籃球競(jìng)賽24秒計(jì)時(shí)器數(shù)電課程設(shè)計(jì).doc

數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書課題名稱：籃球競(jìng)賽24秒計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)：電氣1202班指導(dǎo)老師：胡新晚姓 名：曾瑞琪 計(jì)數(shù)器概述籃球競(jìng)賽24秒計(jì)時(shí)器功能 隨著信息時(shí)代的到來，電子技術(shù)在社會(huì)生活中發(fā)揮這越來越重要的作用，運(yùn)用模電和數(shù)電知識(shí)設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品成為社會(huì)生活中不可缺少的一部分，特別是在各種競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中，定時(shí)器成為檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的一個(gè)重要工具。在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時(shí)間不能超過24秒，否則就犯規(guī)了。本課程設(shè)計(jì)的“籃球競(jìng)賽24秒計(jì)時(shí)器”可用于籃球比賽中，用于對(duì)球員持球時(shí)間24秒限制。一旦球員的持球時(shí)間超過了24秒，它就自動(dòng)報(bào)警從而判定此球員的犯規(guī)。 本設(shè)計(jì)只要完成：顯示24秒倒計(jì)時(shí)功能：系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計(jì)時(shí)器的直接清零、啟動(dòng)、暫停、連續(xù)功能；在直接清零時(shí)，數(shù)碼管顯示器滅燈，計(jì)時(shí)器為24秒遞減計(jì)時(shí)其計(jì)時(shí)間間隔為1秒，計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，數(shù)碼管顯示器不滅燈，同時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)等。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求基本要求（1）顯示24秒計(jì)時(shí)功能。（2）設(shè)置外部操作開關(guān)控制計(jì)時(shí)器直接清零、啟動(dòng)、暫停/連續(xù)功能。（3）計(jì)時(shí)器為24秒遞減計(jì)時(shí)器，其計(jì)時(shí)間隔為1秒。（4遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，顯示器不能滅燈，同時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)。設(shè)計(jì)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(jì)要求；（4）寫出完整、詳細(xì)的課程設(shè)計(jì)報(bào)告主要參考器件 555 晶體定時(shí)器 74 LS00 74LS48譯碼器 74LS192十進(jìn)制可編程同步加鎖計(jì)數(shù)器 電路設(shè)計(jì)原理與單元模塊設(shè)計(jì)原理 24秒計(jì)時(shí)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(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、報(bào)警電路和輔助時(shí)序控制電路等五個(gè)模塊組成。其中計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。計(jì)數(shù)器完成24秒計(jì)時(shí)功能.而控制電路完成計(jì)數(shù)器的直接清零、啟動(dòng)計(jì)數(shù)、暫停/連續(xù)計(jì)數(shù);譯碼顯示電路的顯示與滅燈、定時(shí)時(shí)間到啟動(dòng)報(bào)警等功能。 圖2-1 24秒計(jì)時(shí)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)是電路的時(shí)鐘脈沖和定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，但是設(shè)計(jì)對(duì)此信號(hào)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其構(gòu)成。譯碼顯示電路由74LS48(譯碼器)和共陰極七段LED顯示器組成。報(bào)警電路在試驗(yàn)中可用發(fā)光二極管與蜂鳴器代替。設(shè)計(jì)方案在本設(shè)計(jì)中，首先設(shè)計(jì)好24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)樗鳛楸驹O(shè)計(jì)的核心部分，是設(shè)計(jì)的最主要的一部分。在此次設(shè)計(jì)中，我們選擇74LS192進(jìn)行24進(jìn)制同步減法計(jì)數(shù)。同時(shí)選擇74LS48作為BCD碼譯碼器來對(duì)7段數(shù)碼顯示管進(jìn)行譯碼驅(qū)動(dòng)，選擇兩個(gè)七段數(shù)碼顯示管進(jìn)行顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本課程設(shè)計(jì)采用555計(jì)時(shí)器制成的多諧振蕩器，來進(jìn)行秒脈沖的輸入。