课程设计篮球30秒计时器.doc

17 课程设计说明书课程设计名称： 数字电路课程设计 课程设计题目： 篮球30秒计时器 摘要随着生活水平的提高，人们对于生活品质的高要求。对于时间的准确越来越发期盼。比如在田径，足球等体育运动中时间的分秒必争显的更加的不可或缺。在这样的大背景下，计时器也应运而生。特别在于篮球比赛中通常是零点几秒可以决定各方的悲喜。人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒限制。目录第一章 设计任务及要求.第二章 系统的组成及工作原理. 2.1 系统组成 2.2 工作原理第三章 单元电路设计、参数计算、器件选择. 3.1 译码显示电路 3.2 555 多谐振荡器 3.3 计数电路 3.4 控制电路 第四章 调试及结果分析. . 第五章 心得体会第六章 参考文献附录一 附录二 附录三 第一章 设计任务及要求设计任务设计一个符合功能的30秒篮球计时器电路。基本要求 1具有显示30秒的计时功能。 2系统设置外部操作开关，控制计时器的直接置数、清零、启动、和暂停功能。 3计时器为30秒递减计时时，其计时间隔为1秒。 4当计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，LED变亮报警。 第二章 系统的组成及工作原理2.1 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2.1 参考原理构图2.2 工作原理脉冲发生器、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方案框图如图2.1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标准，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。 第三章 单元电路设计、参数计算、器件选择3.1、译码显示电路用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成 7 段字型数码管所要求的代码。我们把能够将计算机输出的BCD码换成 7 段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常用的74LS48。在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方 面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动 器和显示器等部分组成，如下图所示。下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。 驱动器 显示器 译码器 计数器数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。 数码的显示方式一般有三种：第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示某字符，只须使相应的电极发 亮即可，如辉光放电管、边光显示管等。第二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成，如荧光数码管等。第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组合便可显示不同的数码，如场致发光记分牌。 如前所述，分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。因此，为了使数码管能将数码所代表的数显示出来， 必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使 a、b、c、d、g各段点亮。即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出端有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。74LS48为4线七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻），其输出端（YaYg）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。 当要求输出015时，消隐输入（BI）应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路。 当BI为低电平时，不管其它输入端状态如何，YaYg均为低电平。 当RBI和地址端（A0A3）均为低电平，并且灯测试输入端（LT）为高电平时，Ya Yg为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平。 当BI为高电平或开路时，LT为低电平可使YaYg均为高电平。 48与248的引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6和9,248所显示的6和9比48多出上杠和下杠。引出端符号： A-D 译码地址输入端 BI/RBO 消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效） LT 灯测试输入端（低电平有效）RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效） a-g 段输出 74LS483.2用555定时器构成的多谐振荡器：用555定时器构成多谐振荡器电路如图(a)所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态,也不需要外加触发信号,利用电源VCC通过R1和R2向电容器C充电,使uC逐渐升高,升到2VCC/3时,uO跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容器C通过电阻R2和D端放电,使uC下降,降到VCC/3时,uO跳变到高电平,D端截止,电源VCC又通过R1和R2向电容器C充电。