籃球競賽30S計時器課設報告

..課程設計說明書課程設計名稱：數字電路課程設計課程設計題目：籃球競賽30S計時器學院名稱：信息工程學院專業(yè)：通信工程______評分：教師：20年月日數字電路課程設計任務書2013－2014學年第1學期第2周－3周題目籃球競賽30S計時器內容及要求〖基本要求〗1>具有顯示30S計時功能2>設置外部操作開關,控制計數器的直接清零,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>,74ls161<1>,74LSl92<2>進度安排1.仿真、畫PCB線路板圖、領元器件：2天；2.制作、焊接：2天3．調試：3天4.驗收：1天5.提交報告：2013-2014學年第一學期3周學生__指導時間：第2～3周指導地點：E樓607室任務下達20XX9月7日任務完成20XX9月22日考核方式1.評閱□√2.答辯□√3.實際操作□√4.其它□指導教師系〔部主任注：1、此表一組一表二份,課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設計結束后與"課程設計小結"、"學生成績單"一并交院教務存檔。摘要籃球30s計時器是對實際籃球比賽中24s計時器的拓展,本課程設計的30s計時器主要由脈沖發(fā)生電路、時序控制電路、計數器、譯碼器、數碼顯示器及報警電路構成。采用30s倒計時的計時方式,功能完備,具有可直接置數、清零、暫停/繼續(xù)和報警的特點?？蓱糜诨@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。關鍵詞：時序；計數；譯碼目錄TOC\o"1-3"\h\u17627前言 127978第一章電路組成與工作原理 2323281.1籃球競賽30s計時器的系統組成2276191.2籃球競賽30s計時器的工作原理217156第二章單元電路設計與計算 363312.1秒脈沖發(fā)生電路354962.3譯碼電路4143472.4控制電路537452.4.1置數控制電路5301722.4.2清零控制電路5198092.4.3暫停/繼續(xù)控制電路6298552.5報警電路613617第三章電路調試與改進 8208723.1秒脈沖發(fā)生電路的調試880753.2譯碼顯示電路的調試8217263.3控制電路的改進932135第四章總結 1030100參考文獻 114993附錄一元件清單 1221229附錄二總電路圖 131728附錄三電路實物圖 147159附錄四電路PCB圖 15..前言信息社會的發(fā)展離不開電子產品的進步,計時器就是工業(yè)發(fā)展道路上進步的產物。計時器可以實現對某個功能電路作用時間的控制,在時間達到的時候產生報警信號?？芍脭?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)控制領域、通訊設備、信息處理中使用最廣泛的電路之一。在很多領域都需要幾個甚至上百個定時電路去控制多項操作,如數控電梯、數控機床、各種智能醫(yī)療器械等方面,實現了工業(yè)生產的自動化,提高勞動生產率,最終促進經濟的發(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,計時器產生報警信號,新一輪的計時又可以清零置數開始倒計時。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籃球競賽30s計時器的系統組成籃球競賽30s計時器是對實際籃球競賽24s計時的拓展設計,置數后便可倒計時,計時過程中可暫停/繼續(xù)還可以清零,到倒計時為0時產生報警信號,完成一個功能計時周期。為實現以上功能,整個電路可分為脈沖發(fā)生電路、時序控制電路、計數器、譯碼器、數碼顯示器及報警電路六個部分。減計數器譯碼器數碼顯示器秒脈沖發(fā)生器減計數器譯碼器數碼顯示器秒脈沖發(fā)生器光電報警控制電路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器和控制電路是系統的主要部分,計數器通過秒脈沖發(fā)生器產生的秒信號實現計時功能,而控制電路控制計數器的置數、暫停、啟動和清零功能。當按下置數開關時,計數器完成置數,數碼管顯示"30"字樣并開始倒計時；當倒計時為"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)開關可切斷計數器與脈沖發(fā)生器的聯系使計數器停止計數,從而實現計時的暫停,再次按下暫停/繼續(xù)開關便可繼續(xù)計時。計時過程中若有需要可以按下清零開關即可清零,再置數后可以達到重新計時的效果。第二章單元電路設計與計算2.1秒脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電路是計數器計數的前提,其主要作用是產生一個周期恒定的脈沖信號,本次設計將采用NE555定時器構成一個較穩(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,經過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉到另一暫穩(wěn)態(tài),兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉換而從引腳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定時器構成的多諧振蕩器,R1、R2和C2是外接元件。由于要產生周期為1s的脈沖信號,振蕩器的周期計算公式為T=0.7*〔R1+2*R2*C2〔1C2設為參數為10μF的電解電容,將R1與R2的阻值設為15kΩ和68kΩ,則振蕩器輸出脈沖信號的周期為1.0577s約為1s。2.2減計數電路該部分電路的主要功能是對之前產生的脈沖進行計數,使用兩片74LS192進行設計,其主要功能如下表。表2—174LS192主要功能表MR操作××00置數↑110加計數1↑10減計數×××1清零注釋：為減計數時鐘輸入端〔上升沿有效為加計數時鐘輸入端〔上升沿有效為異步并行置數控制端〔低電平有效MR為異步清除端由于74LS192為十進制計數器,置數端D3D2D1D0通過接高低電位可進行其他置數,故可將兩片74LS192構成可預置數的三十進制遞減計數器,計數器的十位接成三進制,計數器的個位數接成十進制。