籃球競賽30S計時器課設(shè)報告

..課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱：數(shù)字電路課程設(shè)計課程設(shè)計題目：籃球競賽30S計時器學(xué)院名稱：信息工程學(xué)院專業(yè)：通信工程______評分：教師：20年月日數(shù)字電路課程設(shè)計任務(wù)書2013－2014學(xué)年第1學(xué)期第2周－3周題目籃球競賽30S計時器內(nèi)容及要求〖基本要求〗1>具有顯示30S計時功能2>設(shè)置外部操作開關(guān),控制計數(shù)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)碼顯示器滅燈4>計時器為30S遞減計時,計時間隔為1S5>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〖主要參考元器〗：N綜合555<1>,74ls161<1>,74LSl92<2>進(jìn)度安排1.仿真、畫PCB線路板圖、領(lǐng)元器件：2天；2.制作、焊接：2天3．調(diào)試：3天4.驗收：1天5.提交報告：2013-2014學(xué)年第一學(xué)期3周學(xué)生__指導(dǎo)時間：第2～3周指導(dǎo)地點(diǎn)：E樓607室任務(wù)下達(dá)20XX9月7日任務(wù)完成20XX9月22日考核方式1.評閱□√2.答辯□√3.實際操作□√4.其它□指導(dǎo)教師系〔部主任注：1、此表一組一表二份,課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設(shè)計結(jié)束后與"課程設(shè)計小結(jié)"、"學(xué)生成績單"一并交院教務(wù)存檔。摘要籃球30s計時器是對實際籃球比賽中24s計時器的拓展,本課程設(shè)計的30s計時器主要由脈沖發(fā)生電路、時序控制電路、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器及報警電路構(gòu)成。采用30s倒計時的計時方式,功能完備,具有可直接置數(shù)、清零、暫停/繼續(xù)和報警的特點(diǎn)?？蓱?yīng)用于籃球比賽中對進(jìn)攻時間的計時控制及其他各種需要倒計時的場合進(jìn)行跟蹤計時。關(guān)鍵詞：時序；計數(shù)；譯碼目錄TOC\o"1-3"\h\u17627前言 127978第一章電路組成與工作原理 2323281.1籃球競賽30s計時器的系統(tǒng)組成2276191.2籃球競賽30s計時器的工作原理217156第二章單元電路設(shè)計與計算 363312.1秒脈沖發(fā)生電路354962.3譯碼電路4143472.4控制電路537452.4.1置數(shù)控制電路5301722.4.2清零控制電路5198092.4.3暫停/繼續(xù)控制電路6298552.5報警電路613617第三章電路調(diào)試與改進(jìn) 8208723.1秒脈沖發(fā)生電路的調(diào)試880753.2譯碼顯示電路的調(diào)試8217263.3控制電路的改進(jìn)932135第四章總結(jié) 1030100參考文獻(xiàn) 114993附錄一元件清單 1221229附錄二總電路圖 131728附錄三電路實物圖 147159附錄四電路PCB圖 15..前言信息社會的發(fā)展離不開電子產(chǎn)品的進(jìn)步,計時器就是工業(yè)發(fā)展道路上進(jìn)步的產(chǎn)物。計時器可以實現(xiàn)對某個功能電路作用時間的控制,在時間達(dá)到的時候產(chǎn)生報警信號?？芍脭?shù),還可暫停和啟動,工作時可以清零重新計時,功能多樣,是計時控制的重要工具。計時器在實際工作中用到的場合很多,它成為今天工業(yè)控制領(lǐng)域、通訊設(shè)備、信息處理中使用最廣泛的電路之一。在很多領(lǐng)域都需要幾個甚至上百個定時電路去控制多項操作,如數(shù)控電梯、數(shù)控機(jī)床、各種智能醫(yī)療器械等方面,實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動化,提高勞動生產(chǎn)率,最終促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在日常生活中也不乏計時器的身影,如體育比賽中的定時報警器、游戲中的倒時器、交通信號燈中的時間控制器等無一不是計時器的控制。在實際籃球比賽中規(guī)定一方持球的時間不得超過24s,計時器倒計時便可以達(dá)到在這24s內(nèi)對時間的控制,需要時可以暫停計時也可以及時繼續(xù)計時,當(dāng)一方持球超過24s時,計時器產(chǎn)生報警信號,新一輪的計時又可以清零置數(shù)開始倒計時。