數(shù)電課程設(shè)計(jì)-30S計(jì)時(shí)器

PAGE華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程系PAGEPAGE13數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目： 籃球競賽30s計(jì)時(shí)器專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：09電氣（6）班姓名：張澤雄學(xué)號(hào):200930084754同組隊(duì)員：徐英謀黃有義何耀成陳澤漢鄒迪日期：2011年6月24日目錄一、設(shè)計(jì)目的 2二、設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)任務(wù) 22.1設(shè)計(jì)要求 22.2設(shè)計(jì)任務(wù) 3三、總體框圖設(shè)計(jì)、 3四、功能模塊設(shè)計(jì)和原理說明 34.1設(shè)計(jì)原理 34.2設(shè)計(jì)方案 44.3單元模塊 44.3.1時(shí)鐘模塊 44.3.28421BCD碼遞減計(jì)數(shù)器模塊 64.3.3控制模塊 84.3.4譯碼顯示模塊 9五、總電路圖程序說明 11六、電路仿真與調(diào)試 126.1啟動(dòng)、暫停、置數(shù) 126.2倒計(jì)時(shí)功能 126.3報(bào)警功能 13七、總結(jié) 13設(shè)計(jì)目的現(xiàn)代社會(huì)電子計(jì)數(shù)器在許多領(lǐng)域中均得到普遍應(yīng)用，諸如在體育比賽，定時(shí)報(bào)警器、游戲中的倒時(shí)器，交通信號(hào)燈、紅綠燈、行人燈、交通纖毫控制機(jī)、還可以用來做為各種藥丸，藥片，膠囊在指定時(shí)間提醒用藥等等，由此可見計(jì)時(shí)器在現(xiàn)代社會(huì)是何其重要的。籃球作為一項(xiàng)全民健身項(xiàng)目，已有一定的歷史。在中國，籃球很盛行，籃球比賽也日趨職業(yè)化?；@球比賽中有一項(xiàng)違例時(shí)間要用倒計(jì)時(shí)器，目前多數(shù)采用的是24秒制，但隨著籃球制度的改革將會(huì)采用30秒制。有需要就會(huì)有市場，因此設(shè)計(jì)一款30秒計(jì)時(shí)器是非常有必要也非常有前景的。 該款計(jì)時(shí)器是在原來的基礎(chǔ)上把24秒制改為30秒制。該計(jì)時(shí)器要有遞減計(jì)時(shí)及報(bào)警功能。因此符合比賽中違例判罰的需要。在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時(shí)間不能超過30秒，否則就犯規(guī)了。本課程設(shè)計(jì)的“籃球競賽30秒計(jì)時(shí)器”，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時(shí)間30秒限制。一旦球員的持球時(shí)間超過了30秒，它自動(dòng)的報(bào)警從而判定此球員的犯規(guī)。本設(shè)計(jì)主要能完成：顯示30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)和暫停/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30秒遞減計(jì)時(shí)其計(jì)時(shí)間隔為1秒；計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，數(shù)碼顯示器不滅燈，同時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)等。整個(gè)電路的設(shè)計(jì)借助于proteus7.7仿真軟件和數(shù)字邏輯電路相關(guān)理論知識(shí)，并在proteus7.7下設(shè)計(jì)和進(jìn)行仿真，得到了預(yù)期的結(jié)果。設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)要求(a)具有30s計(jì)時(shí)功能，并且能夠?qū)崟r(shí)顯示計(jì)數(shù)結(jié)果(b)設(shè)有外部操作開關(guān)，控制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)直接清零、啟動(dòng)以及暫停/連續(xù)工作等操作。(c)計(jì)時(shí)器為30s遞減計(jì)時(shí)計(jì)時(shí)間隔為1s。(d)計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，數(shù)碼顯示器不能滅燈，同時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)。2.2設(shè)計(jì)任務(wù)（1）根據(jù)要求設(shè)計(jì)電路原理圖并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）進(jìn)行電路的仿真、調(diào)試，改進(jìn)直到電路能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。(4)寫出完整、詳細(xì)的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。三、總體框圖設(shè)計(jì)、譯碼顯示譯碼顯示譯碼顯示譯碼顯示譯碼驅(qū)動(dòng)譯碼驅(qū)動(dòng)譯碼驅(qū)動(dòng)譯碼驅(qū)動(dòng)控制電路控制電路脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器光電報(bào)警光電報(bào)警四、功能模塊設(shè)計(jì)和原理說明4.1設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)方案包括秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、輔助時(shí)序控制電路（簡稱控制電路）和報(bào)警電路5個(gè)部分構(gòu)成。