桂電S籃球計數(shù)器論文

1、編號： 課程設(shè)計報告書 課 題： 具有數(shù)字顯示的籃 球競賽30S計時器 院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 þ工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)2012年12月30日目錄緒 論21 設(shè)計任務(wù)31.1設(shè)計任務(wù)與要求31.2 設(shè)計方案比較41.3 基本設(shè)計原理43 電路設(shè)計原理及其設(shè)計過程53.1系統(tǒng)組成53.2 555振蕩電路53.3 74LS48譯碼電路83.4 74LS192計數(shù)電路113.5 報警電路設(shè)計134電路仿真與調(diào)試144.1電路仿真144.2電路制作和

2、調(diào)試155心得體會16參考文獻17附錄1 系統(tǒng)原理圖18附錄2 系統(tǒng)PCB圖19附錄3 元器件明細(xì)表20 摘 要 籃球比賽及運動在人們的日常生活中越來越普遍，在籃球比賽中球員的持球時間不能超過30秒，否則就犯規(guī)了，因而在籃球比賽中的倒計時的要求也越來越精確。本課程設(shè)計主要針對籃球競賽中的30s倒計時而設(shè)計,主要分為五個基本模塊構(gòu)成：脈沖發(fā)生模塊、計數(shù)模塊、譯碼顯示電路、控制電路和報警電路，脈沖發(fā)生模塊采用555 作為振蕩電路, 計時電路則由74LS192、74LS48 和七段共陰LED 數(shù)碼管構(gòu)成, 控制電路由若干邏輯門門元件和開關(guān)構(gòu)成，直接控制籃球計數(shù)器定時、啟動、暫停/繼續(xù)、清零等功能。當(dāng)

3、控制電路的置數(shù)開關(guān)閉合時，在數(shù)碼管上顯示數(shù)字為所設(shè)定的數(shù)值，每當(dāng)一個秒脈信號輸入到計數(shù)器時，數(shù)碼管上的數(shù)字就會自動減1，當(dāng)計時器遞減到7時，發(fā)出預(yù)告信號，當(dāng)計時器遞減到0時，報警電路發(fā)出報警信號并停止計數(shù)。整個課程設(shè)計，在網(wǎng)上及圖書館查閱了大量資料，進行了多個方案比較。首先在Proteus仿真軟件下實現(xiàn)了仿真實驗；之后，在實驗室完成整個電路的連接與功能測試，得到了預(yù)期的結(jié)果。關(guān)鍵詞：計數(shù)器；30秒倒計； 譯碼顯示電路； 控制電路 ；報警電路緒 論電子技術(shù)課程設(shè)計是數(shù)字電子技術(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)。 本課程設(shè)計是脈沖數(shù)字電

4、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(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實用價值。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

5、路兩個部分。1 設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計任務(wù)與要求1設(shè)計一個籃球競賽30S進攻時間限制計時器。2性能指標(biāo)要求： （1）工作時間可在130S內(nèi)任意設(shè)定。（2）30S計時器是遞減計時器，間隔為1S。能用LED數(shù)碼管顯示剩余工作時間，還能顯示到1/10秒。即當(dāng)計時開始時顯示出所設(shè)定的總時間，每當(dāng)計時10個1/10S，顯示器的數(shù)字立即減1。（3）減1計時到7S時，發(fā)出三聲低音預(yù)告信號。 (4) 減1計時到零時(工作時間到)，發(fā)出三聲高聲，并自動停止計時。 (5) 具有暫停/繼續(xù)工作、清零復(fù)位和啟動計時功能。3.設(shè)計與測試按任務(wù)要求，設(shè)計電路，計算參數(shù)，選擇元器件。根據(jù)所設(shè)計的電路和所選擇的元器件制板，焊接安

6、裝電路，并按照調(diào)試步驟進行調(diào)試。逐步排除故障最終達到設(shè)計要求4.成果要求(1)課程設(shè)計說明書一本。要求：內(nèi)容完整，圖表完備，字跡工整，條理清晰，分析有據(jù)(2)計算機圖紙兩張（原理圖和PCB圖）要求：布局合理，清晰完整，圖形大小合適，圖形和符號要規(guī)范。(3)所用元器件清單，(4)電路仿真和實體套。1.2 設(shè)計方案比較本次課程設(shè)計為兩個人一組，在做實驗的前期我們主要做的工作是網(wǎng)上搜集資料，比較各種設(shè)計方案的優(yōu)劣，然后進行綜合，采取最優(yōu)方案。 方案一：用555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為10Hz的脈沖，即輸出周期為0.1秒的方波，再將該脈沖信號加到由74LS192構(gòu)即周期為1秒，接