而籃球競賽30s計時器就是對實際籃球比賽計時器的模擬拓展,將24s改為30s,因此實現(xiàn)的功能與實際籃球比賽中的計時器功能一致。第一章電路組成與工作原理1.1籃球競賽30s計時器的系統(tǒng)組成籃球競賽30s計時器是對實際籃球競賽24s計時的拓展設(shè)計,置數(shù)后便可倒計時,計時過程中可暫停/繼續(xù)還可以清零,到倒計時為0時產(chǎn)生報警信號,完成一個功能計時周期。為實現(xiàn)以上功能,整個電路可分為脈沖發(fā)生電路、時序控制電路、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼顯示器及報警電路六個部分。減計數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器秒脈沖發(fā)生器減計數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示器秒脈沖發(fā)生器光電報警控制電路光電報警控制電路圖1.1原理框圖1.2籃球競賽30s計時器的工作原理計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分,計數(shù)器通過秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒信號實現(xiàn)計時功能,而控制電路控制計數(shù)器的置數(shù)、暫停、啟動和清零功能。當(dāng)按下置數(shù)開關(guān)時,計數(shù)器完成置數(shù),數(shù)碼管顯示"30"字樣并開始倒計時；當(dāng)?shù)褂嫊r為"00"時,發(fā)光二極管亮發(fā)生報警信號。在計時的過程中,按下暫停/繼續(xù)開關(guān)可切斷計數(shù)器與脈沖發(fā)生器的聯(lián)系使計數(shù)器停止計數(shù),從而實現(xiàn)計時的暫停,再次按下暫停/繼續(xù)開關(guān)便可繼續(xù)計時。計時過程中若有需要可以按下清零開關(guān)即可清零,再置數(shù)后可以達(dá)到重新計時的效果。第二章單元電路設(shè)計與計算2.1秒脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電路是計數(shù)器計數(shù)的前提,其主要作用是產(chǎn)生一個周期恒定的脈沖信號,本次設(shè)計將采用NE555定時器構(gòu)成一個較穩(wěn)定的多諧振蕩器。多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后,經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài),兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而從引腳3輸出一矩形波。圖2.1脈沖發(fā)生電路圖圖2.1所示是由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器,R1、R2和C2是外接元件。由于要產(chǎn)生周期為1s的脈沖信號,振蕩器的周期計算公式為T=0.7*〔R1+2*R2*C2〔1C2設(shè)為參數(shù)為10μF的電解電容,將R1與R2的阻值設(shè)為15kΩ和68kΩ,則振蕩器輸出脈沖信號的周期為1.0577s約為1s。2.2減計數(shù)電路該部分電路的主要功能是對之前產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù),使用兩片74LS192進(jìn)行設(shè)計,其主要功能如下表。表2—174LS192主要功能表MR操作××00置數(shù)↑110加計數(shù)1↑10減計數(shù)×××1清零注釋：為減計數(shù)時鐘輸入端〔上升沿有效為加計數(shù)時鐘輸入端〔上升沿有效為異步并行置數(shù)控制端〔低電平有效MR為異步清除端由于74LS192為十進(jìn)制計數(shù)器,置數(shù)端D3D2D1D0通過接高低電位可進(jìn)行其他置數(shù),故可將兩片74LS192構(gòu)成可預(yù)置數(shù)的三十進(jìn)制遞減計數(shù)器,計數(shù)器的十位接成三進(jìn)制,計數(shù)器的個位數(shù)接成十進(jìn)制。