波形的边沿不够陡峭， 运放一般要采用双电源供电，调节也较为困难，实现起来不太方便。综合考虑，不采用此方案。

B、方案二：对晶体振荡器的输出进行分频

分析：晶体振荡器的输出虽然很稳定，但是输出频率一般较高，如果对其进行分频，需要用到多级电路，这样中间误差会变大，而且会提高制作成本，且晶体振荡器的输出 一般为正弦，要得到方波，还需要整形，这又增加了电路设计与调试的复杂度。因此，不采用该方案。

C、方案三：利用555产生1KHz脉冲，再对其进行一千分频

分析：555产生脉冲的的电路不仅具有简单、易调节的特点，而且产生的脉冲较 为稳定，输出电平为TTL电平，无需整形就可以直接运用于后级电路的输入， 非常符合本课题的设计要求。

设计的详细过程：

① 产生脉冲的电路。

图2.2.1 1KHz脉冲产生电路

② 对脉冲产生电路（图2.2.1）的分析与计算。

该电路是利用555构成的多谐振荡器。其中C1为决定振荡周期的充放电电容，R1、R2、R3与C1构成充电回路，C1、R3、R2构成放电回路，3号管脚为信号的输出端。该电路相关参数的计算公式如下所示：

充电时间：T1=0.7(R1+R2)C

放电时间：T2=0.7R2C

振荡周期：T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C

占空比：D=T1/T

本设计中要求产生1KHz矩形脉冲 。由T=1/f可知T=1ms，带入上式，可得到 (R1+2R2)C 的值，为了使振荡器更易起振，电容值不易选取太大，这里取C 等于0.01uF（103瓷片电容）。于是我们可以得到 (R1+2R2)约为144 ，又由占空比的计算公式 D=T1/T ，要想得到接近50%的占空比，在选取R1和R2 时应尽量使R2的值远大于R1，根据实际情况，选取标称电阻R1为6.8、R2为68，为了防止理论与实际之间的差距，外加滑动变阻器R3对周期与占空比进行调节，为了方便调节到所需的1KHz，调节范围不亦过大，故R3的值不应太大，这里我们取R3为10。

③ 一千分频电路的设计。

由三片十进制计数芯片74ls192以串联进位方式构成，该电路接法简单且不用外加门电路对其进行置位。74ls192的引脚排列及功能表如下所示：

（a）引脚排列 （b）逻辑符号

图2.2.2 74ls192的引脚图和逻辑符号

图2.2.3 74ls192的功能表

电路如下图所示：

图2.2.4 74ls192构成的一千分频电路

图2.2.4中U2的5号脚接①中的3号脚（1KHz脉冲输出端），由于本课题采用加法计数方式，故每片芯片的4号脚接固定的高电平，进位端12号脚接下一芯片的5号脚（加法计数脉冲输入端），分频出来的1Hz脉冲由U4的12号脚输出到后级电路。

当用开关去控制分频方法产生的时钟信号时，基本不用考虑按键的抖动问题，此处将在按键去抖的篇幅中具体提及。

2.2.2 主计数器的设计

本课题中主计数器依然采用74ls192,74ls192的管脚分布与功能表如前所述，由于欲设计的秒计数器为六十进制且计数方式为加法，故每片芯片的4号脚接固定的高电平。六十进制的计数器，需要由两片十进制芯片构成，和分频电路一样，采用串行进位方式，个位计数芯片的进位端（12号脚）接上十位计数芯片的脉冲输入端（5号脚）。对于六十进制的控制，则是利用的芯片的置数端外加门电路，具体电路如下图所示：

图2.2.5 主计数器电路

对图2.2.5的说明：图中左端U1为个位计数器，U2为十位计数器，分别将两片芯片的0和6（0000和0110）接至与非门的两端，最后反相输出反馈给计数器的置数端，由于从零开始计数，置数端（P0-P1）应全部接0,即接地。

2.2.3 显示部分的设计

显示部分采用数码管和显示译码芯片74ls48。由于计数器74ls192的输出端是四位的二进制8421码，要采用七段数码管进行显示，必须采用译码芯片。此外，译码芯片还有增强电路驱动能力的作用。虽然该芯片有较强的驱动能力，但是，要点亮数码管的每一段，需要大约10mA这样大的电流，为了达到较好的显示效果，必须加上上拉电阻。上拉电阻的阻值计算方法为：