其中，計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計(jì)數(shù)器完成30秒倒計(jì)時(shí)功能，而控制電路具有直接控制計(jì)數(shù)器的清零，啟動(dòng)和暫停/連續(xù)功能、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報(bào)警等功能。為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)控制電路及控制開關(guān)時(shí)，應(yīng)該正確處理各個(gè)信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。在操作直接清零時(shí)，要求計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器滅燈。當(dāng)啟動(dòng)按鈕開關(guān)時(shí)，輔助控制電路應(yīng)該封鎖時(shí)鐘信號(hào)CP，同時(shí)計(jì)數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示30s字樣，計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)；當(dāng)暫停/連續(xù)開關(guān)閉合（即撥到暫停位置）時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，處于保持狀態(tài)；當(dāng)斷開時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)遞減計(jì)數(shù)。當(dāng)開關(guān)閉合與高位那片74LS192的借位端連接時(shí)，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。且當(dāng)計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)到零時(shí)（即定時(shí)時(shí)間到），控制電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。4.2設(shè)計(jì)方案用555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生周期為1秒的脈沖，接著將該信號(hào)送到計(jì)數(shù)器74LS192的CP減計(jì)數(shù)脈沖端,再通過譯碼器把輸入的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(dòng)LED，顯示十進(jìn)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(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的直接清零，啟動(dòng)和暫停/連續(xù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報(bào)警等功能，光電報(bào)警用發(fā)光二極管來代替，燈長亮代表報(bào)警。4.3單元模塊4.3.1時(shí)鐘模塊采用555構(gòu)成的多諧振蕩電路（即脈沖產(chǎn)生電路），其內(nèi)部管腳圖如下圖3.通過計(jì)算可以確定參數(shù)的取值：R1=51KΩ，R2=47KΩ,C2=1.0uF,C1=10nF.因此產(chǎn)生的脈沖周期為：T=0.7(R1+2R2)C2=0.1s,之后經(jīng)過74LS161用異步清零法十分頻，使得74LS161輸出的脈沖周期為1s圖1脈沖電路芯片555555集成電路開始是作定時(shí)器應(yīng)用的，所以叫做555定時(shí)器或555時(shí)基電路。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號(hào)源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，如圖1所示。電路封裝圖如下圖2555集成電路封裝圖4.3.28421BCD碼遞減計(jì)數(shù)器模塊74LS192是一塊同步8421BCD碼加/減計(jì)數(shù)器，具有直接清零、置數(shù)、加鎖計(jì)數(shù)功能。計(jì)數(shù)器選用匯總規(guī)模集成電路74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)比較簡便。74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置，CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除，CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。圖3計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)電路由兩片74LS192來構(gòu)成。由于是做30s倒計(jì)時(shí)電路，所以計(jì)數(shù)CP脈沖應(yīng)從CPD端（即DOWN端）輸入，并且計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)（BCD碼）應(yīng)為00110000，其中上片74LS192置為0000，下片74LS192置為0011，即為十進(jìn)制的30.它的計(jì)數(shù)原理是：只有當(dāng)?shù)臀籅O端發(fā)出借位脈沖時(shí)，高位計(jì)數(shù)器才作遞減計(jì)數(shù)。當(dāng)高、低位計(jì)數(shù)器處于全零，且CPD為0時(shí)，置數(shù)端LD為0，計(jì)數(shù)器完成并行置數(shù)，在CPD端的輸入時(shí)鐘脈沖作用下，計(jì)數(shù)器再次進(jìn)入下一次循環(huán)減計(jì)數(shù)。芯片74LS19274LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能.圖4封裝管腳圖74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。其功能表如下：圖574LS192的功能表4.3.3控制模塊控制電路要完成以下功能：1.設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計(jì)數(shù)器的直接置數(shù)，啟動(dòng)和暫停/連續(xù)功能。