由表2—1可以看出,當=1,MR=0,=1時,如果有時鐘脈沖加到端,則計數器在預置數的基礎上進行加法計數,當計數到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,則計數器在預置數的基礎上進行減法計數,當計數到0時,借位輸出端TCD端輸出借位下降沿跳變脈沖。由此設計出三十進制減法計數器,Q0-Q3分別接到對應的譯碼器的輸入端,端接到秒脈沖發(fā)生器的脈沖輸出端。圖中預置數為N=<2>當低位計數器的借位輸出端TCD輸出借位脈沖時,高位計數器才開始進行減法計數。當計數到高、低位計數器都為零時,高位計數器的借位輸出端TCD輸出借位脈沖,當控制電路使置數端=0時,計數器置數,在端輸入脈沖的作用下,進行下一循環(huán)的減法計數。電路如圖2.2所示。圖2.2減計數電路2.3譯碼電路由于譯碼顯示選用的是共陰極數碼管,故采用4線—七段譯碼器74LS48。74LS48芯片是一種有內部上拉電阻的常用的七段數碼管譯碼器/驅動器,常被使用在各種數字電路和單片機系統的顯示系統中。當要求輸出0—15時,消隱輸入應為高電平或者開路,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,QA—QG均為低電平。根據這一特點,在設計電路中,譯碼顯示時,使接高電平,而要達到清零后數碼管滅燈的要求便可在該端接一個反相器。撥動清零開關時高電平經反相器變?yōu)榈碗娖捷斎氲蕉?則譯碼器輸出全為低電平,所接的共陰極數碼管則滅燈。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計中輔助功能的實現,包括置數控制,清零控制以及暫停/繼續(xù)功能控制。為保證系統的設計要求,在控制電路設計中,正確處理各電路之間的時序關系是設計的關鍵。2.4.1置數控制電路可預置數主要在于控制74LS192芯片的置數端,由表2—1可知,為低電平有效輸入端,故當在該端輸入低電平時,計數器重新置數。用一個B鍵實現高低電平的轉換來進行控制,當計數器計數時,接高電位,而需要置數時,按下B鍵,則端接低電平即可置數,B鍵彈開后,回到高電位,計數器又開始計數。圖2.4置數控制電路2.4.2清零控制電路直接清零功能添加在計數器模塊,由于74LS192的MR端具有清零的功能,由表2—1可看出當MR接高電平時,計數器清零。實際電路中,使用一個單刀雙擲開關,當計數器正常計數時,單刀雙擲開關接地,即MR為低電平計數,而單刀雙擲開關接高電平時,即MR為高電平,則計數器清零,同時高電平經反相器變?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構成的多諧振蕩電路的輸出端接至74LS10的輸入端1腳,當計數器計數時,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,計數器計數。當單刀雙擲開關接地,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,計數器不計數實現暫停功能,當開關置回高電平計數器則會繼續(xù)計數。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報警會使電路變得復雜而不直觀,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計電路。當低位計數器的借位輸出端TCD輸出借位脈沖,即74LS192計數器的個位遞減為"0"時,高位計數器才開始進行減法計數,當高位也減為"0"時,根據74LS192芯片的功能可知該芯片的借位輸出端TCD為低電平有效,故高位計數器的TCD端輸出低電平。如圖2.7所示,發(fā)光二極管的負極接低電平,此時發(fā)光二極管亮,即可實現計數器倒計數到"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有著重要的影響,所以對電路的調試十分重要。本課題是設計一個計時器,故時基電路即脈沖信號發(fā)生電路在本設計中至關重要,而其他各部分電路的輔助控制電路決定著系統最終各項功能的實現,這些都是調試的重點。3.1秒脈沖發(fā)生電路的調試通過555定時器、RC阻容件構成的多諧振蕩器,C2為10μF的電解電容,R1為15kΩ,R2為68kΩ,振蕩器輸出脈沖信號的周期約為1秒。把555產生的信號接到示波器,應用示波器的菜單功能查看該信號的周期,調節(jié)電位器使得輸出的信號的頻率為1Hz。觀察波形,發(fā)現過沖現象較為嚴重,干擾較多。檢查電路無誤,經查閱資料,發(fā)現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譯碼顯示電路的調試電路焊接完畢檢測后,發(fā)現數碼管顯示燈太亮,判定是因為流入數碼管的電流過大的原因。查閱資料得知,數碼管的限流電阻可以在100Ω—10kΩ之內,為防止電流太大而燒壞數碼管,也不致使數碼管顯示過于暗淡,最終決定在每一個譯碼器輸出端與數碼管的輸入端之間接入200Ω的限流電阻。經檢測,接入200Ω的限流電阻后,數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功能電路設計中,原先選用的單刀雙擲開關,置數時,單刀雙擲開關接低電平實現置數功能,要開始計數還得把開關撥回接高電平狀態(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。當按下B鍵,74LS192的端接低電平置數,松開手則回到高電平狀態(tài),計數器開始計數。電路改進后,置數后計數只需一個動作即可完成,方便使用者重新置數。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)會產生跳變。當暫停/繼續(xù)開關接地時,計數器暫停,但當開關重新接回高電位時,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。經分析,產生該問題的原因可能是因為撥動開關時的抖動給電路帶來影響,使信號發(fā)生了多次翻轉導致計時不連續(xù)。為了消除開關處的抖動,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,經檢測該方案效果不明顯。方案二是在單刀雙擲開關的兩極各并聯了一個10nF的電容,經檢測,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。第四章總結本設計主要通過模塊化思想,逐步設計所需達到的功能電路。根據實驗結果,本設計方案完成了設計的基本