7、著將該信號送到計數(shù)器74LS192的CP減計數(shù)脈沖端,再通過譯碼器74LS48把輸入的8421BCD碼經(jīng)過內(nèi)部作和電路“翻譯”成七段（a，b，c，d，e，f，g）輸出，然后直接推成的十分頻器上，這樣由74LS161后輸出的脈沖頻率為1Hz，動LED，顯示十進制數(shù)，然后在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置開關(guān)或控制電路即可實現(xiàn)計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能，光電報警用發(fā)光二極管來代替，燈亮代表報警。 方案二： 用555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖，即輸出周期為1秒的方波，再將該脈沖信號送到74LS192計數(shù)器的CP減計數(shù)脈沖端,再

8、通過譯碼器74LS48把輸入的8421BCD碼經(jīng)過內(nèi)部作和電路“翻譯”成七段（a，b，c，d，e，f，g）輸出，然后直接推成的十分頻器上，推動LED顯示十進制數(shù)，然后在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置開關(guān)或控制電路即可實現(xiàn)計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能，光電報警用發(fā)光二極管來代替，燈亮代表報警。 方案選擇：通過原理分析和仿真實驗等步驟比較后，采用方案一，更簡潔、方便、易于實現(xiàn)和各個功能。1.3 基本設(shè)計原理82421BCD碼30進制數(shù)遞減計數(shù)器是由74LS192構(gòu)成的。30進制數(shù)遞減計數(shù)器的預(yù)置數(shù)為N=（0011 0000）8421BCD=（30）D。它的

9、計數(shù)原理是，每當(dāng)?shù)臀挥嫈?shù)器的BO端發(fā)出負(fù)跳變借位脈沖時，高位計數(shù)器減1計數(shù)。當(dāng)高、低位計數(shù)器處于全0，同時在CP=0的期間，高位計數(shù)器BO=LD=0，計數(shù)器完成異步置數(shù)，之后BO=LD=1，計數(shù)器在CP時鐘脈沖作用下，進入下一輪減計數(shù)。 輔助時序控制電路，由與非門電路控制時鐘信號CP的放行與禁止。本實驗設(shè)計要求最小計時間隔要為1/10s，所以其脈沖頻率要為10Hz，則555時鐘脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號為10Hz。令電容C1為0.01uF，由555振蕩電路公式 ，可令C=1uFR1=51K、R2=47K,則10Hz的脈沖信號經(jīng)一個十進制的計數(shù)器后輸出的頻率為1Hz。3 電路設(shè)計原理及其設(shè)計過程3

10、.1系統(tǒng)組成該系統(tǒng)主要包括秒脈沖發(fā)生電路、計數(shù)電路、數(shù)碼顯示電路、報警電路和控制電路5個部分構(gòu)成。秒脈沖發(fā)生器是由555定時器構(gòu)成，計數(shù)電路則由計數(shù)器組成，控制電路是由各外部操作開關(guān)組成，。其設(shè)計原理構(gòu)圖如下：電路五部分組成, 如圖3-1所示。圖3-1 參考原理構(gòu)圖3.2 555振蕩電路產(chǎn)生的信號是電路的時序脈沖和定時標(biāo)準(zhǔn)，但本設(shè)計對此信號的要求并不是太高，所以電路可以采用555集成電路構(gòu)成。用555集成電路組成多諧振蕩電路為系統(tǒng)提供時鐘。集成時基電路又稱為集成定時器或555電路，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，應(yīng)用十分廣泛。它是一種產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號的電路，由于內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使

11、用了三個5K電阻，故取名555電路。其電路類型有雙極型和CMOS型兩大類，二者的結(jié)構(gòu)與工作原理類似。幾乎所有的雙極型產(chǎn)品型號最后的三位數(shù)碼都是555或556；所有的CMOS產(chǎn)品型號最后四位數(shù)碼都是7555或7556，二者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。555和7555是單定時器。556和7556是雙定時器。雙極型的電源電壓VCC+5V+15V，輸出的最大電流可達200mA，CMOS型的電源電壓為+3+18V，555管腳如圖3-2所示。 圖3-2 555引腳圖(1) 構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖3-3所示 圖3-3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間決定于外接元件R、C值的大小。 1.1RC，通過改變