由表2—1可以看出,當(dāng)=1,MR=0,=1時,如果有時鐘脈沖加到端,則計數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加法計數(shù),當(dāng)計數(shù)到9時,進(jìn)位輸出端TCU端輸出進(jìn)位下降沿跳變脈沖；當(dāng)=1,MR=0,=1時,如果有時鐘脈沖加到端,則計數(shù)器在預(yù)置數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行減法計數(shù),當(dāng)計數(shù)到0時,借位輸出端TCD端輸出借位下降沿跳變脈沖。由此設(shè)計出三十進(jìn)制減法計數(shù)器,Q0-Q3分別接到對應(yīng)的譯碼器的輸入端,端接到秒脈沖發(fā)生器的脈沖輸出端。圖中預(yù)置數(shù)為N=<2>當(dāng)?shù)臀挥嫈?shù)器的借位輸出端TCD輸出借位脈沖時,高位計數(shù)器才開始進(jìn)行減法計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到高、低位計數(shù)器都為零時,高位計數(shù)器的借位輸出端TCD輸出借位脈沖,當(dāng)控制電路使置數(shù)端=0時,計數(shù)器置數(shù),在端輸入脈沖的作用下,進(jìn)行下一循環(huán)的減法計數(shù)。電路如圖2.2所示。圖2.2減計數(shù)電路2.3譯碼電路由于譯碼顯示選用的是共陰極數(shù)碼管,故采用4線—七段譯碼器74LS48。74LS48芯片是一種有內(nèi)部上拉電阻的常用的七段數(shù)碼管譯碼器/驅(qū)動器,常被使用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。當(dāng)要求輸出0—15時,消隱輸入應(yīng)為高電平或者開路,特別的,當(dāng)輸出為0時還要求脈沖消隱輸入為高電平或者開路,在實際電路設(shè)計中為使電路穩(wěn)定該端接高電平而不懸空。當(dāng)為低電平時,不論其它輸入端狀態(tài)如何,QA—QG均為低電平。根據(jù)這一特點(diǎn),在設(shè)計電路中,譯碼顯示時,使接高電平,而要達(dá)到清零后數(shù)碼管滅燈的要求便可在該端接一個反相器。撥動清零開關(guān)時高電平經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖捷斎氲蕉?則譯碼器輸出全為低電平,所接的共陰極數(shù)碼管則滅燈。具體電路如圖2.3所示,ABCD為譯碼地址輸入端。圖2.3譯碼顯示電路2.4控制電路控制電路決定整個設(shè)計中輔助功能的實現(xiàn),包括置數(shù)控制,清零控制以及暫停/繼續(xù)功能控制。為保證系統(tǒng)的設(shè)計要求,在控制電路設(shè)計中,正確處理各電路之間的時序關(guān)系是設(shè)計的關(guān)鍵。2.4.1置數(shù)控制電路可預(yù)置數(shù)主要在于控制74LS192芯片的置數(shù)端,由表2—1可知,為低電平有效輸入端,故當(dāng)在該端輸入低電平時,計數(shù)器重新置數(shù)。用一個B鍵實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行控制,當(dāng)計數(shù)器計數(shù)時,接高電位,而需要置數(shù)時,按下B鍵,則端接低電平即可置數(shù),B鍵彈開后,回到高電位,計數(shù)器又開始計數(shù)。圖2.4置數(shù)控制電路2.4.2清零控制電路直接清零功能添加在計數(shù)器模塊,由于74LS192的MR端具有清零的功能,由表2—1可看出當(dāng)MR接高電平時,計數(shù)器清零。實際電路中,使用一個單刀雙擲開關(guān),當(dāng)計數(shù)器正常計數(shù)時,單刀雙擲開關(guān)接地,即MR為低電平計數(shù),而單刀雙擲開關(guān)接高電平時,即MR為高電平,則計數(shù)器清零,同時高電平經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖捷斎胱g碼器,使譯碼器輸出全為低電平而使顯示數(shù)碼管滅燈。圖2.5清零控制電路2.4.3暫停/繼續(xù)控制電路要達(dá)到暫停/繼續(xù)的功能可通過對計數(shù)器輸入的脈沖輸送進(jìn)行控制。選用三輸入的與非門74LS10作為主控芯片,從555構(gòu)成的多諧振蕩電路的輸出端接至74LS10的輸入端1腳,當(dāng)計數(shù)器計數(shù)時,2和13腳接高電平,12腳輸出則隨1腳輸入的脈沖信號而變化,從而6腳的輸出即為從1腳輸入的脈沖信號,該信號輸入到74LS192,計數(shù)器計數(shù)。當(dāng)單刀雙擲開關(guān)接地,第一個與非門輸出高電位,從而第二個與非門的輸出保持低電平,無脈沖信號,計數(shù)器不計數(shù)實現(xiàn)暫停功能,當(dāng)開關(guān)置回高電平計數(shù)器則會繼續(xù)計數(shù)。