籃球比賽24秒計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目籃球比賽24秒計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)學(xué) 院自動(dòng)化學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師年月日目 錄引言 1 設(shè)計(jì)意義及要求31.1 設(shè)計(jì)意義31.2 設(shè)計(jì)要求32 方案設(shè)計(jì)32.1 設(shè)計(jì)思路32.1.1電路要求32.1.2方案一電路設(shè)計(jì)原理32.1.3 工作原理42.1.4方案二電路設(shè)計(jì)原理.52.3方案比較.63部分電路設(shè)計(jì).73.1 時(shí)鐘脈沖電路73.2 計(jì)時(shí)電路83.3 停止控制電路93.4 警報(bào)提示裝置104 調(diào)試與檢測(cè) 114.1 調(diào)試中故障及解決辦法 114.2 調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果 . 115 仿真操作步驟及使用說(shuō)明 13結(jié)束語(yǔ)14參考文獻(xiàn)14附錄 電路圖15本科生課程

2、設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表引言很多人都看過(guò)籃球比賽，籃球比賽時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)每次進(jìn)攻都會(huì)進(jìn)行24秒倒計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到零時(shí)就會(huì)出現(xiàn)聲光報(bào)警?；@球的24秒計(jì)時(shí)器只是計(jì)時(shí)器的一種。在生活中，我們經(jīng)常會(huì)看見(jiàn)各種計(jì)時(shí)器，例如，在十字路口的紅綠燈上我們會(huì)看到一個(gè)34秒計(jì)時(shí)器；我們經(jīng)?？吹降碾娮颖硪彩怯?jì)數(shù)器的一種；在體育課上老師用的秒表也是一種計(jì)時(shí)器。計(jì)時(shí)器給我們的生活帶來(lái)了很大的方便，可以說(shuō)我們的生活離不開計(jì)數(shù)器。 本課程設(shè)計(jì)是脈沖數(shù)字電路的簡(jiǎn)單應(yīng)用，設(shè)計(jì)了籃球競(jìng)賽24秒計(jì)時(shí)器。此計(jì)時(shí)器功能齊全，可以直接清零、啟動(dòng)、暫停和連續(xù)以及具有光電報(bào)警功能，同時(shí)應(yīng)用了七段數(shù)碼管來(lái)顯示時(shí)間。此計(jì)時(shí)器有了啟動(dòng)、暫停和連續(xù)功能

3、，可以方便地實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)計(jì)時(shí)功能，當(dāng)計(jì)時(shí)器遞減到零時(shí)，會(huì)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)。本設(shè)計(jì)完成的中途計(jì)時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)了在許多的特定場(chǎng)合進(jìn)行時(shí)間追蹤的功能，在社會(huì)生活中也具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，可以了解計(jì)時(shí)器的組成和原理以及許多應(yīng)用，為設(shè)計(jì)更復(fù)雜的計(jì)時(shí)器打好基礎(chǔ)。同時(shí)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)也能提高學(xué)生的設(shè)計(jì)電路，排查故障，思考問(wèn)題等多種能力。1 設(shè)計(jì)意義和要求 1.1 設(shè)計(jì)意義 生活中很多地方都用到計(jì)時(shí)器，例如交通信號(hào)燈上有34秒倒計(jì)時(shí)裝置，我們經(jīng)常用的數(shù)字手表也是計(jì)時(shí)器的一種。24秒計(jì)時(shí)器是比較簡(jiǎn)單的一種，比較容易設(shè)計(jì)。通過(guò)此次電路設(shè)計(jì)，讓我們了解計(jì)時(shí)器的工作原理，懂得其由哪幾部分組成。同時(shí)通過(guò)此次電