12、R、C的大小，可使延時時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化(2) 構(gòu)成多諧振蕩器如圖3-4所示圖3-4 多諧振蕩器， 555電路要求R1 與R2 均應(yīng)大于或等于1K ，但R1R2應(yīng)小于或等于3.3M。 由NE555構(gòu)成的多諧振振蕩器。接通電源后，電容C2被充電，Vc上升，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器被復(fù)位，同時放電BJTT導(dǎo)通，此時V0為低電平，電容C通過R5和T放電，使Vc下降，當(dāng)下降至1/3Vcc時，觸發(fā)器又被置位，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。當(dāng)C放電結(jié)束時，T截止，Vcc將通過R5和Rw、R4向電容器充電，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個周期性的方波

13、，其頻率為：f=1/(t1+t2)，f=1.44/(R1+2R2)C在這里我們選擇R5=68K，C2=10uf，只要調(diào)節(jié)Rw 7K即可輸出1HZ，達到要求。（3）施密特觸發(fā)器如圖3-5所示圖3-5施密特觸發(fā)器秒脈沖發(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。具體電路設(shè)計如圖3-6所示。圖3-6 555多諧振蕩電路3.3 74LS48譯碼電路（1）譯碼顯示電路由74LS48和共陰極七段LED顯示器組成。報警電路在實驗中可用發(fā)光二極管和蜂鳴器代替。主體電路，30秒倒計時。30秒計數(shù)芯片的置數(shù)端清零端共用一

14、個開關(guān)，比賽開始后，30秒的置數(shù)端無效，30秒的倒數(shù)計時器的倒數(shù)計時器開始進行倒計時，逐秒倒計到零。選取“00”這個狀態(tài)，通過組合邏輯電路給出截斷信號，讓該信號與時鐘脈沖在與門中將時鐘截斷，使計時器在計數(shù)到零時停住。 如前所述，分段式數(shù)碼管是利用不同發(fā)光段組合的方式顯示不同數(shù)碼的。因此，為了使數(shù)碼管能將數(shù)碼所代表的顯示出來，必須將數(shù)碼經(jīng)譯碼器譯出，然后經(jīng)驅(qū)動器點亮對應(yīng)的段。例如，對于8421碼的0011狀態(tài)，對應(yīng)的十進制數(shù)為3，則譯碼驅(qū)動器應(yīng)使a、b、c、d、g各段點亮。即對應(yīng)于某一組數(shù)碼，譯碼器應(yīng)有確定的幾個輸出端有信號輸出，這是分段式數(shù)碼管電路的主要特點。譯碼器74LS48如圖3-7所示。

15、圖3-7 74LS48引腳圖七段顯示譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極顯示器。該集成顯示譯碼設(shè)有多個輔助控制端，以增強器件的功能。它有3上輔助控制端LT、RBI、BI/RBO現(xiàn)簡要說明如圖3-8所示。圖3-8 74LS48功能表滅燈輸入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有時作為輸入，有時作為輸出。當(dāng)BI/RBO作輸入使用且BI=0時，無論其它輸入端是什么電平，所有各段輸入ag均為0，所以字形熄滅。試燈輸入LT 當(dāng)LT=0時，BI/RBO是輸出端，且此時無論其它輸入端是什么狀態(tài)，所有各段輸出ag均為1，顯示字型8。該輸入端常用于檢查7488本身及顯示器的好壞。動態(tài)滅零輸入RBI當(dāng)LT=1，

16、RBI=0且輸入代碼DCBA=0000時，各段輸出ag均為低電平，與BCD碼相應(yīng)的字形0熄滅，故稱“滅零”。利用LT=0與RBI=0可以實現(xiàn)某個一位的“消隱”。此時BI/RBO是輸出端，且RBO=0。動態(tài)滅零輸出RBOBI/RBO作為輸出使用時，受控于LT=1且RBI=0，輸入代碼DCBA=0000時，RBO=0：若LT=0或者LT=1且RBI=1，則RBO=1。該端主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器間的連接。從功能表還可以看出，對輸入代碼0000，譯碼條件是：LT和RBI同時等于1，面對其它輸入代碼僅要求LT=1，這時候，譯碼器各段ag輸出的電平是由輸入BCD決定的，并且滿足顯示字形的要求。

