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

1、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

2、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、（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

4、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，

5、 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（ 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、

6、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。其功能表如下圖所示：輸入輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0××××××00001 ×0××dcbadcba011××××加計(jì)數(shù)011××××減計(jì)數(shù)0圖的功能表在本次設(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

7、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和表所示。圖引腳圖 >表的功能表輸入輸出字?jǐn)?shù)字LTRBIDCBABI/RBOabcdefg形011000011111110011X0001111000

8、00121X001011101101231X001111111001341X01001011001 1451X010111011011561X011011011111671X011111110000781X100011111111891X1001111110119消隱XXXXXX00000000脈沖消隱100000000000008燈測(cè)試0XXXXX11111111;.七短數(shù)碼顯示管的引腳圖如圖所示，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

9、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?就可以構(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。;.圖雙極性型 5G555 的主要性能參數(shù)(b) CMOS 型 7555 的主要性能參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)電源電壓V CC電源電流I CC閾值電壓V TH觸發(fā)電壓V TR輸出低電平V OL輸出高電平V OH最大輸出電流IOMAX最高

10、振蕩頻率fMAX時(shí)間誤差 t V TH 即 V i1,VTR 即 V i2 。單位參數(shù)V516mA10V 23 VCCV 1 VCC3V1V 13.3mA 200KHz 300nS5參數(shù)名稱符號(hào)單位參數(shù)電源電壓V CCV318電源電流I CC A60閾值電壓V THV23 VDD觸發(fā)電壓V TRV13 VDD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

11、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).VCCRd.84R 5KCdCR7V3DisVcoQVo555QRC12G1G3TRD5Vi16THNVco(TH)GR 5K1Vi2G2(a)555的邏輯符號(hào)(TR)C2QDisSR1VCCDisTH VcoVo'8765R 5KT5551234.GND TRVo Rd(b) 555 的引腳排列圖 2.2.7 555 定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.6555 定時(shí)器邏構(gòu)如圖

12、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（ TR ）：低電平觸發(fā)端，簡(jiǎn)稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為TR 。VCO ：控制電壓端。VO：輸出端。Dis：放電端。Rd ：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1R 組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生 3 VCC2G1、G2 組成和 3 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。Rd 是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后 , 基本 RS 觸發(fā)器的 Q 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

13、.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23 VCC ，比較器 C2 反相輸入C1 的同相輸入端接參考電壓1端接參考電壓 3 VCC ，為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定：當(dāng) TH 端的電壓 >223 VCC 時(shí)，寫為 VTH=1 ，當(dāng) TH 端的電壓 <3 VCC 時(shí)，寫為 VTH=0 。11VCC 時(shí)，寫為當(dāng) TR 端的電壓 >3 VCC 時(shí)，寫為 VTR=1 ，當(dāng) TR 端的電壓 < 3VTR=0 。12低觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓 Vi2< 3 VCC 且 Vi1<3 VCC 時(shí)， VTR=0 ，VTH=0 ，比較器

14、 C2 輸出為低電平， C1 輸出為高電平， 基本 RS 觸發(fā)器的輸入端 S 、R，=0=1使 Q1，Q 0，經(jīng)輸出反相緩沖器后， VO 1，T 截止。這時(shí)稱 555 定時(shí)器“低觸發(fā)”；123 VCC ，則 VTR=1 ，VTH=0 ， S = R =1，基本保持：若 Vi2> 3 VCC且 Vi1<RS 觸發(fā)器保持， VO 和 T 狀態(tài)不變，表 2.2.2 555 定時(shí)器控制功能表這時(shí)稱 555 定時(shí)器“保持”。輸入輸出2VCC，則R d高觸 發(fā)： 若 Vi1> 3THTRV ODisVTH=1 ，比較器 C1 輸出為低電平，無論 C2 輸出何種電平，基本 RS 觸

15、5;×LL導(dǎo)通<2V CC<1VCCHH截止;.33<2V CC>1VCCH不變不變33>2V CC×HL導(dǎo)通3.發(fā)器因 R =0，使 Q 1，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO 0；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

16、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

17、高電平，放電管 T 截止，2電容器經(jīng)（ R1 +R2）充電，當(dāng)充電至VC=VTH>3 VCC 時(shí)，電路高觸發(fā)，輸出;.1VO 變?yōu)榈碗娖?，放電?T 導(dǎo)通，電容器經(jīng) R2 放電，當(dāng)放電至 VC=VTR<3 VCC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

18、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)?；綬S 觸發(fā)器如圖為由兩個(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?；綬S 觸發(fā)器具有置“ 0”、置“ 1”和保持三種功能。通常稱 S 為置“1”端，因?yàn)?S =0 時(shí)觸發(fā)器被置 “ 1”； R 為置“0”端，因?yàn)?R =0 時(shí)觸發(fā)器被置“ 0”。當(dāng) S = R =1 時(shí)狀態(tài)保持，當(dāng) S = R =0 時(shí)為不定狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)避免這種狀態(tài)。圖二與非門組成的基本RS 觸發(fā)器（ a）

19、邏輯圖(b) 邏輯符號(hào)基本 RS 觸發(fā)器的邏輯符號(hào)見圖，二輸入端的邊框外側(cè)都畫有小圓圈，這是因?yàn)橹?1 與置 0 都是低電平有效。輸入74192 的時(shí)鐘脈沖由下圖所示電路輸出接到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。以下圖為兩芯片的引腳圖。圖;.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