在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲覀冃枰獙?duì)其進(jìn)行暫停、清零、報(bào)警等控制，所以我們使用了三個(gè)開關(guān)來控制計(jì)數(shù)器的各功能的實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了各種功能的實(shí)現(xiàn)。各單元電路的設(shè)計(jì)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制遞減功能，所以本設(shè)計(jì)采用十進(jìn)制同步減法計(jì)數(shù)，因此使用74LS192來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS192引腳排列及邏輯符號(hào)如圖2.3.1（a）、（b）所示，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。（a）引腳排列 (b) 邏輯符號(hào)圖2.3.1 74LS192的引腳排列及邏輯符號(hào)圖中：為置數(shù)端，為加計(jì)數(shù)端，為減計(jì)數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端，為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。其功能表如下圖2.3.2所示： 輸入 輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011 加計(jì)數(shù)011 減計(jì)數(shù)圖2.3.2 74LS192的功能表在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)槲覀円獙?shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)功能，所以我們首先應(yīng)該對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行置數(shù)，由于（24）10=（00100100）8421BCD所以要先對(duì)741192兩芯片進(jìn)行置數(shù)，令第一塊集成塊的置數(shù)端Q3Q2Q1Q0=0010，令第二塊的為Q3Q2Q1Q0=0100。把 第二塊芯片的借位端 與第一塊芯片的脈沖輸入端相連，從而進(jìn)行實(shí)現(xiàn)借位功能。數(shù)碼顯示譯碼器的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我使用74LS48譯碼器來驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼顯示管， 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動(dòng)器，常用在各種數(shù)字電路和系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中，下面我就給大家介紹一下這個(gè)元件的一些參數(shù)與應(yīng)用技術(shù)等資料。74LS48的引腳圖和功能表分別如圖2.3.3和表2.3.1所示。 圖2.3.3表2.3.1 74LS48的功能表輸入輸出字形數(shù)字LTRBID C B ABI/RBOa b c d e f g012345678911111111111XXXXXXXXX0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 111111111111 1 1 1 1 1 01 1 0 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 11 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 10123456789消隱脈沖消隱燈測(cè)試X10X0XXXXX0 0 0 0XXXX0010 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 18七短數(shù)碼顯示管的引腳圖如圖2.3.4所示，其中3腳和8腳相連為公共端，在電路中接地，6腳為小數(shù)點(diǎn)引腳，設(shè)計(jì)中不需要對(duì)其處理。圖2.3.4七短數(shù)碼顯示管的引腳圖秒脈沖的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本電路需要產(chǎn)生間隔為一秒的時(shí)間脈沖，完成正確的計(jì)數(shù)功能。所以選擇555定時(shí)器來設(shè)計(jì)此模塊。從而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖。1器件特性555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號(hào)產(chǎn)生與變換電路。它在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、定時(shí)電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用。圖2.3.5 (a)雙極性型5G555的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)單位參數(shù)電源電壓VCCV516電源電流ICCmA10閾值電壓VTHVVCC觸發(fā)電壓VTRVVCC輸出低電平VOLV1輸出高電平VOHV13.3最大輸出電流IOMAXmA200最高振蕩頻率fMAXKHz300時(shí)間誤差tnS5 VTH即Vi1 ,VTR即Vi2 。 (b) CMOS型7555的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)單位參數(shù)電源電壓VCCV318電源電流ICCA60閾值電壓VTHVVDD觸發(fā)電壓VTRVVDD輸出低電平VV0.1輸出高電平VV14.8最大輸出電流IOMAXmA200最高振蕩頻率fMAXKHz500時(shí)間誤差tnS集成555定時(shí)器有雙極性型和CMOS型兩種產(chǎn)品。一般雙極性型產(chǎn)品型號(hào)的最后三位數(shù)都是555，CMOS型產(chǎn)品型號(hào)的最后四位數(shù)都是7555.它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。器件電源電壓推薦為4512V，最大輸出電流200mA以內(nèi)，并能與TTL、CMOS邏輯電平相兼容。其主要參數(shù)見圖2.3.5圖2.2.7 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.6 555定時(shí)器邏輯符號(hào)和引腳555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號(hào)和管腳排列分別如圖2.3.6和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3.7所示。引腳功能：Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡(jiǎn)稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。Vi2（）：低電平觸發(fā)端，簡(jiǎn)稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為。VCO：控制電壓端。VO：輸出端。Dis：放電端。：復(fù)位端。555定時(shí)器內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生VCC和VCC兩個(gè)基準(zhǔn)電壓；兩個(gè)電壓比較器C1、C2；一個(gè)由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器的端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。分析圖2.2.3.1的電路：在555定時(shí)器的VCC端和地之間加上電壓，并讓VCO懸空，則比較器C1的同相輸入端接參考電壓VCC，比較器C2反相輸入端接參考電壓VCC ，為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定：當(dāng)TH端的電壓VCC時(shí)，寫為VTH=1，當(dāng)TH端的電壓VCC時(shí)，寫為VTR=1，當(dāng)端的電壓VCC時(shí)，寫為VTR=0。低觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓Vi2VCC 且Vi1VCC 且Vi1VCC，則VTR=1，VTH=0，=1，基本RS觸發(fā)器保持，VO和T狀態(tài)不變，這時(shí)稱555定時(shí)器“保持”。表2.2.2 555定時(shí)器控制功能表輸 入輸 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不變L導(dǎo)通截止不變導(dǎo)通高觸發(fā)：若Vi1VCC，則VTH=1，比較器C1輸出為低電平，無論C2輸出何種電平，基本RS觸發(fā)器因=0，使1，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO0；T導(dǎo)通。這時(shí)稱555定時(shí)器“高觸發(fā)”。VCO為控制電壓端，在VCO端加入電壓，可改變兩比較器C1、C2的參考電壓。正常工作時(shí)，要在VCO和地之間接001F（電容量標(biāo)記為103）電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開路輸出。555定時(shí)器的控制功能說明見表2.2.2根據(jù)555定時(shí)器的控制功能，可以制成各種不同的脈沖信號(hào)產(chǎn)生與處理電路電路，例如,史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、自激多諧振蕩器等。在此次設(shè)計(jì)中，采用多諧振蕩器來設(shè)計(jì)。2自激多諧振蕩器圖2.3.8所示為自激多諧振蕩器電路和波形圖。自激多諧振蕩器用于產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號(hào)。電路采用電阻、電容組成RC定時(shí)電路，用于設(shè)定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)RW或電容C，可得到不同的時(shí)間常數(shù)；還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出。脈沖寬度計(jì)算公式：Tw1=0.7 (R1 +R2) C Tw2=0.7R2 C振蕩周期計(jì)算公式：T=0.7 (R1 +2R2) C1s圖2.3.8分析方法與單穩(wěn)態(tài)電路相似，但電容器C的充電電阻是R1 +R2 ，放電電阻是R2 。當(dāng)VC是低電平時(shí)，555定時(shí)器低觸發(fā)，VO為高電平，放電管T截止，電容器經(jīng)（R1 +R2）充電，當(dāng)充電至VC=VTHVCC時(shí)，電路高觸發(fā)，輸出VO變?yōu)榈碗娖?，放電管T導(dǎo)通，電容器經(jīng)R2放電，當(dāng)放電至VC=VTRVCC時(shí)，電路又進(jìn)入低觸發(fā)，VO變?yōu)楦唠娖?，如此周而?fù)始，循環(huán)不止，輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。