17、（2）74LS48譯碼電路如圖3-9所示圖3-9 譯碼模塊電路圖3.4 74LS192計數(shù)電路（1）計數(shù)器是一個用以實現(xiàn)計數(shù)功能的時序部件，它不僅可用來計脈沖數(shù)，還常用作數(shù)字系統(tǒng)的定時、分頻和執(zhí)行數(shù)字運算以及其它特定的邏輯功能。計數(shù)器種類很多。按構(gòu)成計數(shù)器中的各觸發(fā)器是否使用一個時鐘脈沖源來分，有同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)制的不同，分為二進制計數(shù)器，十進制計數(shù)器和任意進制計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)的增減趨勢，又分為加法、減法和可逆計數(shù)器。還有可預(yù)置數(shù)和可編程序功能計數(shù)器等等。74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號如圖3-10所示。 圖3-

18、10 74LS192引腳圖 LD置數(shù)端 CPU加計數(shù)端CPD 減計數(shù)端 CO非同步進位輸出端 BO非同步借位輸出端 D0、D1、D2、D3 計數(shù)器輸入端 Q0、Q1、Q2、Q3 數(shù)據(jù)輸出端 CR清除端 74LS192同步十進制邏輯功能表：輸入輸出CR LD CPU CPD D3 D2 D1 DOQ3 Q2 Q1 Q01 X X X X X X X0 0 X X d c b a0 1 X X X X0 1 1 X X X X0 1 1 1 X X X X0 0 0 0d c b a加計數(shù)減計數(shù)保持當(dāng)清除端CR為高電平“1”時，計數(shù)器直接清零；CR置低電平則執(zhí)行其它功能。當(dāng)CR為低電平，置數(shù)端LD

19、也為低電平時，數(shù)據(jù)直接從置數(shù)端D0、D1、D2、D3 置入計數(shù)器。 當(dāng)CR為低電平，LD為高電平時，執(zhí)行計數(shù)功能。執(zhí)行加計數(shù)時，減計數(shù)端CPD 接高電平，計數(shù)脈沖由CPU 輸入；在計數(shù)脈沖上升沿進行 8421 碼十進制加法計數(shù)。執(zhí)行減計數(shù)時，加計數(shù)端CPU接高電平，計數(shù)脈沖由減計數(shù)端CPD 輸入.此實驗我們用到計數(shù)器由兩片74LS192 同步十進制可逆計數(shù)器構(gòu)成。利用減計數(shù)RD= 0, LD= 0, CPD=1, 實現(xiàn)計數(shù)器按8421 碼遞減進行減計數(shù)。利用借位輸出端BO 與下一級的CPD 連接, 實現(xiàn)計數(shù)器之間的級聯(lián)。利用預(yù)置數(shù)LD 端實現(xiàn)異步置數(shù)。當(dāng)RD= 0, 且LD= 0 時, 不管C

20、PU 和CPD 時鐘輸入端的狀態(tài)如何, 將使計數(shù)器的輸出等于并行輸入數(shù)據(jù), 即Q3Q2Q1Q0= D3D2D1D0。 （2）計時模塊電路如圖3-11所示。圖3-11 計數(shù)模塊電路圖3.5 報警電路設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)，要求計時器在減1計時到7S時，發(fā)出三聲低音預(yù)告信號并且減1計時到零時(工作時間到)，發(fā)出三聲高聲，并自動停止計時，這些要求可結(jié)合計數(shù)器的工作特點利用邏輯門和振蕩電路來實現(xiàn)。根據(jù)74LS192工作原理可知，當(dāng)減1計時到0S時，計數(shù)器的借位輸出端TCD低電平有效，其值為0。當(dāng)減1計時到7S時，其輸出端Q0 Q1 Q2 Q3分別為1 1 1 0。提示音聲音的高低可用兩塊NE555芯片產(chǎn)生不

