下棋定时钟设计 -毕业设计

PAGE21下棋定时钟设计学生：XX指导教师：XX内容摘要：下棋定时钟设计是在下棋比赛过程中，两人下棋时对双方的每一步行棋时间设定一个倒计时。本设计采用CD4060分频实现秒脉冲，可逆十进制计数器74LS192实现倒计时，LED数码管显示剩余时间。此设计应用十分广泛，可用于下棋比赛或者是平常的对羿中限定时间等。经过小小的改动，此设计还可用于其它倒计时，例如：篮球比赛中的24秒进攻倒计时，交通灯电路的设计等。本设计还有很多优点，如结构简单，制作成本低，便于空闲时个人制作。关键词：下棋分频倒计时LED显示

ChesssetclockdesignAbstract:Thetimingdesignofplayingchessisthatwhentwopeopleplaychessinplayingchesscompetitionprocess,atimecountdownissetuptothebothsidestolimitthetimeofeachfoot.ThedesignusestheCD4060todividefrequencytogainthesecondofpulse,reversibledecimalsystemcounter74LS192torealizethecountdownoftime,andtheLEDnumericalcodetodemonstratetheremainingtime.Theapplicationofthisdesignisverybroad,itmaybeusedtoplaychessprescribingatimelimittowaitamongcompetitionortwopeople’sgameintheusualtime.Byalittlechanging,thisdesignmaybeusedinothertimecountdown,forinstance:Countdown24secondsinbasketballattackinggame,circuitaldesignoftrafficlightandsoon.Thedesignstillhavingmanymerits,forexample,itsstructureissimpleandthecostislow,anditisfittopersonalmakinginsparetimeverywell.Keywords:PlaychessFrequencydivisionTimecountdownLEDdisplay

目录前言 11下棋倒计时系统设计介绍 22下棋倒计时整体电路设计 22.1选手按键部分的设计 22.1.1RS触发器的特点 32.1.2按键部分的实现 32.2秒脉冲的设计 42.2.14060的特点 42.2.24013的功能 52.3倒计时的设计 62.3.2秒倒计时的实现 72.4显示部分的设计 82.4.1数码管的选择 82.4.2显示部分的实现 82.5报警部分 82.5.1蜂鸣器工作原理 82.5.2报警电路的实现 92.6电源部分电路设计 93设计总电路图 104方案局部仿真 114.1按键部分 114.2秒脉冲部分 114.3倒计时部分 114.4显示时部分 125元件清单 126结束语 13参考文献 15下棋定时钟设计前言为使用方便，下棋定时钟总体上只设计了两个按键，一个拨动开关和两个拨码开关，拨动开关用于开始或暂停，两个按键用于选手，以上每个器件配备一个指示灯，哪位选手按键的指示灯亮就表示对这位选手进行倒计时，开始开关指示亮表示开始，未亮则表示暂停，拨码开关用于设定倒计时时间。过程说明：下棋倒计时器通电后，所有指示灯熄灭，用拨码开关进行倒计时时间设定，拨动开关导通后，开始指示灯亮，可进行倒计时，甲乙中某方首先出棋，如甲方出棋后按下其按键，则乙的指示灯亮（甲的指示灯不亮），且同时对乙进行倒计时，乙方必须在倒计时结束前行棋并按下其对应的按键，此时甲的指示灯亮，对甲进行倒计时，如此循环，某一方在设定时间内未行完棋的，即未在倒计时到零前按下选手键的，蜂鸣器将报警。主要技术指标：▲应用数字电路设计一个下棋定时数字钟；▲限定时间为0～60秒；▲两人使用，停止本方计时，启动对方计时；▲超时报警；▲功耗低，体积小，重量轻，交直流两用。1下棋倒计时整体电路设计按照系统设计的要求，系统由6个模块组成：电源、秒脉冲、倒计时、选手操作、倒计时显示、超时报警。电源部分主要提供较稳定的5V直流电源；选手操作部分是要实现停止本方计时，启动对方计时；秒脉冲部分是要实现1Hz的脉冲信号，为倒计时部分提供信号源，下棋倒计时系统结构图如图2-1所示。图2-1下棋倒计时系统结构框图1.1选手案件部分的设计按键部分要求甲方按下其按键时，乙的指示灯亮，甲的指示灯不亮；乙方按下其按键时，甲的指示灯亮，乙的指示灯不亮。因此可以采用RS触发器对电路进行转换，具体设计如下：1.1.1RS触发器的特定基本

RS

触发器具有置“

0

”

和置“1”

