篮球30秒计时器

1、 设计目的 掌握数字电路系统的设计方法、装调技术及篮球竞赛30秒计时器的设计，使得学生将所掌握的电子技术理论知识与实际相结合，提高学生的动手设计能力和科研创新能力，更好的培养学生的学习兴趣。 2、 设计内容和要求 2.1设计内容： 1、了解计数器、计时器的工作原理； 2、熟悉74LS192、74LS48、74LS161、数字显示器BS202等芯片的性能及其引脚功能； 3、掌握用上述器件构成篮球竞赛30秒计时器的方法和具体的实现电路。 2.2设计要求： 1、具有显示30S计时功能； 2、设置外部操作开光，控制计时器的直接清零、启动、暂停、连续功能； 3、计时器为30S递减计数器，其计时间隔为1S； 4、计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。 3、 系统总结及工作原理 3.1系统组成 本课程设计主要包括秒脉冲发生电路、计数电路、数码显示电路和报警电路，控制电路是由各外部操作开关组成，而秒脉冲发生器是由555定时器构成，计数电路则由计数器组成。其设计原理构图如下： 图3.1参考原理图 3.2工作原理 冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路等五个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的主要模块。控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示与灭灯、定时时间到报警等功能。当启动开关闭合时，555振荡器将产生的信号送至计数器的DOWN信号输入端，减计数器开始工作，完成30秒计时功能。 秒脉冲发生篮球30秒计时器的总体参考框图如图3.1所示。它包括控制电路、秒脉器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时，但本设计对此信号要求并不太高，故电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡器构成。 译码显示电路由CD4511和共阴极七段LED显示器组成。报警电路在设计中可用发光二极管代替。 分析设计任务，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30s计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停／连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。为了满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。 当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示“30”字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；为了简单起见，我们将暂停与连续的控制开关放在555电路模块中，通过控制脉冲信号的传送来达到相应的目的。最后灭灯电路是通过74LS192的清零端和CD4511的灭灯输入信号来实现的。当计数器CLR端输入高电平时清零，而此时在CLR端接一个非门，再将非门的输出接至CD4511的BI’端，就能保证CD4511的灭灯输入信号BI’=0，使数码管灭灯。从而就完成了灭灯电路的实现。进而实现整个课程设计的要求。 4、 单元电路设计、参数计算、器件选择 4.1控制电路 4.1.1暂停/连续控制电路 电路中通过外部操作开关控制脉冲信号的连续与暂停来实现整个电路的连续与暂停功能。因为555振荡器本身产生的秒信号就不是很稳定，若将开关接到信号输出端，在拨动开关时产生的振动会影响555信号的输出，从而影响电路的正常工作。所以设计时，我们将暂停/连续开关放在多谐振荡器的电阻所在支路上，其原理图如图4.1.1所示： 图4.1.1 暂停/连续电路 4.1.2置数/启动控制电路 本单元中应用了触发器的记忆功能来实现置数信号的关与闭。电路制作过程中，我们选择的是按钮开关来实现这一功能。但按钮开关在使用时要一直按住，很不方便，于是我们就在这部分电路中加了一个RS触发器，通过它的记忆功能来简化操作。电路如下所示： 图4.1.2 置数/启动控制电路 4.1.3清零/灭灯控制电路 设计中要求电路具有直接清零功能并且在清零时数码管显示灭灯。其电路如图4.1.3： 图4.1.3 清零/灭灯电路 4.2秒脉冲发生电路 设计中采用NE555来产生一秒的脉冲信号。555集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。它结构简单，使用灵活，用途广泛，可以组成多种波形发生器﹑多谐振荡器﹑定时延时电路﹑单稳触发电路﹑双稳态触发器﹑报警电路﹑检测电路﹑频率变换电路等。 设计要求要产生一个1s的脉冲信号来作为电路的CP脉冲信号。通过计算得到图4.2.1电路中的参数。 图4.2.1 秒脉冲发生电路 555信号周期计算 其中R1=R2=48 KΩ,C=0.1uF,C1=10uF.因为T=(R1+2R2)C㏑2 ，算得T=1.008 s 下面是555的内部结构和引脚图： 图4.2.2 555内部结构及引脚图 555各引脚的具体功能如下： 1地GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值) 7放电 8电源电压VCC 下表为555的功表： 表3.2.2 555定时器功能表 输入 输出 阈值输入 6 触发输入 2 复位 4 输出 3 放电管T 7 X X 0 0 导通 <2/3VCC <1/3VCC 1 1 截止 >2/3VCC >1/3VCC 1 0 导通 <2/3VCC >1/3VCC 1 不变 不变 由图4.2.2不难表4.2.2的正确性，表中第一行说明555定时器的清零作用。4脚加入低电平，将对RS触发器直接置“0”。接在 端的三极管起跟随缓冲作用。 当TH高触发端6脚加入的电平大于，TL低触发端2脚的电平大于时，比较器A1输出高电平，比较器A2输出低电平，触发器置“0”，放电管饱和，7脚为低电平。 当TH高触发端加入的电平小于，TL低触发端的电平大于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。 当TH高触发端6脚加入的电平小于，TL低触发端的电平小于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。 当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。 4.3计时电路 4.3.1计数器 在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。 计数器的种类非常多。如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。