籃球24秒記時(shí)器的設(shè)計(jì)與制作

1、武漢理工大學(xué)電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 電氣1107班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 籃球24秒記時(shí)器的設(shè)計(jì)與制作初始條件：（1） 具備顯示24秒記時(shí)功能（2） 計(jì)時(shí)器為遞減工作，間隔為1S（3） 遞減到0時(shí)發(fā)聲光報(bào)警信號(hào)（4） 設(shè)置外部開關(guān)，控制計(jì)時(shí)器的清0，啟動(dòng)及暫停要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求（2） 方案比較及認(rèn)證（3） 系統(tǒng)框圖，原理說明（4） 硬件原理，完整電路圖，采用器件的功能說明（5） 調(diào)試記錄及結(jié)果分析（6） 對(duì)成果的評(píng)價(jià)及改進(jìn)方法（7） 總結(jié)（收獲及體會(huì)）（8）

2、 參考資料（9） 附錄：器件表，芯片資料時(shí)間安排：6月27日6月30日：明確課題，收集資料，方案確定7月1日7月4日：整體設(shè)計(jì)，硬件電路調(diào)試7月5日7月8日；報(bào)告撰寫，交設(shè)計(jì)報(bào)告，答辯指導(dǎo)教師簽名： 2013年 6月 27 日目錄摘要11 方案設(shè)計(jì)與選擇21.1 設(shè)計(jì)方案一21.1.1 設(shè)計(jì)思路21.1.2 總體框圖31.1.3 電路原理圖31.2設(shè)計(jì)方案二31.2.1 設(shè)計(jì)思路31.2.2 總體框圖31.2.3 電路原理圖41.3 方案選擇42 單元電路設(shè)計(jì)52.1 秒脈沖產(chǎn)生電路52.2 24進(jìn)制計(jì)數(shù)電路52.3 譯碼顯示電路52.4 控制電路62.5 聲光報(bào)警電路63 仿真檢測74 實(shí)物

3、調(diào)試94.1 發(fā)現(xiàn)問題94.2 分析問題94.3 解決問題9結(jié)束語10參考文獻(xiàn)11附錄1 材料清單12附錄2 重要芯片管腳圖和功能表12摘要計(jì)時(shí)器在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活、競技體育等方面應(yīng)用非常廣泛，其中最常見的要屬數(shù)字電路計(jì)時(shí)器了?；@球比賽中規(guī)定一方隊(duì)員持球時(shí)間為24秒，其中包括暫停、倒計(jì)時(shí)、歸零、置24秒等規(guī)則，需要用到一款24秒計(jì)時(shí)器。本次設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)器主要由五個(gè)部分構(gòu)成：秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示器、聲光報(bào)警器以及控制電路?？梢酝瓿芍脭?shù)、暫停、倒計(jì)時(shí)、清零等功能，滿足籃球比賽的需要。本次設(shè)計(jì)步驟主要是設(shè)計(jì)方案原理圖、利用Multisim仿真、實(shí)物調(diào)試并完善電路，最終完成籃球24秒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)

4、與制作。關(guān)鍵詞：倒計(jì)時(shí) Multisim 秒脈沖 譯碼顯示 聲光報(bào)警籃球24秒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)與制作1 方案設(shè)計(jì)與選擇1.1 設(shè)計(jì)方案一1.1.1 設(shè)計(jì)思路本計(jì)時(shí)器主要包括五個(gè)部分：秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、數(shù)碼顯示電路、聲光報(bào)警電路、控制電路。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器由含555定時(shí)器的多諧振蕩電路組成，發(fā)出頻率為1HZ的方波脈沖，傳遞給計(jì)數(shù)器；計(jì)數(shù)器主要由兩個(gè)74LS192構(gòu)成，接受方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果傳遞給數(shù)碼顯示電路；數(shù)碼顯示電路主要由兩個(gè)七段共陰極的數(shù)碼管構(gòu)成，能夠顯示24秒倒計(jì)數(shù)過程；聲光報(bào)警電路主要由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器組成，當(dāng)計(jì)數(shù)器顯示00時(shí)，兩者一起工作，進(jìn)行聲光報(bào)警；控制電路控

