籃球競賽秒計時器.doc

1、536867587.doc摘要本課程設(shè)計是脈沖數(shù)字電路的簡單應(yīng)用， 設(shè)計了籃球競賽 30 秒計時器。此計時器功能齊全，可以直接清零、啟動、暫停和連續(xù)以及具有光電報警功能，同時應(yīng)用了七段數(shù)碼管來顯示時間。此計時器有了啟動、暫停和連續(xù)功能，可以方便地實現(xiàn)斷點(diǎn)計時功能，當(dāng)計時器遞減到零時，會發(fā)出光電報警信號。本設(shè)計完成的中途計時功能，實現(xiàn)了在許多的特定場合進(jìn)行時間追蹤的功能，在社會生活中也具有廣泛的應(yīng)用價值。此計時器的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由以下3 個組成，即計時模塊、控制模塊、以及譯碼顯示模塊。在設(shè)計此計時器時，采用模塊化的設(shè)計思想，使設(shè)計起來更加簡單、方便、快捷。此電路是一時鐘產(chǎn)生，觸發(fā)，倒計

2、時計數(shù)，譯碼顯示為主要功能，在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造主體電路和輔助電路兩個部分。關(guān)鍵字計時器光電報警模塊化2536867587.doc目錄4 5 1.1 51.2 6 7 2.1 72.282.3102.3.1 8421BCD102.3.2132.3.3142.3.4 17 20 3.1 203.220 21 23 2425第2頁共24頁536867587.doc前言電子課程設(shè)計是電子技術(shù)學(xué)習(xí)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，是將理論知識和實踐能力相統(tǒng)一的一個環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學(xué)生能力的一個環(huán)節(jié)。在許多領(lǐng)域中計時器均得到普遍應(yīng)用，諸如在體育比賽，定時報警器、游戲中的倒時器，交通信號燈、紅綠燈、行人燈、交通纖毫

3、控制機(jī)、還可以用來做為各種藥丸，藥片，膠囊在指定時間提醒用藥等等，由此可見計時器在現(xiàn)代社會是何其重要的。在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時間不能超過30 秒，否則就犯規(guī)了。本課程設(shè)計的“籃球競賽30 秒計時器”，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間30 秒限制。一旦球員的持球時間超過了 30 秒，它自動的報警從而判定此球員的犯規(guī)。本設(shè)計主要能完成：顯示30 秒倒計時功能；系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計時器的直接清零、啟動和暫停/ 連續(xù)功能；在直接清零時，數(shù)碼管顯示器滅燈；計時器為30 秒遞減計時其計時間隔為 1 秒；計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不滅燈，同時發(fā)出光電報警信號等。整個電路的設(shè)計借助

4、于EWB5.12仿真軟件和數(shù)字邏輯電路相關(guān)理論知識，并在EWB5.12下設(shè)計和進(jìn)行仿真，得到了預(yù)期的結(jié)果。第3頁共24頁34536867587.doc第一章計時器概述1.1 計時器的特點(diǎn)及應(yīng)用隨著社會文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電子技術(shù)在各個近代學(xué)科門類和技術(shù)領(lǐng)域占有不可或缺的核心地位。在我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程中，數(shù)字電子技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。而計時器恰恰是數(shù)字電子技術(shù)的一個重要組成部分，計時器是一個用來實現(xiàn)計數(shù)功能的時序部件，它不僅可以用來計脈沖個數(shù)，還常用來做數(shù)字系統(tǒng)的定時、分頻，執(zhí)行數(shù)字運(yùn)算，以及其他特定的邏輯功能等等。計時器的種類很多。按構(gòu)成計時器