4、路設(shè)計(jì)，讓我們加深了對(duì)課本知識(shí)的認(rèn)識(shí)理解，對(duì)電路設(shè)計(jì)方法和實(shí)際電路連接有一定的初步認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)怎么設(shè)計(jì)電路，怎么排查故障和解決設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。 1.2設(shè)計(jì)要求1.電路具有時(shí)間顯示功能； 2.要求電路為24秒遞減計(jì)時(shí)，每隔1秒鐘，計(jì)時(shí)器減1；3.要有外部開關(guān)，控制計(jì)數(shù)器的直接清零、啟動(dòng)和暫停/連續(xù)計(jì)時(shí)功能；4.當(dāng)計(jì)時(shí)器倒計(jì)時(shí)為零時(shí)，即定時(shí)時(shí)間倒，顯示為零，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。5.嚴(yán)格按照課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書要求撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書。2 方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路2.1.1 電路要求 設(shè)計(jì)一個(gè)電路，要實(shí)現(xiàn)24秒減計(jì)時(shí)，同時(shí)具有清零、啟動(dòng)和暫停/連續(xù)功能，當(dāng)計(jì)時(shí)器倒計(jì)時(shí)為零時(shí)，保持顯示零狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出聲

5、光報(bào)警信號(hào)。2.1.2 方案一電路設(shè)計(jì)原理 該電路需要一個(gè)秒脈沖發(fā)生器，可用555芯片和電阻、電容構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻電容的值可產(chǎn)生1Hz的時(shí)鐘脈沖。 用兩片74LS192芯片構(gòu)成一個(gè)24秒計(jì)時(shí)器，其中一片的4個(gè)輸入端中，D0、D2和D3端接低電平，D1端接高電平，輸出端接七段數(shù)碼管作為高位顯示，芯片2的4個(gè)輸入端中，D0、D1和D3接低電平，D2接高電平，遞增計(jì)數(shù)脈沖輸入端接高電平，輸出端接七段數(shù)碼管作為低位顯示。因?yàn)?4LS192本身具有清零端和置數(shù)端，則可各用一個(gè)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)清零和啟動(dòng)功能。 要使計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)到零時(shí)保持不變，可在輸出端反饋一個(gè)信號(hào)到輸入端來(lái)實(shí)現(xiàn)保持功能。選取“00

6、”這個(gè)狀態(tài)，通過(guò)3個(gè)或非門、一個(gè)3輸入與非門，從而得到一個(gè)低電平信號(hào)，該信號(hào)與脈沖信號(hào)通過(guò)一個(gè)2輸入與非門而接到74LS192的遞減計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)輸入端，可使計(jì)時(shí)器在計(jì)數(shù)到零時(shí)停住。 當(dāng)在74LS192的DN端輸入脈沖信號(hào)后可進(jìn)行減計(jì)數(shù)，則通過(guò)一個(gè)開關(guān)控制是否截?cái)嗝}沖信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)暫停/連續(xù)功能。 報(bào)警電路在實(shí)驗(yàn)中可用發(fā)光二極管和鳴蜂器代替。在計(jì)數(shù)過(guò)程中，發(fā)光二極管兩端都是高電平，所以二極管截止，不發(fā)光；當(dāng)計(jì)數(shù)器減到“00”是，二極管左邊是低電平，右邊是高電平，所以二極管導(dǎo)通，從而發(fā)光。 2.1.3 工作原理 開始時(shí)，在兩片74LS192的置數(shù)端輸入低電平，因?yàn)閮尚酒妮斎攵朔謩e為“0010”和

7、“0100”（“1”表示高電平，“0”表示低電平），則數(shù)碼管顯示為“24”，再在高位芯片的DN端輸入秒時(shí)鐘脈沖，在兩芯片的置數(shù)端輸入高電平，則開始進(jìn)行減計(jì)數(shù)，每秒減1。當(dāng)脈沖信號(hào)被截?cái)鄷r(shí)，計(jì)時(shí)暫停，當(dāng)時(shí)鐘脈沖重新接上時(shí)，計(jì)時(shí)繼續(xù)。當(dāng)計(jì)時(shí)到零時(shí)，在低位芯片的DN端的輸入變?yōu)楦唠娖?，芯片處于保持狀態(tài)，同時(shí)二極管的陰極為低電平，陽(yáng)極為高電平，二極管導(dǎo)通，從而發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出聲音。秒脈沖發(fā)生器計(jì)數(shù)器報(bào)警電路控制電路顯示器圖1 總設(shè)計(jì)框圖  . 圖2 方案一電路圖2.1.4 方案二電路設(shè)計(jì)原理 與方案一一樣，用555芯片和電阻、電容構(gòu)成一個(gè)多諧振蕩器，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻電容的值可產(chǎn)生1Hz的時(shí)鐘脈沖