各控制開關(guān)的設(shè)計(jì)啟動(dòng)、暫停、清零功能的設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)的要求，要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的暫停、復(fù)位和啟動(dòng)控制，所以需要設(shè)計(jì)三個(gè)開關(guān)來控制電路，對(duì)于啟動(dòng)和清零開關(guān)而言，我們只需設(shè)計(jì)一個(gè)以電平的高低來控制的按鍵開關(guān)即可，把開關(guān)一端接地，另一端通過一電阻接電源，其中啟動(dòng)開關(guān)和74192的11腳相連，而清零開關(guān)與74192的14腳相連即可。在這里，主要介紹暫停開關(guān)的設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?shí)際使用時(shí)開關(guān)會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象，所以我用基本RS觸發(fā)器來設(shè)計(jì)暫停開關(guān)相連，用來消除抖動(dòng)。基本RS觸發(fā)器如圖2.3.9為由兩個(gè)與非門交叉耦合構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器，它是無時(shí)鐘控制低電平直接觸發(fā)的觸發(fā)器。基本RS觸發(fā)器具有置“0”、置“1”和保持三種功能。通常稱為置“1”端，因?yàn)?=0時(shí)觸發(fā)器被置“1”；為置“0”端，因?yàn)?0時(shí)觸發(fā)器被置“0”。當(dāng)=1時(shí)狀態(tài)保持，當(dāng)=0時(shí)為不定狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)避免這種狀態(tài)。 圖2.3.9 二與非門組成的基本RS觸發(fā)器（a）邏輯圖 (b) 邏輯符號(hào)基本RS觸發(fā)器的邏輯符號(hào)見圖2.3.9 (b)，二輸入端的邊框外側(cè)都畫有小圓圈，這是因?yàn)橹?與置0都是低電平有效。輸入74192的時(shí)鐘脈沖由下圖2.3.10所示電路輸出接到74LS192的CPD腳。還有一端輸入由借位信號(hào)輸入。 圖2.3.10由于元器件限制，本設(shè)計(jì)中所使用的2進(jìn)1出和3進(jìn)1出的與非門均由集成芯片代替，其中2進(jìn)1出芯片為74LS00，3進(jìn)1出為74LS10，由于芯片很簡(jiǎn)單，所以沒有過多介紹。以下圖2.3.11為兩芯片的引腳圖。圖2.3.11總電路設(shè)計(jì)仿真圖各控制開關(guān)的使用功能電路圖如上圖所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要達(dá)到清零、暫停、復(fù)位和報(bào)警功能，所以在此設(shè)計(jì)中，使用了三個(gè)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)各功能。電路通過開關(guān)S1來控制電路的啟動(dòng)和復(fù)位功能，它通過接高低電平輸入74192的預(yù)置端11腳來控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和復(fù)位。開關(guān)S2控制計(jì)數(shù)器的清零功能，它通過輸入高低電平的輸入74192的14腳CR清除端來實(shí)現(xiàn)清零功能。而S3則通過加高低電平來實(shí)現(xiàn)基本RS觸發(fā)器，從而控制計(jì)數(shù)器的暫停和連續(xù)功能。 結(jié)論本設(shè)計(jì)主要通過模塊化思想，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需達(dá)到的功能要求；時(shí)鐘模塊為減計(jì)數(shù)提供一個(gè)頻率為1HZ的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)間隔為1秒鐘；計(jì)數(shù)、譯碼顯示模塊主要是為了達(dá)到能顯示減計(jì)數(shù)功能；報(bào)警模塊是為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)減計(jì)數(shù)到零時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)；控制模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器的啟動(dòng)、直接清零和暫停/連續(xù)功能，其中在直接清零時(shí)。由外控制開關(guān)控制譯碼器消隱端，從而可以實(shí)現(xiàn)顯示譯碼器滅燈，通過暫停/連續(xù)開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)斷定計(jì)時(shí)功能。至此，本設(shè)計(jì)完成所有任務(wù)及要求。此次電子線路課程設(shè)計(jì)讓我獲益匪淺，使我嘗到了將所學(xué)的知識(shí)用于實(shí)踐的喜悅和成就感。此課程設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)制作的籃球競(jìng)賽24秒計(jì)時(shí)器是一個(gè)實(shí)用性設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)的成不僅為所學(xué)的專業(yè)課程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了我們對(duì)分析與解決問題的能力，也在研究與電子愛好追求上做了一個(gè)很