5、的各觸發(fā)器是否使用同一個時鐘脈沖源來分，可以分為同步計時器和異步計時器。根據(jù)計時制的不同，可以分為二進(jìn)制、十進(jìn)制和任意進(jìn)制計時器。根據(jù)計時器的增減趨勢，又可以分為加法、減法和可逆計時器。還有可預(yù)置數(shù)和可編程序功能計時器等等。目前，無論是 TTL 還是 CMOS集成電路，多有品種較齊全的中規(guī)模集成計時器，使用者只要借助于期間手冊提供的功能表和工作波形圖及管腳圖排列，就能正確地使用這些器件。第4頁共24頁536867587.doc1.2 設(shè)計任務(wù)及要求1.2.1 基本要求：（1） 具有顯示 30 秒計時功能；（2） 系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計時器的直接清零、啟動和暫停 / 連續(xù)功能；（3） 在直

6、接清零時，要求數(shù)碼管顯示器滅燈；（4） 計時器為 30 秒遞減計時，其計時間隔為1 秒；（5） 計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，同時發(fā)出光電報警信號。1.2.2設(shè)計任務(wù)及目標(biāo)：（ 1） 根據(jù)原理圖分析各單元電路的功能；（ 2） 熟悉電路中所用到的各集成塊的管腳及其功能；（ 3） 進(jìn)行電路的裝接、調(diào)試，直到電路能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計要求；（ 4） 寫出完整、詳細(xì)的課程設(shè)計報告。1.2.3主要參考器件：NE555 74LS161 （1） 74LS192（ 2）第5頁共24頁56536867587.doc第二章電路設(shè)計原理與單元模塊21 設(shè)計原理30 秒計時器的總體參考方案框圖如圖2-1 所示。

7、它包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、報警電路和輔助時序控制電路（簡稱控制電路）等五個模塊組成。其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。計數(shù)器完成30 秒計時功能，而控制電路完成計數(shù)器的直接清零、啟動計數(shù)、暫停/ 連續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈、定時時間到報警等功能。秒脈沖發(fā)生器計數(shù)器譯碼顯示外 部 操控制電路報警電路作開關(guān)圖 2-130 秒計時器系統(tǒng)設(shè)計框圖秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號是電路的時鐘脈沖和定時標(biāo)準(zhǔn)，但本設(shè)計對此信號要求并不太高，故電路可采用555 集成電路或由TTL 與非門組成的多諧振蕩器構(gòu)成。譯碼顯示電路由74LS48和共陰極七段 LED顯示器組成。報警第6頁共24頁5368

8、67587.doc電路在實驗中可用發(fā)光二極管代替。2 2 設(shè)計方案分析設(shè)計任務(wù)，計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成30s 計時功能，而控制電路具有直接控制計數(shù)器的啟動計數(shù)、暫停連續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈功能。為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，在設(shè)計控制電路時，應(yīng)正確處理各個信號之間的時序關(guān)系。在操作直接清零開關(guān)時，要求計數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器滅燈。當(dāng)啟動開關(guān)閉合時，控制電路應(yīng)封鎖時鐘信號CP，同時計數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示“30”字樣；當(dāng)啟動開關(guān)斷開時，計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)暫停連續(xù)開關(guān)撥在暫停位置上時，計數(shù)器停止計數(shù)，處于保持狀態(tài)；當(dāng)暫停連續(xù)開關(guān)撥在連續(xù)時，計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù)。系

9、統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2-1 所示?；@球競賽 30 秒計時器實驗電路如圖 2-2 所示。如果根據(jù)實驗所提供的參考器件，還可在秒脈沖發(fā)生模塊上做些變化，前者產(chǎn)生的脈沖周期直接是1 秒；如果讓其產(chǎn)生的秒脈沖頻率為 10Hz，觸發(fā)脈沖輸出的方波周期為0.1 秒，再將該脈第7頁共24頁78536867587.doc圖 2-2 籃球競賽 30 秒計時器沖信號送到由74LS161 構(gòu)成的十分頻器，由74LS161 輸出的脈沖周期為 1 秒，再將該信號送到計數(shù)器74LS192的 CP減計數(shù)脈沖端。如此就可得到兩個方案，由于兩方案原理相同，故本設(shè)計只采用方案一所述，即直接由555 多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖周期為1 秒的脈沖