8、。用兩片74LS192芯片構(gòu)成一個(gè)24秒計(jì)時(shí)器。用一個(gè)與非門，當(dāng)脈沖信號(hào)和低電平相與非是，脈沖信號(hào)相當(dāng)于被截?cái)啵瑢?shí)現(xiàn)暫停功能，當(dāng)脈沖信號(hào)和高電平相與非是，脈沖信號(hào)沒(méi)有被截止，進(jìn)行減計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)時(shí)到零時(shí)，利用74LS192芯片的借位輸出端輸出低電平信號(hào)，讓該信號(hào)與時(shí)鐘脈沖在與門中將時(shí)鐘截?cái)?，從而使?jì)時(shí)停止。讓74LS192芯片的借位輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)非門再接到二極管的陽(yáng)極，陰極經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻接地，當(dāng)借位輸出一個(gè)低電平后，二極管陽(yáng)極為高電平，陰極為低電平，二極管導(dǎo)通，從而發(fā)光。秒脈沖產(chǎn)生器、清零裝置和啟動(dòng)裝置與方案一相同。 圖3 方案二電路圖2.3 方案比較：方案一與方案二的實(shí)驗(yàn)原理基本相同，都采用了55

9、5集成電路組成的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生周期為1s的脈沖，用兩片74LS192芯片作為主體部分來(lái)實(shí)現(xiàn)24秒倒計(jì)時(shí)計(jì)算，清零和啟動(dòng)的方法相同。不同的是反饋電路部分和暫停/連續(xù)功能部分。方案一中的反饋電路部分的反饋信號(hào)采自兩個(gè)74LS192芯片的輸出端，采用了3個(gè)或非門、一個(gè)3輸入與非門，從而得到一個(gè)低電平信號(hào)，該信號(hào)與脈沖信號(hào)通過(guò)一個(gè)2輸入與非門而接到74LS192的遞減計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)輸入端，可使計(jì)時(shí)器在計(jì)數(shù)到零時(shí)停住。而方案二是利用74LS192芯片的借位輸出端輸出低電平信號(hào)，讓該信號(hào)與時(shí)鐘脈沖在與門中將時(shí)鐘截?cái)啵瑥亩箿p計(jì)數(shù)停止。暫停/連續(xù)功能，方案一是通過(guò)一個(gè)單刀雙擲開關(guān)控制在遞減計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)輸入高

10、電平信號(hào)或端輸入脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的暫停/連續(xù)功能；方案二是通過(guò)與非門實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)脈沖信號(hào)和低電平相與非是，脈沖信號(hào)相當(dāng)于被截?cái)啵瑢?shí)現(xiàn)暫停功能，當(dāng)脈沖信號(hào)和高電平相與非是，脈沖信號(hào)沒(méi)有被截止，進(jìn)行減計(jì)數(shù)。比較方案一和方案二，方案二優(yōu)于方案一，主要體現(xiàn)在反饋回路上，方案一需要3個(gè)或非門、一個(gè)3輸入與非門和一個(gè)2輸入與非門才能使減計(jì)數(shù)到“00”后保持不變；而方案二使用一個(gè)3輸入與非門和一個(gè)非門就能實(shí)現(xiàn)。3.部分電路設(shè)計(jì)3.1時(shí)鐘脈沖電路555定時(shí)器應(yīng)用為多諧振蕩電路時(shí)，當(dāng)電源接通Vcc通過(guò)電阻R1.R2向電容C充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)u上升至2/3Vcc，會(huì)使比較器C1輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電

11、壓為零，同時(shí)放電管T導(dǎo)通，電容C通過(guò)R2放電；當(dāng)電容電壓下降到1/3Vcc，比 較器C2工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖?，C放電終止，Vcc通過(guò)R1。R2又開始充電；周而復(fù)始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時(shí)間有關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響。根據(jù)公式： T于是為了產(chǎn)生周期為1秒的脈沖，可以使、電源為5v，則Q端輸出1Hz的時(shí)鐘脈沖電路圖如下： 圖4 秒時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器電路圖3.2計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)電路主要由兩片74LS192組成。其中一片74LS192的4個(gè)輸入端中，D0、D2和D3端接低電平，D1端接高電平，輸出端接七段數(shù)碼管作為高位顯示，芯片2的4個(gè)輸入端中，D0、D1和D3接低電平，D2

