象棋快棋赛电子裁判计时器的设计--电子课程设计

课 程 设 计 课程名称： 电子技术课程设计电子技术课程设计 题目名称：象棋快棋赛电子裁判计时器的设计象棋快棋赛电子裁判计时器的设计 专业名称： 电子信息工程电子信息工程 班 级： 学 号： 学生姓名： 任课教师： 2015 年 12 月 31 日 - 1 - 任务说明：任务说明： 象棋快棋赛规则是，红、黑双方对奕时间累计均为三分钟，超时判负。 设计要求：设计要求： 1、基本部分 （1）自制稳压电源； （2）甲乙对奕方的计时器共用一个秒时钟，双方均用 3 位数码管显示，预定的初值 均为三分钟，采用倒计时方式，通过按扭启动，由本方控制对方，比如甲方走完 一步棋后必须按一次甲方的按键，该按键启动乙方倒计时。同理，乙方走完一步 棋后必须按一次乙方的按键，该按键启动甲方倒计时。 （3）超时能发出声音，报警判负。 2、发挥部分 （1）累计时间设置可以改变（比如，还可以设定为 5 分钟） （2）工艺结构精致，具有一定的现场实用价值； （3）其它。 其它说明：其它说明： 一人完成基本部分(1)(3)难度系数为 1.0； 一人完成基本部分(1)(3)和发挥部分(1)(2)难度系数为 1.1。 秒脉冲 计数器译码器 数码显示器 计数器译码器 数码显示器 控 制 器 红方 黑方 象棋快棋赛电子裁判计时器框图 - 2 - 摘要摘要 象棋快棋赛由主计数电路与扩展电路组成。通过给计数器输入固定时钟信号以计 算时间；数码管显示器、数码管译码器将参赛者甲乙的走棋时间在显示器上输出；用 控制电路控制计时器开始、暂停、清零、置数；自关断告警电路可在计时结束发出有 限时长的蜂鸣声，以上两部分构成主体电路。 通过变压器、整流管、滤波元件、稳压芯片，为电路提供电能。通过晶振和计数 器分频电路，将秒脉冲信号输出到计时器实现计时功能。以上构成扩展电路。经过布 线、焊接、调试等工作后象棋快棋赛电子裁判计时器成形。 关键词：数字电路，计数器，时钟，信号处理 目录目录 1.系统方案设计- 1 - 2.单元电路设计- 2 - 2.1 5V 稳压电源- 2 - 2.2 时钟信号发生器- 3 - 2.3 计时器电路- 5 - 2.4 译码显示电路- 6 - 2.5 计时器判零电路- 8 - 2.6 自关断告警电路- 9 - 2.7 玩家控制电路- 10 - 2.8 3 或 5 分钟时间预置开关- 11 - 2.9 开始/停止（置数）按钮- 12 - 2.10 防抖开关- 12 - 3.系统测试- 14 - 3.1 仿真测试- 14 - 3.2 实物测试- 14 - 4.使用说明书- 16 - 5.结论- 17 - 6.参考文献- 18 - 7.附录- 19 - 7.1 元器件清单- 19 - 7.2 测试所需仪器- 19 - 7.3 总电路图- 19 - - 1 - 1.1.系统方案设计系统方案设计 要实现对棋手双方走棋时间的计算，可用以下三个方案： 方案一：单片机方案 通过编制单片机程序，使得程序控制计时电路的运行。 但是利用单片机设计该电路未免大材小用。 方案二：基于 74ls192 构成的双计时器方案 用两组计时器（每组计时器用 3 个计数器芯片和 3 个译码器构成） ，分别记录、显 示、处理两名玩家的走棋时间。 该电路逻辑简单，设计上容易实现，并且不易发生差错。但是实物制作过程，由 于用了两组计时器，由两组计时器引发的时间控制及处理芯片较多，因而装配、焊接 的繁琐程度较大。 方案三：单计时器，双锁存器方案 用一组计时器、两个锁存器进行核心电路的设计。当按下开始按钮后，该计时器 便一直工作。当左右其中一名玩家按下其前方的按钮，立即触发当前玩家对应的锁存 器，对当前时间进行锁存，然后将对家的锁存器时间预置入计数器，然后计数器开始 计算对家的时间；当另一名玩家按下其对应的按钮，则其对应的锁存器对当前时间进 行锁存，然后将其对家的锁存器时间预置入计数器。如此往返循环，使得单组计时器 计算两个玩家走棋时间的功能得到实现。 