10、。其電路如圖2-2 所示。第8頁共24頁536867587.doc23 單元模塊2.3.1 8421BCD碼遞減計數(shù)器模塊計數(shù)器選用匯總規(guī)模集成電路74LS192 進(jìn)行設(shè)計較為簡便，74LS192是十進(jìn)制可編程同步加鎖計數(shù)器，它采用 8421 碼二 - 十進(jìn)制編碼，并具有直接清零、置數(shù)、加鎖計數(shù)功能。圖 2-3 是 74LS192外引腳及時序波形圖。圖中 CPU 、 CPD 分別是加計數(shù)、減計數(shù)的時鐘脈沖輸入端（上升沿有效） 。LD 是異步并行置數(shù)控制端（低電平有效） ， CO 、 BO 分別是進(jìn)位、借位輸出端（低電平有效） ， CR是異步清零端， D3-D0是并行數(shù)據(jù)輸入殿， Q3-Q0是輸

11、出端。74192 的功能表見下表2-1 所示。其工作原理是：當(dāng)LD =1，CR=0時，若時鐘脈沖加到CP 端，且 CP =1UD第9頁共24頁910536867587.doc圖 2-374LS192 外引腳及時序波形圖第10頁共24頁536867587.doc表 2-1 74LS192 功能表RDLDCPUDCP功 能1xxx清 零00xx置 數(shù)011加法計數(shù)011減法計數(shù)則計數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基礎(chǔ)上完成加計數(shù)功能， 當(dāng)加計數(shù)到 9 時，CO端發(fā)出進(jìn)位下跳變脈沖；若時鐘脈沖加到CPD端，且U=1，則CP計數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基礎(chǔ)上完成減計數(shù)功能，當(dāng)減計數(shù)到0時，BO端發(fā)出借位下跳變脈沖。由74LS192

12、 構(gòu)成的三十進(jìn)制遞減計數(shù)器如下圖 2-4所示圖 2-4 8421BCD 三十遞減計數(shù)器第11頁共24頁1112536867587.doc其預(yù)置數(shù)為 N=（ 00110000）= (30) 10。它的計數(shù)原理是:只有當(dāng)?shù)臀?BO1端發(fā)出借位脈沖時,高位計數(shù)器才作減計數(shù)。當(dāng)高、低位計數(shù)器處于全零,且CPD為0時 ,置數(shù)端 LD2 =0,計數(shù)器完成并行置數(shù),在 CPD 端的輸入時鐘脈沖作用下,計數(shù)器再次進(jìn)入下一循環(huán)減計數(shù)。2.3.2 時鐘模塊為了給計數(shù)器 74LS192提供一個時序脈沖信號 , 使其進(jìn)行減計數(shù) , 本設(shè)計采用 555 構(gòu)成的多諧振蕩電路 ( 即脈沖產(chǎn)生電路 ), 其基本電路如圖 2-

13、6 示 .其中 555管腳圖如下圖 2-5 示. 由555工作特性和其輸出周期計算公式可知 , 其產(chǎn)生的脈沖周期為 : T=0.7(R 1+2R2)C 。因此 , 我們可以計算出各個參數(shù)通過計算確定了R1 取 15k歐姆 ,R2 取 68k 歐姆 , 電容取 C 為 10uF、C1 為 0.1uF,. 這樣我們得到了比較穩(wěn)定的脈沖 , 且其輸出周期為 1 秒.圖 2-5 555 管腳圖第12頁共24頁536867587.docVccR14815K7R2555uo6368KuC215C0.1uF10uF圖 2-6555 多諧振蕩電路圖2.3.3 輔助時序控制模塊為了保證系統(tǒng)的設(shè)計要求,在設(shè)計控制

