數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計籃球30秒計時器設(shè)計

1、河南理工大學數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計題 目：籃球競賽30秒計時器設(shè)計學 號：姓 名：許慧芳班 級：通信11-3班2022年5月1日摘要本課程設(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)斷點計時功能，當計時器遞減到零時，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

2、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。此電路是以時鐘產(chǎn)生，觸發(fā)，倒計時計數(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目錄摘要2前言3第一章 計數(shù)器概述 41.1 計時器的特點及應(yīng)用 41.2 設(shè)計任務(wù)及要求 4 基本要求4 設(shè)計任務(wù)及目標4 主要參考器件4第二章 電路設(shè)計原理52.1電路組成52.2 設(shè)計思路52.3 設(shè)計方案5第三章 單元模塊 63.1秒脈沖發(fā)生器6 3.11計時器的基本原理6秒脈沖發(fā)生器電路設(shè)計73.2 8421BCD碼遞減計數(shù)器模塊73.2.1 74LS192的工作原理8計數(shù)器單元電路83.

3、3譯碼顯示器874LS48七段顯示譯碼器83.4輔助控制電路9報警電路9暫停工作電路9置數(shù)工作電路10清零工作電路10總電路11第四章 總結(jié)11參考文獻12第一章 計時器概述1.1計時器的特點及應(yīng)用 計時器的種類很多。按構(gòu)成計時器的各觸發(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，可以分為二進制、十進制和任意進制計時器。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

4、使用這些器件。1.2 設(shè)計任務(wù)及要求基本要求：（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。 設(shè)計任務(wù)及目標： （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）進行電路的裝接、調(diào)試，直到電路能達到規(guī)定的設(shè)計要求；（4）寫出完整、詳細的課程設(shè)計報告。 主要參考器件： NE555 74LS192 74LS48第二章 電路設(shè)計原理

5、2.1電路組成30秒計時器的總體參考方案框圖如圖2-1所示。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)器譯碼顯示控制電路報警電路外部操作開關(guān)圖2-1 30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準，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。2.2設(shè)計思路定時電路主要由振蕩器和計

6、數(shù)器組成。該電路設(shè)計思路如下：1設(shè)計一個秒脈沖發(fā)生器，這里采用555定時器來產(chǎn)生這個計時脈沖。2設(shè)計30秒遞減計時電路，由秒脈沖發(fā)生器控制其計數(shù)，每隔1秒鐘，計數(shù)器減1。3設(shè)計譯碼顯示電路，顯示器能顯示計數(shù)器的即時計數(shù)數(shù)值。4設(shè)計報警電路，當計數(shù)器遞減計時到零時（即定時時間到，顯示器上顯示00），發(fā)出報警信號。5設(shè)計外部操作開關(guān)控制計時器的直接清零、啟動和暫停/連續(xù)計時。23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

7、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；當啟動開關(guān)斷開時，計數(shù)器開始計數(shù)；當暫停連續(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)。第三章 單元模塊根據(jù)設(shè)計思路和原理框圖，對各個單元電路進行分析，逐次設(shè)計出各個單元電路。3.1秒脈沖發(fā)生器555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。3.1.1 555定時器電路的基本原理圖3.2 555定時器邏輯符號和引腳圖3.1 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)由3.1圖可以看出，555內(nèi)部結(jié)構(gòu)包

8、括兩個電壓比較器C1和C2，一個基本RS觸發(fā)器和一個集電極開路的放電三極管TD三部分構(gòu)成。VI1是比較器C1的反相輸入端，也稱閾值端，用TH表示。VI2是比較器C2的同相輸入端，也稱觸發(fā)端，用TR表示。VR1和VR2是C1和C2的基準電壓，VCO是控制電壓輸入端，當VCO懸空時，VR1=2/3VCC，VR2= 1/3VCC。若VCO接固定電壓時，VR1=VCO， VR2=1/2VCO 。/RD是清零端，當/RD=0時，VO=0；當/RD=1時，電路處于工作狀態(tài)。555定時器的邏輯功能主要取決于比較器C1、C2的工作狀態(tài)，分析如下，在無外加控制電壓VCO的情況下：1、當VI1>VR1，VI

9、2>VR2時，比較器輸出VCl=0，VC2=1，觸發(fā)器置0，使得定時器輸出VO=0，同時TD導(dǎo)通。2、當VI1<VR1，VI2<VR2時，比較器輸出VC1=1，VC2=0，觸發(fā)器置1，使得定時器輸出VO=1，同時TD截止。3、當VI1<VR1；VI2>VR2時，比較器輸出VCl=1，VC2=1，觸發(fā)器維持原狀態(tài)不變。根據(jù)以上分析，可得到555集成定時器功能狀態(tài)表，如表3.1所示。表3.1 555定時器控制功能表輸 入輸 出THVODis×<VCC<VCC>VCC×<VCC>VCC×LHHHLH不變L導(dǎo)通截

10、止不變導(dǎo)通為了提高電路的負載能力，在輸出端接緩沖器G4。TD與/R接成的反相輸出端VO與VO在高、低電平狀態(tài)上完全相同。秒脈沖發(fā)生器電路設(shè)計555定時器是一種電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便靈活、用途廣泛的多功能電路， 可產(chǎn)生各種脈沖,為了給計數(shù)器74LS192提供一個時序脈沖信號,使其進行減計數(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3.3示.其中555管腳圖如上圖3.2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(R1+2R2)C 。 3.2 8421BCD碼遞減計數(shù)器模塊計數(shù)器選用中規(guī)模集成電路74LS192進行設(shè)計，74LS192是