该电路能明显减少方案二所需的芯片数，但是设计难度较大，并且由于芯片功能 的高度集中，不利于后期模块化的调试。 综上所述，本设计采用方案二来实现最为可行。对于装配焊接的繁琐问题，本设 计对功能进行模块化处理，使得各个单元电路独立成块，以尽量有利于后期安装与调 试。 - 2 - 2.2.单元电路设计单元电路设计 本设计分为主电路和扩展电路。其中主电路由裁判控制电路、玩家控制电路、计 时电路、译码显示电路、计时器判零电路、告警电路组成（见图 2-1） 。扩展电路为稳 压电源电路、时钟信号发生电路所构成。 2.12.1 5v5v 稳压电源稳压电源 稳压电源提供激励，用以驱动芯片正常工作。如图 2-2 所示： 图 2-2 5V 稳压电源原理图 220V 电网交流电（最大值 311V）经过变压器，从上到下三个输出端，依次可获得 +6v,0v,-6v 有效值的电压输出，经过功率二极管全波整流，可获得下半周翻转的正弦 波，该电压有效值大于 5V 小于 6V。为获得相对平稳的直流电，在整流管输出端并接一 个大电容(3300uF)和一个中电容(10uF)。为得到 5v 的稳压，在大、中电容后接入三端 稳压管 LM7805,使其输出电压接近 5v。三端稳压管后串接一个功率二极管，以起到保 护输出端负载的作用，该二极管后并接的 10nF 小电容，用以滤除电输出电压中的中高 频纹波。 在仿真电源的输出端接入示波器和交流电压表（见图 2-3a） ，观察输出端波形和电 秒脉冲 计数器译码器 数码显示器 计数器译码器 数码显示器 控 制 器 红方 黑方 图 2-1 象棋快棋赛电子裁判计时器框图 - 3 - 压值（见图 2-3b、图 2-3c） 图 2-3a 仿真测试接线 图 2-3b 示波器仿真结果 图 2-3c 电压表仿真测试 从仿真结果可知，输出电压稳定后，其数值在 5V 左右。 2.22.2 时钟信号发生器时钟信号发生器 时钟信号给予计数器稳定的计数脉冲，使之获得计时功能（见图 2-4） 。 图 2-4 时钟信号发射器原理图 使用有源晶振，只需在其输入端加入电源电压，即可在输出端得到方波信号。本 设计用到 32.768KHz 有源晶振，经过 37268（2 的 15 次方）分频后，可获得稳定的 1Hz 方波信号，用以准确带动计数器进行时间计数。 - 4 - 图 2-5 74LS161 引脚图 图 2-6 74LS161 仿真图 表 2-1 74LS161 功能表： 从 74LS161 功能表功能表（见表 2-1）中可以知道，当清零端 CR=“0” ，计数器输 出 Q3、Q2、Q1、Q0 立即为全“0” ，这个时候为异步复位功能。当 CR=“1”且 LD=“0”时，在 CP 信号上升沿作用后，74LS161 输出端 Q3、Q2、Q1、Q0 的状态分别与 并行数据输入端 D3，D2，D1，D0 的状态一样，为同步置数功能。而只有当 CR=LD=EP=ET=“1” 、CP 脉冲上升沿作用后，计数器加 1。74LS161 还有一个进位输出端 CO，其逻辑关系是 CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能， 一片 74LS161 可以组成 16 进制以下的任意进制分频器。 分频电路采用了 4 个 74hc161 十六进制计数器，待分频信号输入第一个 161 芯片 的时钟输入端，第一个 161 芯片的进位输出端，连接第二个 161 芯片时钟输入端；第 2 个 161 芯片的进位输出端，连接第 3 个 161 芯片时钟输入端；第 3 个 161 芯片的进位 输出端，连接第 4 个 161 芯片时钟输入端。在第四个 161 芯片的 Q2 输出口，可得到 2 的 15 次方分频信号（1Hz） ；在 Q0 输出端，可得到 2 的 13 次方分频信号（4Hz） （用以 驱动下述设计中告警电路自动停止告警） 。 由于晶振产生频率的稳定性，本方案相比 lm555 方波产生电路，在频率上具有无 可比拟的精确度，作为时钟信号源更为合适。 