14、電路時,應(yīng)正確處理各個信號之間的時序關(guān)系。從系統(tǒng)的設(shè)計要求可知,控制電路要完成以下四項功能:操作 “直接清零”開關(guān)時,要求計數(shù)器滅燈。閉合“啟動”開關(guān)時,計數(shù)器應(yīng)完成置數(shù)功能,顯示器顯示 30秒字樣 ;斷開“啟動”開關(guān)時,計數(shù)器開始進(jìn)行遞減計數(shù)。第13頁共24頁1314536867587.doc當(dāng) “暫停 /連續(xù)”開關(guān)處于“暫?！蔽恢脮r,控制電路封鎖時鐘脈沖信號CP ,計數(shù)器暫停計數(shù),顯示器上保持原來的數(shù)不變，“暫停 /連續(xù)” 開關(guān)處于“連續(xù)”位置時 ,計數(shù)器繼續(xù)累計計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器遞減計數(shù)到零(即定時時間到)時 ,控制電路應(yīng)發(fā)出報警信號,使計數(shù)器保持零狀態(tài)不變,同時報警電路工作。如圖 2-7

15、所示 .圖2-7光電報警電路當(dāng)計數(shù)到零時 , 兩計數(shù)器借位端輸出多為低（ 0）, 故本設(shè)計將高位片借位 BO2 反饋到二極管負(fù)極性端 , 此時 +5V電源經(jīng) 1k 電阻使發(fā)光二極管發(fā)出光電報警信號, 完成報警功能, 而在遞減計數(shù)時 , BO2 端輸出為高（ 1） , 二極管不報警 . 圖 2-8 是輔助時序控制電路圖。第14頁共24頁536867587.doc圖 2-8輔助時序控制電路圖（時鐘信號控制電路）LD接 74LS192的預(yù)置數(shù)控制端,當(dāng)開關(guān)S1 合上時,LD =0,74LS192 進(jìn)行置數(shù) ;當(dāng)S1 斷開時 ,LD =1,74LS192 處于計數(shù)工作狀態(tài) ,從而實現(xiàn)功能的要求，當(dāng)然本

16、設(shè)計只要將啟動信號直接加到置數(shù)端，見圖2-2 。圖 2-8 是時鐘脈沖信號CP 的控制電路 , 控制CP 的放行與禁止。當(dāng)定時時間未到時,74LS192的借位輸出信號路, BO2 =1, 則 CP 信號受 “暫停 /連 續(xù)”開關(guān) S2 的控制 ,當(dāng) S2處于“暫?！?位置時 , 門 G3 輸出 0,門 G2關(guān)閉 , 封鎖 CP信號 , 計數(shù)器暫停計數(shù) ; 當(dāng) S2 處于第15頁共24頁1516536867587.doc“連續(xù)”位置時,門G3 輸出 1,門 G2 打開 ,放行 CP 信號 ,計數(shù)器在CP 作用下 ,繼續(xù)累計計數(shù)。當(dāng)定時時間到時BO2 =0,門 G 2 關(guān)閉 ,封鎖CP 信號 ,計

17、數(shù)器保持零狀態(tài)不變。 從而實現(xiàn)了功能、 的要求。 注意 , BO2 是脈沖信號 ,只有在CPD 保持為低電平時 , BO2 輸出的低電平才能保持不變。至于功能的要求,可通過控制 74LS192 的異步清零端CR 實現(xiàn) ( 圖中未畫出 ) 。234譯碼顯示模塊此模塊主要是由74LS48 譯碼器和共陰極七段LED 顯示器組成，通過計數(shù)器加到譯碼器，從而實現(xiàn)共陰極七段LED 顯示器從 30 遞減到零的計數(shù)顯示功能。1. 74LS48 是七段顯示譯碼器，其管腳圖如下圖 2-9 所示?，F(xiàn)將各管腳功能介紹一下：A、 B、 C、 D是 BCD碼的輸入端； a,b,c,d,e,f,g 是輸出端；試燈輸入端 L