12、接高電平，輸出端接七段數(shù)碼管作為低位顯示。在芯片的PL端接一個(gè)單刀雙擲開關(guān)S2，通過(guò)控制輸入低電平或高電平，從而實(shí)現(xiàn)置數(shù)和啟動(dòng)功能。在減計(jì)數(shù)脈沖輸入端輸入時(shí)鐘脈沖，開始24秒倒計(jì)時(shí)，通過(guò)開關(guān)3控制輸入高電平/時(shí)鐘脈沖，可實(shí)現(xiàn)暫停/連續(xù)功能。兩片芯片的清零端共接一個(gè)單刀雙擲開關(guān)1，輸入高電平可實(shí)現(xiàn)清零。在進(jìn)行24秒計(jì)時(shí)時(shí)，清零端、置數(shù)端和遞增計(jì)數(shù)脈沖輸入端接高電平，低位74LS192芯片的遞減計(jì)數(shù)脈沖輸入端接時(shí)鐘脈沖，借位輸出端接高位74LS192芯片的遞減計(jì)數(shù)脈沖輸入端。 電路圖如下：圖5 計(jì)時(shí)電路的電路圖3.3停止控制電路24秒倒數(shù)計(jì)數(shù)器到“00”時(shí)，需要保持顯示“00”。選取計(jì)數(shù)器“00”

13、的狀態(tài)，兩個(gè)74LS192芯片的輸出端全為低電平，取低位74LS192芯片的4個(gè)輸出端和高位74LS192芯片的Q0、Q1兩個(gè)輸出端，用或非門兩兩相或非，則得到3個(gè)高電平信號(hào)，這3個(gè)新號(hào)再和一個(gè)高電平信號(hào)相與或，得到一個(gè)低電平信號(hào)，再用該信號(hào)和時(shí)鐘脈沖與或后輸入低位74LS192芯片的遞減計(jì)數(shù)脈沖輸入端，從而使芯片處于保持狀態(tài)，保持“00”不變。停止控制電路如下：圖6 停止控制電路的電路圖3.4警報(bào)提示裝置警報(bào)提示就是完成任一計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)給出連續(xù)的提示音。在計(jì)數(shù)過(guò)程中，發(fā)光二極管兩端都是高電平，所以二極管截止，不發(fā)光；當(dāng)計(jì)數(shù)器減到“00”是，二極管左邊是低電平，右邊是高電平，所以二極

14、管導(dǎo)通，從而發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音。警報(bào)提示裝置電路圖如下：圖7 報(bào)警提示裝置電路圖4 調(diào)試與檢測(cè) 4.1調(diào)試中故障及解決辦法 在調(diào)試的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行24秒倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，檢查了實(shí)驗(yàn)方案，沒(méi)有問(wèn)題，然后開始檢查接線，經(jīng)過(guò)細(xì)心排查，最后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線連接有錯(cuò)誤，改正后可進(jìn)行24秒倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)褂?jì)數(shù)到“00”時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管沒(méi)有發(fā)光，通過(guò)檢查，導(dǎo)線連接無(wú)誤，通過(guò)仔細(xì)思考和查找資料，猜測(cè)可能的原因是限流電阻的阻止太大，使得二極管兩端的電壓太小，無(wú)法是二極管導(dǎo)通，使得二極管不發(fā)光。于是我把原來(lái)10K的電阻換成5K的電阻，結(jié)果二極管還是不發(fā)光，我再把5K的電阻換成1K的電阻，當(dāng)?shù)褂?jì)數(shù)到“00”時(shí)，二