5、制計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)、暫停/連續(xù)計(jì)數(shù)以及清零置數(shù)的功能。1.1.2 總體框圖低位顯示高位顯示控制電路計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器秒脈沖發(fā)生器聲光報(bào)警器報(bào)警電路圖1 倒計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)總體框圖1.1.3 電路原理圖圖2 方案一電路原理圖1.2設(shè)計(jì)方案二1.2.1 設(shè)計(jì)思路考慮到市場上4輸入七段共陰極的數(shù)碼管不容易買到，而7輸入的則很好買，所以可以用7輸入數(shù)碼管替換4輸入數(shù)碼管，并通過74LS48譯碼器與計(jì)數(shù)器連接，組成譯碼顯示器；另一方面，考慮到調(diào)節(jié)暫停/啟動(dòng)開關(guān)J3可能因抖動(dòng)而使計(jì)數(shù)躍變，所以在J3和與非門U7A之間添加一個(gè)觸發(fā)器，消除開關(guān)抖動(dòng)，防止計(jì)數(shù)躍變，增強(qiáng)電路穩(wěn)定性。1.2.2 總體框圖高位顯示低位顯示譯碼驅(qū)動(dòng)譯

6、碼驅(qū)動(dòng)控制電路計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器秒脈沖發(fā)生器聲光報(bào)警器報(bào)警電路圖3 倒計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)總體框圖1.2.3 電路原理圖圖4方案二電路原理圖1.3 方案選擇對(duì)比方案一和方案二可以發(fā)現(xiàn)，雖然大部分結(jié)構(gòu)相同，且理論上都可以實(shí)現(xiàn)課設(shè)的基本功能，但各有千秋，優(yōu)缺點(diǎn)還是很明顯的。方案一設(shè)計(jì)思路和連接都很簡單，速度快效率高，反應(yīng)靈敏；不足之處是穩(wěn)定性差，容易因?yàn)殚_關(guān)抖動(dòng)產(chǎn)生計(jì)數(shù)躍變。方案二穩(wěn)定性較好，元器件容易買到；不足之處是電路比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)連線錯(cuò)誤。聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用綜合考慮，計(jì)時(shí)穩(wěn)定在競技比賽中是非常重要的，即使電路復(fù)雜一點(diǎn)也是值得的，故選擇方案二作為最優(yōu)方案（本方案最終被確定為小組方案），來進(jìn)行仿真、實(shí)物制作。2 單

7、元電路設(shè)計(jì)2.1 秒脈沖產(chǎn)生電路因?yàn)槌跏紬l件規(guī)定計(jì)時(shí)器遞減間隔為1S，所以時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)要求是1HZ的方波脈沖，可采用比較穩(wěn)定的由555定時(shí)器和外接元件R2、R5、C、Cf構(gòu)成的多諧振蕩器。振蕩周期、振蕩頻率分別為： T=0.7（ R2+2R5）C （1） f=1/T=1.43/（ R2+2R5）C （2）此555定時(shí)器頻率為1HZ，故令C =10uF，R2=28k，R5 =58 k，輸出脈沖頻率約為1HZ，如圖5所示。 圖5秒脈沖信號(hào)發(fā)生器2.2 24進(jìn)制計(jì)數(shù)電路24進(jìn)制計(jì)數(shù)電路由兩片74LS192同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成，如圖6所示。圖6 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器本課題中利用減計(jì)數(shù)器端輸入

8、秒脈沖信號(hào)，進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器按8421碼遞減進(jìn)行減計(jì)數(shù)。利用借位輸出端BO與下一級(jí)74LS192的DOWN端連接，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器之間的級(jí)聯(lián)。利用置數(shù)控制端LOAD實(shí)現(xiàn)異步置數(shù),24循環(huán)的設(shè)置為，十位片的DCBA=0010，個(gè)位片的DCBA=0100。2.3 譯碼顯示電路譯碼及顯示電路是由74LS192接譯碼驅(qū)動(dòng)器74LS48和7段共陰數(shù)碼管組成，譯碼器接受計(jì)數(shù)器傳遞來的計(jì)數(shù)結(jié)果，并對(duì)它進(jìn)行譯碼，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字，如圖7所示。圖7譯碼及顯示電路2.4 控制電路控制電路用來完成計(jì)數(shù)器的復(fù)位、啟動(dòng)計(jì)數(shù)、暫停/繼續(xù)計(jì)數(shù)、聲光報(bào)警等功能。與非門、非門以及D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的復(fù)位、計(jì)數(shù)和保持“24”，