的功能，这种功能是由触发信号决定的。RS触发器的真值表如图1.1.1-1，它由两个或非门组成，为高电平触发，此设计采用的是由四或门CMOS器件CD4001组成RS触发器[1]。图1.1.1-1触发器真值表1.1.2案件部分的实现如图1.1.2-1连接按键部分后，当按键A被按下时，Q端输出高电平B方指示灯亮，端输出低电平，A方指示灯不亮；当按键B按下时，Q端输出低电平B方指示灯不亮，端输出高电平，A方指示灯亮。从而可以实现停止本方计时，启动对方计时的要求。图中限流电阻R31和R32阻值参数计算如下[2]：门电路输入信号为高电平，输出为低电平，故有：(1.1.2-1)（其中为LED的电流，为LED的正向压降，为门电路的典型输出低电平电压）由于=5mA，=2.2V，=5V，=0.5V，所以可得：＝480Ω(1.1.2-2)可取常用值470Ω。下拉电阻R33和R34是为了保证门电路没有悬空状态，阻值选择1kΩ。图1.1.2-1按键部分的设计1.2秒脉冲的设计脉冲源是倒计时器的心脏，它能自动不停地产生脉冲信号，以供计时之用，其的稳定性和准确性对计时器起着至关重要的作用。由于整个电路需要1Hz的脉冲，采用将32768Hz的晶振用CD4060进行14级分频，分频后可得到2Hz的脉冲，再用4013进行一次分频，就可得到1Hz的脉冲。1.2.14060的特点CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数较高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为2Hz，图4的电路为常用的石英振荡电路，外接小容量电容和石英晶体与内部电路形成振荡，振荡频率有很高的稳定度和精度，Q5~Q14输出的是分别除以……的频率，Cb用于微调频率。图1.2.1-1CD4060常用电路图1.2.213的功能用双D触发器4013构成T＇触发器，实现二分频。1.2.3秒脉冲的实现由CD4060和4013组成的秒脉冲部分电路如图5，设计中C4选取15pF的瓷介电容，C5选30pF的微调电容。秒脉冲部分总电路如图1.2.3-1所示。图1.2.3-1秒脉冲部分总电路图在4013的信号输出端和两块74LS192计数脉冲进入端之间加入一个拨动开关S3（见总电路图），作为开始或暂停键使用。再加入发光二极管做指示灯，为保证其正常工作，采用与按键指示灯相同的接法，电阻采用同样大小的470Ω。1.3倒计时的设计要实现倒计时，除了秒脉冲之外，还需要倒计时计数器，此处可采用74LS192实现，因为74LS192是异步置数，同步可逆十进制计数器，且输出为BCD码。1.3.174LS192的特点选用74LS192是因为要求一开始显示的值为0～60秒中预选的数，而74LS192是可以预置的，其功能简介如下：▲CR是异步清零端，且高电平有效；▲是并行置数端，低电平有效，且在CR＝0时有效；▲CPU和CPL是两个时钟脉冲，当CPL＝1时，时钟脉冲由CPU端接入，并且CR＝0，＝1时，74LS192处于加计数状态；当CPL＝1脉冲从CPD端输入，且CPL＝CPU=1时，计数器处于保持状态。当CPL＝1脉冲从CPD端输入，且CR＝0，＝1计数器处于减计数状态。▲是非同步进位输出端，是非同步借位输出端。 74LS192的视图及管脚简介如图1.3.1-1，其真值表如1.3.1-1。图1.3.1-174LS192引脚图表1.3.1-174LS192的真值表输入输出CRCPLCPDD3D2D1D0Q3Q2Q1Q01×××××××000000××dcbadcba0111××××加计数0111××××减计数1.3.2秒倒计时的实现电路设计：由于一个74LS192只能实现十以内进制的倒计时，要实现0～60进制都可进行的倒计时，必须由两个74LS192组成可以实现0～99进制的倒计时器。具体设计如图1.3.2-1。图2.3.2-1由两个74LS192组成99进制倒计时1.4倒计时过程描述▲在甲选手按键按下前，乙选手两个74LS192的CR＝0，＝0，CPL和CPD为任意值时为置数状态，两个74LS192输出数据为预先设定的0～60中的数；甲选手按键按下后对甲方两个74LS192置数，乙方两个74LS192的＝1，CR＝0，＝CPL＝1，CP接高电平，计数脉冲由减计数端CPD输入，进行减计数。▲减计数时，计个位数的74LS192计数到0时借位输出端输出低电平，输入到计十位数的74LS192，计十位数的74LS192计数减少一位。▲若乙方按下按键，则又对甲方倒计时；当某方两个74LS192的数据都减少到0时，选手还未按下按键，计十位数的74LS192的端就会发出低电平驱动蜂鸣器发出鸣叫声。▲控制置数部分由两个拨码开关控制。1.4.1显示部分的设计由于倒计数部分输出的是BCD码，采用74LS48译码，译码之后可直接用共阴极的数码管显示。1.4.274LS48的特点74LS48是较常用的译码器，它能将BCD码转换为和七段数码管相对应的信号输出，其译码对应表如表1.4.2-1所示。