（1）接通電源計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，按下按鈕開關(guān)開關(guān)，計(jì)數(shù)器完成置數(shù)功能，顯示器顯示30秒字樣，計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。（2）單刀雙擲開關(guān)在本設(shè)計(jì)中起暫停/連續(xù)作用，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)閉合后，計(jì)數(shù)器進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。若閉合開關(guān)，則計(jì)數(shù)暫停。當(dāng)計(jì)數(shù)到零時(shí)，兩計(jì)數(shù)器借位端輸出為零，，該設(shè)計(jì)中將高位片借位端通過非門、與非門、使輸出唯一狀態(tài)0，與脈沖信號(hào)通過與門，通過非門鏈接到0.7V的紅色發(fā)光二極管，使二極管常亮（光電報(bào)警信號(hào)），完成報(bào)警功能。而在遞減計(jì)數(shù)時(shí)，74LS192的借位端輸出為高。圖6整體電路4.3.4譯碼顯示模塊CD4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，特點(diǎn)：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。CD4511是一片CMOSBCD—鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，引腳排列如圖2所示。其中abcd為BCD碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時(shí)，顯示器正常顯示，加低電平時(shí)，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點(diǎn)亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時(shí)使所有筆段均消隱，正常顯示時(shí)，B1端應(yīng)加高電平。另外CD4511有拒絕偽碼的特點(diǎn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時(shí)，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時(shí)鎖存，低電平時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。a～g是7段輸出，可驅(qū)動(dòng)共陰LED數(shù)碼管。另外，CD4511顯示數(shù)“6”時(shí)，a段消隱；顯示數(shù)“9”時(shí)，d段消隱，所以顯示6、9這兩個(gè)數(shù)時(shí)，字形不太美觀圖3是CD4511和CD4518配合而成一位計(jì)數(shù)顯示電路，若要多位計(jì)數(shù)，只需將計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，每級(jí)輸出接一只CD4511和LED數(shù)碼管即可。所謂共陰LED數(shù)碼管是指7段LED的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地。限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時(shí)可使用300Ω的限流電阻。圖7引腳圖其功能介紹如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當(dāng)BI=0時(shí)，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測試輸入端，當(dāng)BI=1，LT=0時(shí)，譯碼輸出全為1，不管輸入DCBA狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。LE：鎖定控制端，當(dāng)LE=0時(shí)，允許譯碼輸出。LE=1時(shí)譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時(shí)的數(shù)值。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD4511的工作真值表如下：五、總電路圖程序說明圖8整體電路圖程序說明：接通電源計(jì)數(shù)器啟動(dòng)，按下按鈕開關(guān)開關(guān)，計(jì)數(shù)器完成置數(shù)功能，顯示器顯示30秒字樣，計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。單刀雙擲開關(guān)在本設(shè)計(jì)中起暫停/連續(xù)作用，當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)閉合后，計(jì)數(shù)器進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)。若閉合開關(guān)，則計(jì)數(shù)暫停。當(dāng)計(jì)數(shù)到零時(shí)，兩計(jì)數(shù)器借位端輸出為零，，該設(shè)計(jì)中將高位片借位端通過非門、與非門、使輸出唯一狀態(tài)0，與脈沖信號(hào)通過與門，通過非門鏈接到0.7V的紅色發(fā)光二極管，使二極管常亮（光電報(bào)警信號(hào)），完成報(bào)警功能。六、電路仿真與調(diào)試6.1啟動(dòng)、暫停、置數(shù)接通電源，按下開關(guān)按鈕置數(shù)，顯示30S開始倒計(jì)時(shí)，斷開單刀雙擲開關(guān)暫停6.2倒計(jì)時(shí)功能6.3報(bào)警功能當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)至0時(shí)，數(shù)碼顯示器停止在0，同時(shí)紅色的發(fā)光二極管常亮。七、總結(jié)籃球競賽30S計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)主