21、同的頻率和兩塊74LS192芯片產(chǎn)生。根據(jù)這兩個特點可用邏輯門來實現(xiàn)報警。而報警電路由蜂鳴器構(gòu)成，利用三極管來驅(qū)動，以獲得足夠的電流。其硬件電路如圖3-12所示。圖3-12 報警模塊電路圖4電路仿真與調(diào)試4.1電路仿真在這一周的課程設(shè)計中，前三天時間主要是查找資料、比較各種方案、討論，最終確立了比較簡單又比較完善的方案。在確立方案的過程中，我們對各種預(yù)選方案都經(jīng)過了仿真實驗，采用仿真軟件Proteus仿真。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器

22、件的工具。由于本系統(tǒng)所涉及的內(nèi)容完全可以在Proteus中實現(xiàn)在仿真過程中，我們發(fā)現(xiàn)有些方案雖然在理論上可行，但在仿真運行時卻得不出結(jié)果，因此在確立方案時不得換了又換，最后在仿真實驗運行成功后才確立最終方案。仿真結(jié)果如圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)整體仿真結(jié)果圖4.2電路制作和調(diào)試在花費了兩天的前期準(zhǔn)備工作之后便開始了制作電路板。由于前期的方案選擇、仿真實驗做得比較成功，因此在做電路板時，整個過程進行的比較順利，但也存在并碰到了不少小問題。 按照已經(jīng)設(shè)計好的原理在畫圖軟件Altium Designer 09上畫好了原理圖和PCB圖，經(jīng)過一天的制作后開始第一次上電測試計數(shù)器的功能，啟動時

23、發(fā)現(xiàn)譯碼顯示能顯示30字樣，但是倒計時控制開關(guān)卻失效，不能按照每1s的時間間隔遞減。首先用示波器檢查555振蕩電路是否有脈沖輸出，發(fā)現(xiàn)脈沖輸出正常。于是接著找跟啟動計時開關(guān)有關(guān)的電路，經(jīng)過仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)是由于脈沖傳輸過程中的一個反相器74LS04的1號管腳壞了，更換一塊新的74LS04后，電路的計時部分能夠?qū)崿F(xiàn)。然而，當(dāng)?shù)褂嫊r到7S和0S時系統(tǒng)并未按照設(shè)計發(fā)出提示音，于是首先檢查蜂鳴器，發(fā)現(xiàn)時由于粗心大意將蜂鳴器極性接反引起的，將其拆下來變更極性方向后，整個系統(tǒng)都能正常工作。5心得體會此次電子課程設(shè)計是理論與實踐相結(jié)合的最好形式。在課題的完成過程中要求制作者要有堅實的理論基礎(chǔ)和很強的動手能力。在

24、設(shè)計過程中，通過自主查找數(shù)據(jù)和其他資料，接觸到了很多新鮮的東西。 經(jīng)過這次課程設(shè)計，才明白自己要做一個電子產(chǎn)品是件不容易的事。整個過程要求我們要非常細(xì)心，不僅要有較強的動手能力，還要有靈活應(yīng)用芯片理論的功底，為此我們需要閱讀大量關(guān)于這方面的書籍。除了查閱了不少芯片手冊，還得閱讀了有關(guān)數(shù)字電路設(shè)計的資料，有這些都是制作電路必須的理論準(zhǔn)備，可以為你的設(shè)計添磚鋪瓦，并減少很多盲目的查找。本次的課程設(shè)計從設(shè)計、仿真再到實驗都是我們我學(xué)知識的檢驗。通過親身體驗說明有些在仿真軟件中能行的痛的方案在實際操作電路中并不一定能行。所以在設(shè)計時就要考慮方案的可行性，最好是要有備用的方案。在經(jīng)過各種比較后選出最佳方案。 整個過程中，調(diào)試也是相當(dāng)重要的一部分。當(dāng)電路不能得到正確的結(jié)果時，要知道怎樣進行排錯和調(diào)試，以得到正確的結(jié)果。一般情況下，應(yīng)該先檢查電路是否連對，芯片管腳是否對錯；若電路連接正確，則用萬用表通過電壓、電阻的測量來找出電路中的問題，并加以改正。 做完本次課題后，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計中所用電路比較簡單，所用元器件也比較常用，工作原理易懂，操作簡單，也很適合一般人動手制作。做整體電路的檢測，各個模塊的工作都很正常，外部操作開關(guān)也都可以實現(xiàn)要求中的啟動、暫停、清零、連續(xù)功能，完成了此次課程設(shè)計的任務(wù)。電子技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出系統(tǒng)集成化，自動化，設(shè)計自動化，用戶專業(yè)化和