如此循环,振荡不停, 电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电,输出连续的矩形脉冲,其波形如图(b)所示。8 476 555 321 5R1R2ucC+VDDuo0.01Ftuo0tw2tw1tuc0T（a）（b） 输出信号uO的脉宽tW1、tW2、周期T的计算公式如下:tW10.7(R1R2)CtW20.7R2CTtW1tW20.7(R12R2)：3.3、计数电路（74LS192）计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。74LS192 为可预置的十进制同步加/减计数器（双时钟），其清除端是异步的。当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能；预置是异步的，当置入控制端（PL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态；计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。 当计数上溢出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。 当把TCD和TCU分别连接后一级的CPD、CPU，即可进行级联.74LS192 引出端符号 TCD 错位输出端（低电平有效）TCU 进位输出端（低电平有效） CPD 减计数时钟输入端（上升沿有效） CPU 加计数时钟输入端（上升沿有效） MR 异步清除端 P0P3 并行数据输入端 PL 异步并行置入控制端（低电平有效） Q0Q3 输出端3.4、控制电路（清零、置数、暂停、报警）图3.1.1 暂停/连续电路图3.1.2 置数/启动控制电路图3.1.3 清零/灭灯电路 当计数器74LS192的清零端CLR=1有效时，即可实现对电路进行清零；而当清零端无效，置数端LOAD=0有效时，即可实现对电路的置数；通过接一与非门对555脉冲发生器输出端的脉冲信号进行控制，即可实现对整个电路进行暂停计时，为减小开关按键产生的机械抖动对计时电路的影响，应接一RS锁存器；当计时器74LS193的借位输出端有效时，即可实现报警。3.1.1 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，其原理图如上图3.1.1所示：3.4.2 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。电路如上图3.1.2示：3.1.3 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。其电路如上图3.1.3：第四章 调试及测试结果分析4.1 调试最初通过查找资料和讨论，我们最终确定了比较完整的方案，然后用mulitisim进行仿真，一切正常。在焊接过程中，我们对电路模块一个个焊接，虽然只花费两天左右的时间，但进展还算顺利；但在调试过程中，我们还是遇到很多问题，比如经过检查，发现由于焊接时间太长，温度过高至使芯片555被烧坏，无脉冲信号输出，换了以后，信号输出正常；搞错了数码管的阴阳极性，导致数码管管脚的接错，数码管根本不亮，于是我们重新焊接，最终数码管正常；另外，最有问题的还是芯片74ls161，因为在原方案里，我们是使用这一芯片作为十六分频器，但在实际电路里，它却没有任何信号输出，最终被我们发现并不在使用74ls161,于是信号输出，电路正常。4.2 结果分析(1)、555脉冲发生电路检查脉冲波，其频率近似为一秒。基本符合课程设计中所需秒我们将555的输出端3接到示波器上观察到的波形为一信号的要求。(2)控制电路检查 在电路全部焊接完后，改变各开关的闭、合状态，电路的启动、连续、暂停清零等功能均得以实现，电路控制部分正常。(3)、计时电路检查 计数器74LS192与显示电路相连，接入直流电源，用信号发生器给计数器一个1s的脉冲信号，观察计数器的计数功能，发现数码显示是在从30递减至0的过程中未出现有4和7的数，上述情况表明计数电路接触良好，但置数出现问题。 解决方法：1）检查两片74LS192的数据输出端所连的置数电路，看是否有连线错误； 2）选择被用作低位显示的那片74LS192作为检测对象，在数码显示的整个过程中用万用表测量Qc对应的6管脚的电压。看是否有时会有高电平。(4)、报警电路检查 将秒信号接入计数电路，按下启动电路，观察计数为0时发光二极管的像工作情况，发现当数码显示为00时，发光二极管发光，说明报警电路光电报警功能已经实现。第五章 心得体会 这次的数电课程设计，对我的理论知识和实践能力有很大的帮助和提高。首先在课题的设计过程中，不仅要运用到课堂学到的知识，还需要查阅不少芯片手册，阅读有关数字电路设计的资料，这些都是制作电路必须的理论准备。在动手过程中，要对电路进行焊接，以及最后繁琐的调试与分析等。每一个环节都很重要的。在本次的课程设计中通过选题，找材料，分析、设计等，也掌一些软件的操作方法，这为以后的学习做了铺垫。整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了我的寻求解决问题的能力和团队精神也增强了我其它方面的能力。在设计中，我充分应用我们所学的知识，例如：集成电路74LS系列、整定时器555等元件的应用。这次实践使我受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了我的实际操作能力。在让我体会到设计电路艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。这次设计所用的的工具是pr