籃球競賽30S計時器課設(shè)報告

1、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 班級： 學(xué)號： 姓名： 評分： 教師： 20 年 月 日 數(shù)字電路 課程設(shè)計任務(wù)書20 13 20 14 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)，74ls16

2、1(1)，74LSl92(2)進度安排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)生姓名：指導(dǎo)時間：第23周指導(dǎo)地點：E 樓 607 室任務(wù)下達 2013年 9 月 7 日任務(wù)完成 2013年 9 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

3、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?？蓱?yīng)用于籃球比賽中對進攻時間的計時控制及其他各種需要倒計時的場合進行跟蹤計時。關(guān)鍵詞：時序；計數(shù)；譯碼目 錄前言1第一章 電路組成與工作原理21.1 籃球競賽30s計時器的系統(tǒng)組成21.2 籃球競賽30s計時器的工作原理2第二章 單元電路設(shè)計與計算32.1 秒脈沖發(fā)生電路32.3 譯碼電路42.4 控制電路52.4.1 置數(shù)控制電路52.4.2 清零控制電路52.4.3 暫停/繼續(xù)控制電路62.5 報警電路6第三章 電路調(diào)試

4、與改進83.1 秒脈沖發(fā)生電路的調(diào)試83.2 譯碼顯示電路的調(diào)試83.3 控制電路的改進9第四章 總結(jié)10參考文獻11附錄一 元件清單12附錄二 總電路圖13附錄三 電路實物圖14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)品的進步，計時器就是工業(yè)發(fā)展道路上進步的產(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、

5、數(shù)控機床、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，最終促進經(jīng)濟的發(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

6、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

7、時；當?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

8、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 （1）C2設(shè)為參數(shù)為10µF的電解電容，將R1與R2的阻值設(shè)為15k和68k，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)生的脈沖進行計數(shù)，使用兩片74LS192進行設(shè)計，其主要功能如下表。 表21 74LS192主要功能表 MR操作××00置數(shù)110加計數(shù)110減計數(shù)××&

9、#215;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為十進制計數(shù)器，置數(shù)端D3D2D1D0通過接高低電位可進行其他置數(shù)，故可將兩片74LS192構(gòu)成可預(yù)置數(shù)的三十進制遞減計數(shù)器，計數(shù)器的十位接成三進制，計數(shù)器的個位數(shù)接成十進制。由表21可以看出,當=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)上進行加法計數(shù),當計數(shù)到9時,進位輸出端TCU端輸出進位下降沿跳變脈沖；當=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)上進行減法計數(shù)，當計數(shù)到0時，借位

10、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?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)器才開始進行減法計數(shù)。當計數(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

11、使用在各種數(shù)字電路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。當要求輸出015時，消隱輸入應(yīng)為高電平或者開路，特別的，當輸出為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。當為低電平時，不論其它輸入端狀態(tài)如何，QAQG均為低電平。根據(jù)這一特點，在設(shè)計電路中，譯碼顯示時，使接高電平，而要達到清零后數(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)榈碗娖捷斎氲蕉耍瑒t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

12、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21可知，為低電平有效輸入端，故當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)換來進行控制，當計數(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21可看出當MR接高電平時，計數(shù)器清零。實際電路中，使用一

13、個單刀雙擲開關(guān)，當計數(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)。當單刀雙擲

14、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?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)器才開始進行減法計數(shù)，當高位也減為“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

15、二極管的負極接低電平，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 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。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15k，R2為68k，振蕩器輸出脈沖信號的周期約為1

16、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10010k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

17、入端之間接入200的限流電阻。經(jīng)檢測，接入200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 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，改進電路中使用了一個B鍵代替單刀雙擲開關(guān)。當按下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。當暫停/繼續(xù)開關(guān)接地時，計數(shù)器暫停，但當開關(guān)重新接回高電位

18、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)計的基本要求，總的來說該方案是十分可行的，電路結(jié)構(gòu)簡單，條理清晰，結(jié)果符合要求。同時在電路設(shè)計中還存在著許多不足之處。由于產(chǎn)生的脈沖信號不易保持以及產(chǎn)生的秒脈沖信號不夠穩(wěn)定和精確的原因還存在著計數(shù)時間不夠精確的缺陷，經(jīng)分析，該問題的解決方法可以通過用分頻電路來代替5