11、十進制可編程同步加/減計數(shù)器，它采用8421碼二一十進制編碼，并具有直接清零、置數(shù)、加/減計數(shù)功能。3.2.1 74LS192的工作原理當/LD= 1，CR=0時，若時鐘脈沖加入到CPu端，且CPd=l則計數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基礎(chǔ)上完成加計數(shù)功能，當加計數(shù)到9時，/CO端發(fā)出進位下跳變脈沖；若時鐘脈沖加入到端CPd，且CPu=1，則計數(shù)器在預(yù)置數(shù)基礎(chǔ)上完成減計數(shù)功能，當計數(shù)減到0時，/BO端發(fā)出借位跳變脈沖。由74LS192構(gòu)成的三十進制遞減計數(shù)器如圖3.4所示。圖3.4 三十進制遞減計數(shù)器3.2.2計數(shù)器單元電路74LS192的計數(shù)原理是：只有當借位/BO1端發(fā)出借位脈沖時，高位計數(shù)器才作減計數(shù)。

12、當高、低位計數(shù)器處于全零，且CPd為0時，置數(shù)/LD2端等于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)器再次進入下一循環(huán)減計數(shù)。計數(shù)器單元電路如圖3.5所示。3.5 計數(shù)器單元電路3.3 譯碼顯示電路此模塊主要是由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。74LS48七段顯示譯碼器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：低電平有效。當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；動態(tài)滅零輸入端：低電平有效。當1、0、

13、且譯碼輸入為0時，該位輸出不顯示，即0字被熄滅；當譯碼輸入不全為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；3.4 輔助控制電路為了保證系統(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。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“清零”開關(guān)，要求計數(shù)器清零；閉合啟動，減計時器進入計數(shù)狀態(tài)。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)器開始進行遞減計數(shù)。當 “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

14、原來的數(shù)不“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)。 報警電路報警電路用二極管設(shè)計。報警電路如圖3.8所示。圖3.9 光電報警電路圖3.8 報警電路當計數(shù)到零時,兩計數(shù)器借位端輸出多為低（0）,故本設(shè)計將高位片借位反饋到二極管負極性端,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,端輸出為高（1）,二極管不報警.同時應(yīng)注意的是，如圖可以知道兩個與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器，構(gòu)成去抖動電路，防止產(chǎn)生機械開關(guān)的毛刺現(xiàn)象，并控制輸入信號的輸入從而達到，暫停計時和繼續(xù)計時?？刂齐娐分蠸R鎖存器功能表：SRQQ鎖存器狀態(tài)00不變不變不確定0101

15、0101011100 保持接74LS192 的預(yù)置數(shù)控制端, 當開關(guān)合上時, =0,74LS192 進行置數(shù); 當斷開時, =1,74LS192 處于計數(shù)工作狀態(tài), 從而實現(xiàn)功能的要求，當然本設(shè)計只要將啟動信號直接加到置數(shù)端。圖3.9是時鐘脈沖信號CP 的控制電路,控制CP 的放行與禁止。當定時時間未到時,74LS192 的借位輸出信號路,=1, 則CP 信號受 “暫停/ 連續(xù)” 開關(guān)的控制, 當處于“暫?！蔽恢脮r,門輸出0, 門關(guān)閉, 封鎖CP 信號, 計數(shù)器暫停計數(shù); 當處于 “連續(xù)”位置時, 門輸出1, 門打開, 放行CP 信號, 計數(shù)器在CP 作用下, 繼續(xù)累計計數(shù)。3.4.3 置數(shù)/

16、工作電路由于置數(shù)為“30”，所以要將高、低電平加在兩片74LS192組成的30進制計數(shù)器的輸入端D、C、B、A的相應(yīng)端。第一片74LS192的DC端接高電平，BA端接低電平；第二片74LS192的四個輸入端均接低電平；兩片74LS192的/LOAD端均接高電平。當開關(guān)閉合時，計數(shù)器置數(shù)，數(shù)碼管顯示“30”字樣；當開關(guān)斷開時，計數(shù)器開始進行計數(shù)。3.4.4 清零/工作電路清零/工作電路由單刀雙擲開關(guān)與電阻組成。當開關(guān)打到清零端，即接高電平時，輸出高電平至74192的CLR端，計數(shù)器清零；當開關(guān)打到工作端，即接地，輸出低電平至74192的CLR端，清零端無效，計數(shù)器處在工作狀態(tài)。第四章總結(jié)心得體會通過本次課程，使我所學的理論在實踐中得到檢驗，使我對專業(yè)理論的掌握更加深刻。每次的問題，經(jīng)過我們共同的努力，都或多或少的得到了解決，通過這些問題的解決使自己處理實際問題的能力進一步提高，讓自己充分認識到了理論與實際之間的差別。身為自動化專業(yè)的學生，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。整個過程都需要我充分利用所學的知識進行思考、借鑒。通過此次電路設(shè)計，我加深了對課本知識的認識理解，對電路設(shè)計方法也有了一定的初步認識，更加深了我對本