NBA篮球竞赛24秒计时器课程设计报告.docx

电子技术综合课程设 计 课 程： 电子技术综合课程设计 题 目: NBA篮球竞赛24秒计时器 所属院(系): 物理与电信工程学院 专 业 班 级: 通信1104班 姓 名: 学 号: 指导老师 刘亚峰 完成地点 c1103 2014年 10 月 8 日22前言数字电子技术课程设计是数字电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒计时器。此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的应用价值。 此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。在设计此计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。第 1 页 共 26 页目 录前言1任务书41 计时器的概述51.1计时器概述51.2 设计任务及目标51.3 方案论证52 理论设计62.1 理论电路的设计62.2 电源部分的设计82.3 控制电路的设计82.4标准脉冲发生电路的设计102.5 计数器及译码显示电路的设计102.6 报警电路112.7 整体电路初稿123 仿真调试及实验装调133.1 电路的安装133.2 电路的调试143.3 电路的置数状态143.4 电路的开始状态153.5 报警状态164 心得体会175 总结18附录1 整体电路图19附录2 元器件清单20附录3 器件管脚与功能说明21任务书一、任务及要求要求:设计一个24秒计时器显示报警系统:1、电路启动后开始倒计时，计时间隔为1s，并要求由555定时器构成的多谐振荡器产生周期为1s的脉冲信号，2、作为计数器的时钟脉冲, 二位7段显示秒,倒计时至0秒时，电路报警。3、报警声持续3S,显示器不能灭灯.4、计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能利用外部开关控制。二、系统设计结构框图 根据给定设计任务及要求,确定系统原理框图如图1所示。图中,计数器完成24秒倒计时功能, 控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计时,译码显示电路的显示与熄灭、定时时间到报警功能。图1.系统设计结构框图三、参考资料数字电子技术实验任务书实验四及实验六 电子技术基础课程设计资料4第 4 页 共 26 页1 计时器概述1.1计时器概述随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，定时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛24秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间24秒限制。一旦球员的持球时间超过了24秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。本设计主要能完成：显示24秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为24秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。1.2 设计任务及目标（1） 根据原理图分析各单元电路的功能； （2） 熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能； （3） 进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求； （4） 写出完整、详细的课程设计报告。1.3 方案论证本设计的核心部分是要设计一个24s倒计数器，并且对计数结果进行实时显示，同时要实现设计任务中提到的各种控制要求，因此该系统包括秒脉冲发生电路，计数器电路，译码显示电路，控制电路和电路报警电路5部分。其中，计数器电路和控制电路时系统的主要部分。计数器电路完成24s倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动记数、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，数码显示器显示零。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24S字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；当暂停。连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，出于保持状态；当暂停、连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。系统设计框图如（1）、（2）。秒脉冲发生器计数器译码显示控制电路报警电路外部操作开关1.3.1 方案一 图1 整体方框图一1.3.2 方案二秒脉冲发生器计数器控制电路报警电路译码显示外部操作开关 图2 整体方框图二 1.3.3 方案确定方案一的控制电路对每一单元模块实行独立的控制，相对与方案2电路更具有稳定性，所以我们选择方案1。