15、極管發(fā)光。在查找故障時(shí)，首先要有耐心和細(xì)心。同時(shí)要開動(dòng)腦筋，進(jìn)行認(rèn)真的分析和判斷。在不通電的情況下，通過(guò)目測(cè)，檢查每一塊是否正確，極性有無(wú)接反，連線有無(wú)接錯(cuò)（包括漏錯(cuò)線、短路和）等。 4.2 調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果 經(jīng)過(guò)調(diào)試排查故障后，開始進(jìn)行仿真。運(yùn)行之前開關(guān)S1和S2置于低電平，開關(guān)S3置于時(shí)鐘脈沖。點(diǎn)擊運(yùn)行，顯示管顯示的數(shù)字為“24”。將開關(guān)S2置于高電平后，開始進(jìn)行減計(jì)數(shù)，每秒鐘數(shù)字遞減1.如下圖：圖8 24秒倒計(jì)時(shí)圖在某一時(shí)刻，將開關(guān)S3置于高電平，可使減計(jì)數(shù)停止，并保持當(dāng)前顯示不變；開關(guān)S3再置于時(shí)鐘脈沖后，由當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)進(jìn)行計(jì)時(shí)。如圖：圖9 暫停計(jì)時(shí)圖當(dāng)減計(jì)數(shù)到“00”時(shí)，保持“00”不

16、變，同時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光。如圖：圖10 計(jì)時(shí)到零時(shí)二極管發(fā)光圖仿真操作步驟及使用說(shuō)明 1 各部件說(shuō)明 開關(guān)S1為清零開關(guān)，開關(guān)S2是置數(shù)和啟動(dòng)開關(guān)，開關(guān)S3是暫停/連續(xù)開關(guān)。2 操作說(shuō)明a.開始時(shí)，開關(guān)S1和S2置于低電平，開關(guān)S3置于時(shí)鐘脈沖，此時(shí)數(shù)碼管顯示為“24”，表示籃球比賽每次進(jìn)攻的時(shí)間最多為24秒。b.將開關(guān)S2置于高電平，開始減計(jì)數(shù)，每秒變化一次，表示這一輪進(jìn)攻開始，開始24秒倒計(jì)時(shí)。c.將開關(guān)S3置于高電平，減計(jì)數(shù)暫停，表示比賽暫停；當(dāng)將開關(guān)S3重新置于時(shí)鐘脈沖是，從當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，表示暫停結(jié)束，比賽繼續(xù)進(jìn)行，原先剩余的時(shí)間繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。d.若在某一時(shí)刻將開關(guān)S1置于高電平，結(jié)

17、果數(shù)碼管顯示為“00”，表示本次進(jìn)攻結(jié)束；再將開關(guān)S1和開關(guān)S2置于低電平，數(shù)碼管顯示“24”，為下一次進(jìn)攻倒計(jì)時(shí)做準(zhǔn)備。e.當(dāng)?shù)褂?jì)數(shù)到“00”時(shí)，數(shù)碼管始終顯示“00”，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，表示該對(duì)在24秒內(nèi)沒(méi)有出手投籃，進(jìn)攻超時(shí)，屬于違規(guī)。 結(jié)束語(yǔ)在本次課程設(shè)計(jì)中，我對(duì)計(jì)時(shí)器的組成和原理有了更深的了解，對(duì)一些電子芯片也有了更多的認(rèn)識(shí)。除此之外，我覺(jué)得自己還學(xué)到了很多東西。例如通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我的實(shí)踐動(dòng)手能力有了很大的提高。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我復(fù)習(xí)了課本上的很多知識(shí)，同時(shí)也翻閱了很多資料，最后設(shè)計(jì)出了最初的方案。但是光有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，雖然理論上電路沒(méi)有錯(cuò)，但是在實(shí)際連接電路時(shí)，由于自己的粗心大意或者導(dǎo)線接觸不良等原因都可能導(dǎo)致失敗。所以在調(diào)試過(guò)程中，不斷地檢查電路，找出問(wèn)題，并思考怎么解決問(wèn)題，把自己學(xué)到的理論知識(shí)用到實(shí)踐中去，這樣才能真正的提高自己的能力。在設(shè)計(jì)小組方案時(shí)，我提出了利用74LS192芯片的借位輸出端輸出地信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)在倒計(jì)數(shù)到“00”時(shí)保持不變，我用該信號(hào)和時(shí)鐘脈沖信號(hào)與非后接到遞減計(jì)數(shù)脈沖輸入端，結(jié)果沒(méi)有成功，最后小組成員討論交流后，并經(jīng)過(guò)老師提示，最后解決了問(wèn)題。我覺(jué)得解決問(wèn)題的過(guò)程就是學(xué)習(xí)的過(guò)程，也是提高自己能力的過(guò)程。 參考文獻(xiàn)1祁存榮，陳偉.電子