由上式计算出的电阻值大概为1。由于需要的电阻较多，为方便制作，选用1K排阻。此部分电路如图2.2.6所示：

图2.2.6 显示部分的电路（con9为1K排阻）

对图2.2.6电路说明：数码管为共阴型，故公共端应接地，译码芯片的输入端应与计数芯片74ls192的输出数据端（8421码）相连，译码器的输出应按段连至数码管。

2.2.4 控制部分的设计

A、暂停连续控制开关

方案一：在脉冲源与计数器之间直接接上一个开关控制脉冲的通断

分析：该方案是最简单的方法，硬件实现上也很容易。但是，这种方法最大的缺点就 是按键有抖动，在按下按键的过程中，数码管的显示出现乱码。

方案二：先对按键进行消抖处理，再与脉冲信号相与得到最终信号

分析：本方案的基本原理是通过控制与非门的开与关来实现脉冲信号的通断。按键消 抖采用的是SR锁存器，它的输出端接2输入与非门的一端，脉冲信号接至与非门的 另一端。SR锁存器电路采用74ls00芯片搭建，按键则采用自锁开关，易于用户使用。

具体电路如图2.2.7所示：

图2.2.7 利用与门和锁存器的消抖电路

对图2.2.7电路的说明：自锁开关的公共端接地，另两端分别接至SR锁存器的S端和R端，且SR锁存器的S端和R端通过保护电阻（1K）接至高电平VCC。由锁存器的功能表可知，该电路的输出只可能是高电平或低电平，而不会出现不确定状态，无论按键怎么抖动，输出电平是确定的，那么也就达到了我们想要的去 抖效果。但是，由于接入的脉冲是一千分频产生的，其高电平占空比大于99%，那么脉冲输入端可近似认为是“1”，在按下暂停键时，脉冲输出端总会有一个上升沿，这个上升沿将会导致计数器加一，这也就是该方案的一个缺点。

方案三：利用数据选择器74ls153实现脉冲的通断控制

分析：该方案不仅消除了按键的抖动，而且按键按下与弹上来的过程不会使输出产生上升沿的脉冲，影响计数器。

该方案的电路如图2.2.8所示：

图2.2.8 利用数据选择器和锁存器的消抖电路

B、清零启动控制开关

该部分的设计比较简单，由于按键只是控制清零，则将按键直接接到74ls192 的清零端即可，无论按键怎样抖动，该引脚始终会悬空处于高电平状态，电路清零，因此这部分不用考虑消抖。

2.2.5 10s整数倍报警器的设计

由于本课题采用的计数器74ls192为十进制计数芯片，要实现十秒报警，则直接将个位置零时芯片的输出接至三极管的基极，从而实现报警灯的亮灭控制。电路如图2.2.9所示：

图2.2.9 LED灯报警电路

2.2.6 系统电源的处理

为了防止电源中的尖峰脉冲对电路产生干扰，在系统电源的输入端，应加入滤波电容，滤波电容应选取大小不一的电容组合，以便滤除不同频率成分的尖峰脉冲。此处选用470uf和104的电容组合。

除此之外，系统电源端口应加上电源指示灯，这样做能使 我们较方便的进行电路的后续调试。

图2.2.10

3 设计方案实现过程

3.1 仿真电路（仿真图见附录一）

本次设计的仿真软件采用Proteus。仿真设计的过程简单高效。仿真过程一定要注意各个器件位置的摆放，否则很容易仿真出错，得不到想要的结果，此外，还应加强对该软件的熟悉，这对以后的学习和工作都是大有好处的。