2 理论设计2.1 理论电路的设计2.1.1电路原理图设计 图2-1 理论电路2.1.2元器件选择及参数计算555定时器74LS4874LS7674LS192BCD-七段显示数码管（共阴极）2.2电源部分电源部分要求能够产生5V电压。主要有以下的电路构成：变压电路，桥式整流电路，滤波电路，稳压电路。变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，整流电路的输出波形中含有较大的交流分量，会影响带负载电路的正常工作，为了减小电压的脉动，需要经过低通滤波电路使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，因而获得足够高的稳定性。图2-2 电源电路2.3 控制电路的设计篮球竞赛24秒计时器功能控制由外部操作开关控制实现，如图2-8所示。由于开关断开，悬空处于高电平状态，所以置零端与高调平通过反向器连接，开关与反向器并联，按下可将反向器短路，实现置零。置数端通过开关与低电平连接实现，按下则可置数。暂停则通过与非门和非门以及T触发器的反转控制脉冲信号实现。显示器的亮灭由外部开关控制；当启动按键闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP（脉冲信号），同时完成置数功能，显示器显示24s字样，当启动按键释放时计数器开始减法计数；当暂停/连续开关处于暂停状态时，控制电路封锁计数脉冲，计数器停止计数，显示器显示原来的数，而且保持字符不变，当暂停/连续开关处于连续状态时，计数器正常计数；当计数器递减到0时，控制电路输出报警信号，计数器保持不变；当操作直接清零按键时，要求计数器清零。通过对BI引脚的控制，实现显示器的亮灭。通过对74LS192的LOAD（11号引脚）控制，实现置数操作。通过对秒脉冲的OUT（3号引脚）控制，实现暂停/连续功能。通过对74LS192的CLR（14号引脚）控制，实现清零操作。 图2-3 控制电路2.4 标准脉冲发生电路 标准秒脉冲发生电路如图2所示, 它是由555定时器组成的多谐振荡器。定时元件R1 为630k, R2 为400k, C为1F,产生1Hz的标准脉冲信号。计算公式如下:充电时间为 （ ） Cln2 0.7 （ ） C 放电时间为 Cln2 0.7 C 振荡周期为 T 0.7 （ 2 ） C 振荡频率为 图2-4 标准脉冲发生电路2.5 计数器及译码显示电路计数器采用74LS192同步可逆双时钟计数器,其管脚引线排列图如图2-1所示。74LS192的UP、DOWN端分别是加/减计数器的时钟输入端。在置数控制端LOAD = 1、清零端CLR = 0的情况下,若DOWN = 1, 计数脉冲加入到UP端,则计数器在预置数的基础上完成加计数, CO端发出进位负跳变脉冲;若UP = 1, 计数脉冲加入到DOWN端,则计数器在预置数的基础上完成减计数,当减计数到0时, BO借位输出端发出借位负跳变脉冲。LOAD为异步并行置数控制端,当LOAD= 0时,计数器置数,LOAD = 1时,计数器处于计数状态。计数器及译码显示电路如图4所示。用两片74LS192设计成二十四进制减法计数器,由74LS48译码,七段码显示器显示计时时间。计数器个位预置成4,置数端A、B、D均接低电平“0”，C接高电平“1”。计数器十位预置成2，A、B两置数端接高电平“1”, C、D端接低电平“0”。计数脉冲信号接入个位计数器的DOWN减脉冲输入端(UP端接高电平) 。根据设计要求,计数器计数到零时应停止计数,为此,将十位计数器的BO借位端与脉冲信号源通过与门联接,使计数到零时,BO2= 0,封锁CP信号,计数器保持零状态不变,控制电路发出报警声信号，使报警电路工作，信号灯亮。图2-5 计数器级译码显示电路2.6 报警电路根据系统要求报警声持续3S,显示器不能灭灯，为了实现这个功能采用555定时器构成的单稳态触发器控制发出3秒的信号使报警电路可以持续报警3s。脉冲由高位74LS192的借位输出端提供。电路如图所示。在这个单稳态触发器中输出脉冲宽度等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻R和电容C的大小。Tw=1.1RC经过计算可以选择所需的电阻和电容的大小。声光报警电路由蜂鸣器和红色LED发光二极管构成，当计数器递减到00时，产生低电平，使LED导通发亮，同时在另一支路，蜂鸣器发声报警。图2-6 报警电路2.7整体电路初稿3 仿真调试及实验装调 3.1 电路的安装电路安装要注意几个原则：1.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊的等；2.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；3. 最好分模块安装等等。3.2 电路的调试调试时应小心谨慎，电路安装完毕后，首先应检查电路各部分的接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路，器件有无接错。再接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。3.3 电路的置数状态仿真图：经过仿真测试，计数器置数正常，显示24，符合要求。实物图：3.4 电路的开始状态仿真图： 经过仿真测试，计数器计数正常，从24到0递减，符合任务书要求。