圖2.6暫停/繼續(xù)控制電路2.5報警電路報警信號一般使用蜂鳴器發(fā)聲報警,由于該電路使用蜂鳴器實現(xiàn)報警會使電路變得復(fù)雜而不直觀,為簡化電路,采用發(fā)光二極管發(fā)出的光信號報警的方式設(shè)計電路。當(dāng)?shù)臀挥嫈?shù)器的借位輸出端TCD輸出借位脈沖,即74LS192計數(shù)器的個位遞減為"0"時,高位計數(shù)器才開始進(jìn)行減法計數(shù),當(dāng)高位也減為"0"時,根據(jù)74LS192芯片的功能可知該芯片的借位輸出端TCD為低電平有效,故高位計數(shù)器的TCD端輸出低電平。如圖2.7所示,發(fā)光二極管的負(fù)極接低電平,此時發(fā)光二極管亮,即可實現(xiàn)計數(shù)器倒計數(shù)到"00"時,發(fā)光二極管亮,發(fā)出光電報警信號。圖2.7報警電路第三章電路調(diào)試與改進(jìn)由于實際使用的芯片可能類型不同,各芯片之間的銜接存在一些問題,這對電路的最終功能的實現(xiàn)有著重要的影響,所以對電路的調(diào)試十分重要。本課題是設(shè)計一個計時器,故時基電路即脈沖信號發(fā)生電路在本設(shè)計中至關(guān)重要,而其他各部分電路的輔助控制電路決定著系統(tǒng)最終各項功能的實現(xiàn),這些都是調(diào)試的重點(diǎn)。3.1秒脈沖發(fā)生電路的調(diào)試通過555定時器、RC阻容件構(gòu)成的多諧振蕩器,C2為10μF的電解電容,R1為15kΩ,R2為68kΩ,振蕩器輸出脈沖信號的周期約為1秒。把555產(chǎn)生的信號接到示波器,應(yīng)用示波器的菜單功能查看該信號的周期,調(diào)節(jié)電位器使得輸出的信號的頻率為1Hz。觀察波形,發(fā)現(xiàn)過沖現(xiàn)象較為嚴(yán)重,干擾較多。檢查電路無誤,經(jīng)查閱資料,發(fā)現(xiàn)555定時器5腳懸空容易受到干擾。于是將555定時器5腳和GND之間接上一個100nF的電容。再次觀察波形,過沖現(xiàn)象消除,波形穩(wěn)定。圖3.1秒脈沖信號波形圖3.2譯碼顯示電路的調(diào)試電路焊接完畢檢測后,發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示燈太亮,判定是因為流入數(shù)碼管的電流過大的原因。查閱資料得知,數(shù)碼管的限流電阻可以在100Ω—10kΩ之內(nèi),為防止電流太大而燒壞數(shù)碼管,也不致使數(shù)碼管顯示過于暗淡,最終決定在每一個譯碼器輸出端與數(shù)碼管的輸入端之間接入200Ω的限流電阻。經(jīng)檢測,接入200Ω的限流電阻后,數(shù)碼管的亮度有明顯減弱,亮度適中。3.3控制電路的改進(jìn)在置數(shù)功能電路設(shè)計中,原先選用的單刀雙擲開關(guān),置數(shù)時,單刀雙擲開關(guān)接低電平實現(xiàn)置數(shù)功能,要開始計數(shù)還得把開關(guān)撥回接高電平狀態(tài),這樣使用不方便,改進(jìn)電路中使用了一個B鍵代替單刀雙擲開關(guān)。當(dāng)按下B鍵,74LS192的端接低電平置數(shù),松開手則回到高電平狀態(tài),計數(shù)器開始計數(shù)。電路改進(jìn)后,置數(shù)后計數(shù)只需一個動作即可完成,方便使用者重新置數(shù)。焊接好的電路暫停/繼續(xù)功能存在較大問題,暫停計時的狀態(tài)與繼續(xù)計時的狀態(tài)不連續(xù)會產(chǎn)生跳變。當(dāng)暫停/繼續(xù)開關(guān)接地時,計數(shù)器暫停,但當(dāng)開關(guān)重新接回高電位時,計時器不從原先暫停的時間繼續(xù),如在"24"秒時暫停,計時器可能從"20"秒繼續(xù)計時。經(jīng)分析,產(chǎn)生該問題的原因可能是因為撥動開關(guān)時的抖動給電路帶來影響,使信號發(fā)生了多次翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致計時不連續(xù)。為了消除開關(guān)處的抖動,提出了兩個方案。方案一是在單刀雙擲的中端與它的連接端接入一個斯密特觸發(fā)器,經(jīng)檢測該方案效果不明顯。方案二是在單刀雙擲開關(guān)的兩極各并聯(lián)了一個10nF的電容,經(jīng)檢測,改進(jìn)后的電路有了明顯的改善,繼續(xù)計時后不連續(xù)計時的情況的概率降低了。最終采用了方案二對按鍵進(jìn)行消抖。第四章總結(jié)本設(shè)計主要通過模塊化思想,逐步設(shè)計所需達(dá)到的功能電路。根據(jù)實驗結(jié)果,本設(shè)計方案完成了設(shè)計的基本