表1.4.2-1译码器74LS48的功能表十进制或功能输入输出DCBAabcdefg0123456789101112131415消隐动态消隐试灯输入HHHHHHHHHHHHHHHH´HLH´´´´´´´´´´´´´´´L´LLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHLLLHLLHHLHLHLHHHHLLHHLHHHHLHHHH´´´´LLLL´´´´HHHHHHHHHHHHHHHHLLHHHHHHHLLHHLLLLHHLHHLHHHHHLLHLHHLLHHHLHHLHHHLHHHHHHHHLLLLHHHHHHHHHHHLHHLLLHHLHLLHHLLHLHLLLHHHLLHLHHLLLHHHHLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLHHHHHHH1.4.3数码管的选择七段LED数码显示管由8个发光二极管组成，通常构成字形“日”。各段光二极管由74LS48驱动，74LS48控制二极管导通，则相应的一个笔画或一个点就发光，由此就能显示出对应字符。通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端。将各段发光二极管阳极连在一起的叫共阳极显示器，用低电平驱动；将阴极连在一起的叫共阴极显示器，用高电平驱动。此处选用常用的发红光共阴极数码管BS202[5]。1.4.4显示部分的实现将74LS48和共阴极数码管用电阻连接就可实现译码显示，电阻阻值选取与按键发光二极管相同的470Ω,选取显示部分电路如图2.4.3-1所示。图2.4.3-1显示部分电路1.5报警部分报警控制电路使用电磁式蜂鸣器发出报警声，用三极管的开关、放大作用对蜂鸣器发出的声音进行控制。1.5.1蜂鸣器工作原理电磁式蜂鸣器内部的线圈（音圈）在通电之后产生的磁场与喇叭磁铁所产生的永久磁场相互作用,于是线圈振动从而带动与其黏结在一起的振膜振动而发出声音。电磁式蜂鸣器的线圈与膜片并不是黏结在一起,而且线圈是固定不能移动[6]。1.5.2报警电路的实现当某放选手的限时到00时，计十位的74LS192的端发出借位信号（低电平），该信号先通过一个非门，再通过一个限流电阻（通常选择1kΩ）与8050三极管的基极相连接。通过三极管的电压发生变化时，三极管将工作于饱和状态。从而使压电蜂鸣器发出声音。电路图如图1.5.2-1所示。图1.5.2-1报警工作电路1.6电源部分电路设计本设计中多使用TTL74系列（电源电压范围+4.75V～+5.25V）和C4000系列（电源电压范围+3V～+12V）的器件，可见这两种系列的电压要求都是可用5V的直流电，因此可采用常用的集成直流稳压电源。稳压器选用7805，整流部分采用常用的二极管桥式整流，二极管选用1N4001，变压器的参数以及滤波电容的电容值计算如下：1.6.1变压器的参数计算[7]：▲保证稳压器在电网电量低时仍处于稳压状态，要求：(1.6.1-1)式中，是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V。按一般电源指标的要求，当输入交流电压220V变化10%时，电源应稳压。所以稳压电路的最低输入电压：(1.6.1-2)由于V，所以有，取值9V。▲另一方面，为保证稳压器安全工作，要求：(1.6.1-3)式中是稳压器的最大输入输出压差，典型值为35V，可见9V在所需范围内。▲由于A，以变压器副边P4.5W，变压器的效率η＝0.7，则原边功率P6W，由以上分析可见，输出电压为9V，输出电流1A，功率为9W的变压器。▲滤波电容C要求满足：～（1.6.1-4）（式中T为输入交流信号周期；RL为整流滤波电路的等效负载电路）因此有µF（1.6.1-5）选取C1=2200µF，接入电容C2（0.33µF）用于在输入线较长时抵消其电感效应，以仿产生自激振荡；C3（0.1µF）用于消除电路的高频噪声，改善负载瞬态效应[8]。为便于随处可使用该器件，制作干电池提供电源的设计，具体设计如图1.6-1所示。图1.6-1电源部分电路图2设计总电路图2-1设计总电路3局部PCB板图3-1按键部分PCB版图3-2秒脉冲部分PCB板4元件清单编号元件名称规格数量1变压器DS18B2012集成稳压器780513串行计数器CD406014双D触发器401315可逆计数器74LS19246译码器74LS4847七段数码数码管REDCC48四或非门CD400119保险丝FUSE110晶振32768Hz111电磁蜂鸣器BUZZER112三极管8050113二极管1N4001714发光二极管LED315拨码开关DIP-4216按钮开关SW-PB217拨动开关SW-SPST218碳膜电阻470Ω3119100Ω1201kΩ4211MΩ122电解电容2200μF123瓷介电容0.33μF1240.1μF12515pF126可调电容30pF15结束语我在这一次下棋定时器设计中，收获了许多，每走一步都是新的尝试和挑战，这也是在大学期间独立完成的项目之一，我开始了独立的学习和实验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一次又一次的完善起来，每一次改进都是我学习的收获，虽然我的论文作品还不算完善，但我可以自豪的说，这里面的一切一切，都是我自己劳动学习的收获，我相信其中的酸甜苦辣最终会化为甜美的甘泉，这次做论文的经历也使我终生受益，我感受到做论文是要真真正正的用心去做一件事情，是真正自己学习的过程和研究的过程，希望这次的经