3.5 报警状态仿真图：经过仿真测试，当计数器递减到0时，报警电路蜂鸣器报警，发光二极管亮，并持续3s。符合任务书要求。实物图：4 心得体会虽然只有短短的三周时间，但这次课程设计是我在觉得在大学里有启蒙意义也是收获颇大的一次实践过程。身为物理与电信工程学院的学生，以后走向工作岗位，设计是我们需要的技能。在这里这次课设给我们提供了一个应用所学知识的机会。从通过参阅资料的设计，到确定具体方案，再到安装实际电路，最后到调试电路、成型。整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，这次课设是针对前面所学的模电和数电知识进行的一次比较综合的检验。依自己能力来看，这次课设有很大难度，问题是既然学校安排了，它就有依据，是为了让我们能更好的适应以后的工作吧。在设计的过程中，正确的思路是很重要的，确保设计思路正确，那你的设计才能迈出第一步。因此我们在设计前必须做好充分的准备，查找课设所需的资料，为我们设计做好提前准备。在本次设计中，我负责的是电路的控制部分，其中，我觉得最难得是控制计数，这涉及到用减法计数器，与数字电子技术基础紧密联系，要求我们对计数器的功能，引脚都十分熟悉；接着有挑战的部分就是三个控制开关，置数，暂停，清零。开始设计的单刀双掷开关实验室不能提供，仅有简单的单向开关，这只适合置数和计数控制，因此再后来我们又对置零和暂停开关进行了修改，由于开关悬空处于高电平，所以置零开关用了将反向器短路的方法实现，暂停开关则在老师的提示下用了JK触发器接成T触发器，用它的翻转功能来实现暂停开始的控制。前面电路的理论设计是考验你思维逻辑的严谨，推理的正确性，那么安装、调试过程则是严谨与恒心并重的过程，对电路的安装、分析、调试要分步来，不能急躁。如，在仿真中高电平，底线的安排，只要连接就行，在实物的连接中，你的合理安排，不然你将会面临到处是通路的情形。因为是在仿真软件上较理论上还是存在一定的差距，仿真能出来结果的在实际电路不一定就能出来，这就需要我们有耐心，寻找一个比较正确的调试方法。要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前提。这样就能对试验中出现的问题进行有序、可行的分析和解决。能够顺利完成本次设计，与老师的指导十分紧密，在此，感谢老师的指导！5 总结本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求：时钟模块为减计数提供一个频率为1Hz的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为1秒钟；计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；控制模块主要是为了实现计时器的启动、直接清零和暂停/连续功能，其中在直接清零时，由外控制开关控制译码器消隐端，从而可以实现显示译码器灭灯；通过暂停/连续开关从而实现断点计时功能。至此，本设计能完成所有任务及要求。 参考资料1、 数字电子技术基础第五版，高等教育出版社。2、 数字电子技术实验任务书，陕西理工学院物电工程学院。附录1整体电路图第 19 页 共 26 页附录2元器件清单元件名称规格用途数量74LS192控制计数274LS48译码2BCD-七段显示数码管共阴极2555定时器提供脉冲，控制报警274LS76控制暂停174LS20控制暂停及结束时停止174LS04非门1开关控制暂停，复位，清零3蜂鸣器报警1发光二极管报警1电容1uf（2）,10uf（3）5电阻630k,390k,50k,270k,1k5附录3元器件管脚与功能说明1. 74LS192芯片(1)74LS192引脚图如下各引脚功能符号的意义：D0D3：并行数据输入端 Q0Q3：数据输出端CU：加法计数脉冲输入端 CD：减法计数脉冲输入端RD ：异步置 0 端（高电平有效） ：置数控制端（低电平有效）C ：加法计数时，进位输出端（低电平有效） B ：减法计数时，借位输出端（低电平有效）图（1） 74LS192管脚图(2)74LS192功能表 输入输出LD RD CU CD D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q3 Q40 0 d0 d1 d2 d3 d0 d1 d2 d31 0 1 加计数1 0 1 减计数1 0 1 1 保持 1 0 0 0 0表（2） 74LS192功能表2. 555定时器555 定时器是一种模拟和数字电路混合的集成电路。它结构简单、性能可靠、使用灵活，在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。前生产的定时器有双极型和 CMOS 两种类型.通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而 CMOS 定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。 555 定时器工作的电源电压范围很宽，并可承受较大的负载电流。555定时器内部结构简化原理图555定时器引脚图图2 555定时器管脚图第 22 页 共 26 页 3. 74LS76JK触发器图3 74LS76管脚图4.74LS48及七段显示器74ls48简要说明：74LS48用于驱动共阴极数码管，其输出端与七段显示