18、T ：低電平有效。當(dāng) LT 0時，數(shù)碼管的七段應(yīng)全亮，與輸入的譯碼信號無關(guān)。本輸入端用于測試數(shù)碼管的好壞；第16頁共24頁536867587.doc動態(tài)滅零輸入端 RBI ：低電平有效。當(dāng) LT 1、RBI 0、且譯碼輸入為 0時，該位輸出不顯示，即 0字被熄滅；當(dāng)譯碼輸入不全為0時，該位正常顯示。本輸入端用于消隱無效的 0。如數(shù)據(jù) 0034.50 可顯示為 34.5 ；滅燈輸入 / 動態(tài)滅零輸出端RBO ：這是一個特殊的端鈕，有時用作輸入，有時用作輸出。當(dāng) RBO 作為輸入使用，且 RBO 0時，數(shù)碼管七段全滅，與譯碼輸入無關(guān)。當(dāng)RBOBI 作為輸出使用時，受控于LT 和 RBI ：當(dāng) LT

19、 1且/RBI 0時， RBO 0；其它情況下 RBO 1。本端鈕主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器之間的連接。第17頁共24頁1718536867587.doc圖 2-974LS48 管腳圖2. 共陰極七段 LED顯示器是較常用的顯示數(shù)碼管，但在使用時要注意的是：1. 看清楚自己用的數(shù)碼管是共陰極還是共陽極的，最好在焊之前用萬電用表測一下它的極性，其管腳圖如下圖 2-10 所示，如果為共陰極的， 其管腳 COM端接地；如果為共陽極的， 起管腳 COM段要接高電平。2. 還要注意在數(shù)碼管電路上加上一保護(hù)電阻，起限電流的作用。圖 2-10共陰極七段 LED 顯示器管腳圖第18頁共24頁53686

20、7587.doc第三章安裝與測試3.1 電路的安裝電路安裝要注意幾個原則：1. 先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊的等；2. 布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；3. 最好分模塊安裝等等。此外焊接時不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因為有些器件， 不能耐高溫，比如焊接三極管時， 電烙鐵絕對不能停留太久。3.2 電路的調(diào)試調(diào)試時應(yīng)小心謹(jǐn)慎， 電路安裝完畢后， 首先應(yīng)檢查電路各部分的接線是否正確，檢查電源、地線、信號線、元器件的引腳之間有無短路，器件有無接錯。再接入電路所要求的電源電壓，觀察電路中各部分器件有無異?，F(xiàn)象。如果出現(xiàn)異常現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)斷電源，待排除

21、故障后方可重新通電。第19頁共24頁1920536867587.doc第四章實驗體會本次課設(shè)是本人到目前為止覺得最有意義也是收獲最大的一次實習(xí)。身為電子系的學(xué)生，設(shè)計是我們將來必需的技能。而這次課設(shè)恰恰給我們提供了一個應(yīng)用自己所學(xué)知識的平臺。從通過理論設(shè)計，到仿真軟件仿真，再到確定具體方案，再到安裝實際電路，最后到調(diào)試電路、成型。整個過程都需要我充分利用所學(xué)的知識進(jìn)行思考、借鑒?？梢哉f，本次課設(shè)是針對前面所學(xué)的知識進(jìn)行的一次比較綜合的檢驗?？偟膩碚f，這次課設(shè)雖然累，但非常充實。在這次實習(xí)中，正確的思路是很重要的，只有你的設(shè)計思路是正確的，那你的設(shè)計才有可能成功。因此我們在設(shè)計前必須做好充分的準(zhǔn)備，認(rèn)真查找詳細(xì)的資料，為我們設(shè)計的成功打下堅實的基礎(chǔ)。如果說前面電路的理論設(shè)計是一件多么令人頭痛的事，那么安裝、焊接過程則是一個考驗人耐心的過程，對電路的安裝、焊接、分析、調(diào)試要一步一步來，不能急躁。因為是在仿真軟件上較理論上還是存在一定的差距，仿真能出來結(jié)果的在實際電路不一定就能出來，這就需要我們有耐心，尋找一個比較正確的調(diào)試方法。第20頁共24頁536867587.doc要做好本次的課程設(shè)計，熟練地掌握課本上的理論知識是前提。這樣才能對試驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行一定的分析和解決。當(dāng)然能完成本次設(shè)計，更離不開老師辛勤地指導(dǎo)，老師能在百忙中來指導(dǎo)本人，使本人能更好地完成設(shè)計