3.2 原理图设计（原理图见附录二）

原理图的设计是根据仿真结果而得来的。原理图的设计过程应该要注意以下几点：

① 放置元器件是一定要注意修改其标号和封装，否则编译会出错，无法正确导入PCB。

② 元器件的摆放位置应尽可能合理、美观，一般可以按照信号的流向或者是按电路的功能模块摆放，便于后面对电路进行进一步调试。

③ 电路连线应尽可能清晰，注意有结点的位置，如果电路原理较为复杂，应多采用总线连接。

3.3 PCB电路图的绘制（布线结果见附录三）

原理图绘制好后，应对其进行保存、编译、查错，最后导入生成PCB。PCB板的绘制大致可以分为布局和布线。

布局过程应该注意各个器件之间的距离、摆放顺序，一般按照信号的走向进行布局，这样会使得电路的运行效率更高，也便于查错。此外，应尽量按照功能模块布局，这样会使电路更具有层次感，器件与器件之间，模块与模块之间的距离尽量短，以减少由于电线过长而带来的阻抗；布线时首先应设置线宽和焊盘大小，一般来说，电源线和地线应尽量粗，走线时应少绕管脚，不应出现小于九十度的拐角，根据电路情况，在布线完毕之后可以有选择性的覆铜，因为这样既可以增强板子的硬度，又可以提高电路的抗干扰能力。

3.4 制板焊板过程

本设计采用的是双层板，双层板制作最重要的就是要对好孔，所用的方法是先将PCB纸用订书机固定好，再用熨斗进行转印，这样的效果很好。腐蚀板子时应注意盐酸和双氧水的配比为1:1。焊接板子应该细心、认真，注意及时清洁烙铁头，焊锡不要放太多，以免浪费。

3.5 硬件调试过程

①在调试前先检测是否有虚焊、短路、断路等情况，在检查完毕后在没有出现这些情况下，才能进行板子的调试。

②在调试过程中，在接稳压电源时严格按照芯片5V电压的要求事先调好，用万用表先测电压，避免烧坏芯片或其他元器件。

③检查完电路的焊接情况，调好电源之后，就可以带电调试了。带电调试采用分步调试的方法。本设计中，先检查脉冲源的输出是否正常，再测试计数器和各个芯片的输入输出波形是否正常，然后根据遇到的问题，检查电路，修改电路。

4 总结分析

此次课程设计，对电子系统的设计制作流程有了一个大致的了解，结合本次课题的内容，主要出现了以下三个问题，并得到了解决。

（1）做板与焊接的过程时一定要先对照原理图检查PCB中各个器件的管脚连接是否正确，检查完毕之后才能开始制板。焊接过程需要有足够的耐心与细心，最好能打印出PCB的纸质文档，然后对着插好器件，再进行焊接。本次课设过程中，因为大意，插错了一个电容，导致电容损坏，脉冲源不起振，此外，由于没有检查好数码管的封装，导致数码管一开始出现的全部是乱码。今后的学习中应多加注意。

（2）脉冲源不起振的问题。对于本课题，一开始的方案是直接利用555产生1Hz的矩形脉冲，计算也比较精确，但是实际做出来之后，电路无法起振，原因大概有两方面，第一，所用的充放电电容过大（10uf）；第二，电路的布局与布线不够合理。解决的方法如前所述，利用555产生1KHz矩形脉冲，再对其进行分频。分频后的信号占空比大于99%，有利于防止按键的抖动，因为占空比很大，则脉冲可近似认为是一个高电平信号，按键的另外一端是悬空的，再按下与弹起的过程中，按键在悬空和脉冲之间抖动，也就相当于在两个高电平之间抖动，对计数器的输入来说，没有发生变化，故分频有利于改善按键抖动。

（3）按键的去抖问题。本次课设，按键的去抖是采用的SR锁存器，去抖电路较简单，去抖效果较好，但是应用到控制时钟信号的时候，就应考虑到锁存器的输出有一个固定的上升沿与下降沿，如果直接接到计数器的输入端，会对计数造成干扰，具体原因在控制部分的设计中已经提及，解决办法是采用四选一的数据选择器74ls153结合SR锁存器。

通过这次课程设计，我在电路板的制作方面积累了不少经验：对pcb的布局布线能力得到了进一步加强，了解到对元件的封装绘制尺寸一定要精确，对各元件的检测，参数等知识也有了更加全面的了解；最重要的是在遇到困难后，懂得了该如何去分析抽象的故障，以及该如何去解决这些故障。对于完成一个系统一定要考虑周全，完善也深有体会。这些教训在接下来的课设、毕设和以后的工作中我都会时刻谨记。

参考文献

【1】 阎 石，数字电子技术基础（第五版），高等教育出版社

【2】 周 巍 黄雄华，数字逻辑电路-实验·设计·仿真，电子科技大学出版社

附 录

附录一：仿真电路图

附录二：原理图

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/ca8ff56675232f60ddccda38376baf1ffd4fe34f.html