在设计中我们选择的是同步加/减计数器74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数，其详细引脚图及功能表如下： 图4.3.1 74LS192引脚图 表4.3.1 74LS192功能表 输入 输出 CR LD CPU CPD D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 X X X X X X X O 0 0 0 0 0 X X d c b a d c b a 0 1 1 1 X X X X 保持 0 1 1 X X X X 加计数 0 1 1 X X X X 减计数 表中CR是清零端，LD是置数端，CPU是加计数时钟输入端，CPD是减计数时钟输入端，D3﹑D2﹑D1﹑D0DO都是计数器预置数输入端，Q3﹑Q2﹑Q1﹑Q0都是数据输出端，另外，C0是非同步进位输出端，BO是非同步借位端输出端。 4.3.2计时电路的组成 设计中通过两片74LS192的级联来实现一个30进制的计数器。当低位片从0跳到9时，高位片进位加一，直到实现三十秒的计数功能。再者，因为要求中提到要求电路要实现倒数计时，所以74LS192的加计数器信号输入当应该加上无用性号（高电平）。计数电路的核心是置数部分。本设计中的30秒只需将两计数器的输入端分别置为0011和0000即可，采用同步置数的方式来实现30置数。因为74LS192是十进制的计数器，所以当倒计时为0时，计数器会跳到99，因此我们采用99置数来解决这个问，最后让显示器停在30秒处。计数电路如下： 图4.3.2 计时电路 4.4译码显示电路 4.4.1七段发光二极管（LED）数码管 LED数码管是目前最常用的数字显示器，图4.4.1（a）及（b）所示为共阴管及共阳管的引脚功能图和电路。 一个LED数码管可用来显示一位(0～9)十进制数和一个小数点。小型数码管每段发光二极管的正向压降随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略差别，通常约为2~2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5~10mA之间。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。 共阴接法和共阳接法的区别在于它们公共端的接法不一样。共阳接法中，数码管的公共端3和8都接VCC，而共阴接法中，3、8脚都接GND。本次试验中我们所使用的BS202为共阴接法，如图所示。 4.4.2 CD4511 BCD码七段译码驱动器型号有74LS47（共阳）74LS48（共阴）、CD4511（共阴）等，本次使用的是CD4511。 图4.4.2所示为CD4511引脚排列图。其中A~D为BCD码输入端;a~g为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动LED共阴数码管；LT’为测试输入端，LT’=0时，译码输出全为“1”；BI’为消隐输入端，BI’=0，译码输出端全为“0”；LE为锁定端，LE=1时译码器处于锁定状态，译码输出端保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。 CD4511内有上拉电阻，故只需要在输出端与数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。 表4.4.2 CD4511功能表 输        入 输        出 LE BI LI D C B A a b c d e f g 显示 X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐 1 1 1 X X X X 锁       存 锁存 图3.4.2 CD4511引脚图 4.5报警电路 设计中要求电路在计数为0时实现光电报警的功能。设计方案中我们用或门和发光二极管实现了这一功能。电路图如下图4.5： 图4.5 报警电路 上示电路中，将两片计数器74LS192的输出通过或门连接到发光二极管，当八个输出都为0时，即数码管显示为00时，或门最终输出低电平，发光二极管导通发光，完成光电报警功能。 4.6总原理图 5、 各电路运行结果 5.1 555输出波形图 开关断开时，输出高电平1，开关闭合时输出矩形方波。 5.2计时显示 开关接低电平时预置30，接高电平时异步清零。 6、 收获与体会 本次课程设计是我们第二次课程设计。作为是电子信息工程专业的学生，设计是我们将来必需的技能，这次课程设计恰恰又给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆及网上查找资料到对电路的设计和电路的仿真，再到最后运行出结果，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次课程设计有苦也有甜。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。     制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚韧的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如CP脉冲的供给通断等。在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做。总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦。 七、参考文献 [1]彭介怀·电子技术课程设计·北京：北京高等教育出版社,2003。 [2]王公望·现代电子电路应用基础·西安：西安电子科技大学出版社，2005。 [3]刘培植·数字电路设计与数字系统·北京：北京邮电大学出版社，2005。 [4]阎石·数字电子计术基础·北京：高等教育出版社，2006。 [5]Blach.M·完整的数字设计·北京：清华大学出版社，2006。 [6]康华光·电子技术基础数字部分（第五版）·北京：高等教育出版社，2005. [7]祁存荣·电子技术基础实验（数字部分）·武汉：武汉理工大学教材中心，2008. [8]魏立君·韩华琦·CMOS4000系列60种常用集成电路的应用·北京：人民邮电出版社，2003. 附录：元件清单 元件名称 型号 规格 数量 备注 数码管 共阴极 小号 2 10脚 七段译码显示器 CD4511 直插式 2 16脚 8421BCD码计数器 74LS192 直插式 2 16脚 脉冲电路 555 直插式 1 8脚 非门集成芯片 74LS04 直插式 1 14脚 四2输入与非门集成芯片 74LS00 直插式 1 14脚 电容 电解 0.1uF、10uF 2 色环电阻 Rest 200、Ω10KΩ、1KΩ、47KΩ、 若干 发光二极管 LED 小号 1 红色 开关 按键、拨动 一路、两路 3 四2输入或门集成芯片 74LS32 直插式 2 14脚 导线 若干 译码显示电路 计时电路 秒脉冲发生器 外部操作开关 控制电路 报警电路 PAGE - 13 - _1356330502.bin