9、以及聲、光報(bào)警的功能，開關(guān)功能：開關(guān)J1：清零開關(guān)。開關(guān)J2：置數(shù)開關(guān)。開關(guān)J3：暫停開關(guān)。2.5 聲光報(bào)警電路 光報(bào)警電路由發(fā)光二極管和蜂鳴器以及一個(gè)非門組成，兩者同時(shí)工作，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到00時(shí)，控制高位的74LS192芯片的BO端輸出為低電平，通過非門后得到一高電平，從而使發(fā)光二極管和蜂鳴器正常工作，進(jìn)行聲光報(bào)警，如圖8所示。圖8聲光報(bào)警電路圖3 仿真檢測使用Multisim軟件對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行仿真檢測，仿真結(jié)果記錄如圖9至圖13所示。圖9 預(yù)置數(shù)圖10倒計(jì)時(shí)圖11 暫停圖12 倒計(jì)時(shí)到0，聲光報(bào)警圖13 強(qiáng)制清零，聲光報(bào)警 由以上仿真圖可知，選擇的設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)全部的功能，符合任務(wù)要求。4

10、 實(shí)物調(diào)試4.1 發(fā)現(xiàn)問題 據(jù)電路原理圖連接好實(shí)物圖，進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試過程中主要發(fā)現(xiàn)了以下兩個(gè)問題：（1）低位顯示不正常，（2）計(jì)時(shí)間隔大于1秒。4.2 分析問題 對(duì)問題（1），慮到高位顯示正常，因而排出了秒脈沖產(chǎn)生電路出現(xiàn)故障的原因，問題極可能是出在低位那一路的計(jì)數(shù)器74LS192或譯碼顯示器上，應(yīng)對(duì)其重點(diǎn)檢查。 對(duì)問題（2），計(jì)時(shí)頻率由秒脈沖產(chǎn)生電路控制，且兩者大小相同。根據(jù)振蕩頻率公式f=1/T=1.43/(R1+2R2)C可知，倒計(jì)時(shí)頻率過小原因極可能是555外置電容C1，外置電阻R2、R5的值偏大；雖然它們的值是嚴(yán)格按照理論計(jì)算值來確定的，但考慮到現(xiàn)實(shí)中導(dǎo)線存在電阻、面包板接觸不良等

11、不可抗逆因素，實(shí)際的電容值電阻值偏大也是極有可能的，應(yīng)想辦法解決。4.3 解決問題 對(duì)問題（1），接通電源，使整個(gè)電路運(yùn)行起來，用手指觸摸低位顯示路的計(jì)數(shù)器74LS192、譯碼器74LS48和數(shù)碼管，發(fā)覺74LS192發(fā)燙嚴(yán)重；用萬用表依次測量它各個(gè)管腳的平高低，發(fā)現(xiàn)四個(gè)輸出端一直都是高電平而其他管腳電平值正常；斷開16腳VCC與外部電源的連接后，低位數(shù)碼管讓然有顯示。綜合上述現(xiàn)象，判定該芯片已經(jīng)被燒壞。更換上一個(gè)新芯片后，低位正常顯示，證實(shí)了之前的判斷。針對(duì)問題（2），因?yàn)橘徺I電容的容值比較單一，不方便更改，所以只能更改電阻。又因?yàn)閺恼鹗庮l率公式可以看出，R2的系數(shù)為1，而R5的系數(shù)為2，所

12、以更改R5的阻值效果會(huì)更好。我先后用幾個(gè)較小阻值的普通電阻替換R5發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)頻率有所變化，但效仍然不夠理想，不是太快就是太慢。后來改用20M的滑動(dòng)變阻器，可以連續(xù)調(diào)節(jié)阻值，經(jīng)過不斷地與手表對(duì)比、校準(zhǔn)，終于使倒計(jì)時(shí)間隔等于1秒。結(jié)束語剛剛抽到籃球24秒計(jì)時(shí)器這個(gè)題目時(shí)，心里挺開心的，因?yàn)槲液芟矚g打籃球、看球賽，很了解該計(jì)時(shí)器的工作狀態(tài)，也充分認(rèn)同該課題的趣味性和實(shí)用性。然而題目要求先仿真再制作實(shí)物，心里頓時(shí)就沒底氣了，因?yàn)镸ultisim我連聽都沒聽過，更別說用了，怎么辦呢？ 時(shí)間很緊，容不得多想，我一頭扎進(jìn)圖書館，精心挑選了Multisim10電路仿真及應(yīng)用、基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、

13、仿真與綜合應(yīng)用、Multisim 11電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用等三本工具書，啃了好幾個(gè)小時(shí)后，基本了解了Multisim10的基本功能、下載及安裝方式、菜單命令、常用工具欄、基本操作，掌握了收索、放置元器件的步驟，連線方法，運(yùn)行仿真檢測等重要知識(shí)。Multisim10軟件學(xué)得差不多后，為了盡可能全面了解各芯片、單元電路的結(jié)構(gòu)和作原理，我又將數(shù)電教材中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)好好了一遍。直到胸有成竹、自信滿滿后，才開始動(dòng)手做。因?yàn)闇?zhǔn)備得很充分，所以做起來很順利。從在Multisim10主數(shù)據(jù)庫中查找元器件，到畫最優(yōu)方案的電路原理圖，再到仿真，幾乎一帆風(fēng)順。但在調(diào)試階段卻遇到了燒壞74LS192、倒計(jì)時(shí)頻率太慢、開關(guān)位

14、置被導(dǎo)線覆蓋、元器件購買不齊全、面包板接觸不良等問題，在四位小組成員一起分析原因、分塊檢測、提出解決方案、修改電路，再檢測、再修改遇到不懂之處就翻閱工具書、上網(wǎng)收索、請(qǐng)教同學(xué)直到弄懂為止，經(jīng)過大家的不斷探索終于成功解決了所有問題，使電路正常工作，達(dá)到了任務(wù)要求。在這個(gè)過程中，我也深深體會(huì)到分工合作的重要意義?，F(xiàn)在，我已經(jīng)全部完成了，驀然回首才發(fā)現(xiàn)自己完成了從對(duì)Multisim一無所知到熟練使用仿真的跨越。這一步的跨越并不難，關(guān)鍵是要有勇氣、有自信來開始；這一步的跨越也并不是很容易，還需要有排查錯(cuò)誤的細(xì)心、耐心和堅(jiān)持下去的恒心。身在一個(gè)信息化時(shí)代，知識(shí)的更新?lián)Q代越來越快，各種軟件的升級(jí)更是日新月

15、異，這就要求我們時(shí)刻準(zhǔn)備學(xué)習(xí)、了解、使用新鮮事物，就像這次的Multisim一樣。然而對(duì)于這一強(qiáng)大而又與電氣專業(yè)聯(lián)系又十分密切的電子仿真軟件，我只能算得上是略窺一斑，以后的學(xué)習(xí)之路還很長，還要繼續(xù)加油！參考文獻(xiàn)1伍時(shí)和.數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社,0092康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）.北京:高等教育出版社,20063張新喜，許軍，王新忠，楊迎雨等. Multisim10電路仿真及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20104郭鎖利，劉延飛，李琪等. 基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與綜合應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，20125王冠華.Multisim 11電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京:國

16、防工業(yè)出版社,20106陳勇.實(shí)例講解Multisim10電路仿真.北京：人民郵電出版社，2010附錄1材料清單表1元件清單附錄2 重要芯片管腳圖和功能表1 74LS192計(jì)數(shù)器 圖14 74LS192的引腳圖及邏輯符號(hào)表2 74LS192的功能表輸入輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加計(jì)數(shù)011減計(jì)數(shù)2 74LS48譯碼器表3 74LS48的功能表十進(jìn)制輸入BI/RBO輸出LTRBIDCBAabcdefg0HH0000H11111101HX0001H01100002HX0010H11011013HX0011H11110014HX0100H01100115HX0101H10110116HX0110H00111117HX0111H11100008HX1000H11111119HX1001H111001110HX1010H000110111HX1011H001100112HX1100H010001113HX