仿真结果： 在最后一个计数器的 14，12 引脚接入频率计，可测得分别输出 4Hz 个 1Hz 的频率 （见图 2-8） 。 - 5 - 图 2-8 仿真分频电路的结果 2.32.3 计时器电路计时器电路 图 2-9 时器原理图 - 6 - 74ls192 为 10 进制、异步清零、异步置数、可逆计数器，当在其 4 号引脚（见图 2-10）输入时钟信号时，计数器为倒计数模式，其 Q3-Q0 输出端依次从 0000，1001，10000010，0001，0000循环计数，其 13 号输出端子为退位信号 输出端子，将其连接到下一个 192 计数器的 4 号引脚，即可得道 2 位十进制倒计数电 路，再多接一个 192 计数器，即可组成 3 位十进制计数器（见图 2-9） ，以满足设计中 3 分钟倒计时的要求【3 个计数器的功能从左到右依次为：分（个位） ；秒（十位） ；秒 （个位） 】 。 图 2-10 74lS192 引脚排列及逻辑符号 表 2-2 74LS1492 功能表： 第二个计数器需设计为六进制，以满足实际要求。因为 192 计数器为异步置数： 当 11 号引脚（置数端子）得到使能信号时，不管下一个时钟上升沿是否到来都立刻进 行置数。所以本设计使用了逢 9 变 5 的方法，即当计数器从 3 2 1 0 变为 9（二 进制 1001）的一瞬间，通过与非门检测到该输入，立即带动计数器置数为 5（二进制 0101） 。之后计数器检测到时钟上升沿，则依次变为 4 3 2，得以满足六进制倒计 数要求。 2.42.4 译码显示电路译码显示电路 - 7 - 图 2-11 74LS(1)48 封装及引脚图 表 2-3 74LS48 功能表： 计数器输出的二进制信号，经过 74ls48 译码器译码（见表 2-3）后，即可驱动七 段数码管显示。74ls48 输出为高电平有效，所以七段数码管选用共阴极数码管。 设计中使用两组计数、译码芯片，以满足单独计时，单独显示的功能（见图 2-13） 。 - 8 - 图 2-13 两组计时电路原理图 2.52.5 计时器判零电路计时器判零电路 当左右两组计时器中其中一组达到 000 时，需检测出是哪一组到零，用以判定输 赢；以及出发告警电路；同时使得左右两组计时器都停止计时。 图 2-14 判零电路原理图 设计中使用 4 个 CD4072（4 输入或门） ，构成左右其中一组计时器的判零电路（见 图 2-14） ，当计数器输出 0000 0000 0000 时候，或门输出低电平，而计数器为其他输 出状态时或门输出均为高电平。从而能检查计数器是否到零。 - 9 - 图 2-15 CD4072 引脚图 图 2-16 CD4072 原理图 图 2-17 74LS00 引脚排列图 图 2-18 判零电路输出端原理图 通过在或门后接入 74LS00（二输入与非门） （见图 2-17） ，当左右两组计数器其中 一个到零后，与非门输出高电平，从而触发告警电路并暂停两组计时器计时（见图 2- 18） 。 2.62.6 自关断告警电路自关断告警电路 本模块利用一个 74160 芯片做计时器，1 个 74161 芯片做翻转器，配合 4066 模拟 开关，不但能实现判零后的告警，同时也实现自动关闭告警的功能（见图 2-19） 。 - 10 - 图 2-19 自关断告警电路原理图 图 2-20 CD4066 引脚排列图 当左右两组都计时器都不为 000 时，判零电路的与非门输出的低电平信号到达 CD4066 模拟开关，使得模拟开关关断，U30（74161）芯片的时钟输入端保持低电平， 其 Q0 输出保持为高电平，经反相器后接入 160 芯片 MR 清零端的信号为低电平，160 芯 片不计数。 当左右两组都计时器有一组为 000 时，判零电路的与非门输出的高电平信号到达 CD4066 模拟开关，使得模拟开关开通，U32 反相器的输入端变为低电平（与地相接） ， 因而使得 U30（74161）芯片的时钟输入端变为高电平，其 Q0 输出立即跳变为低电平， 经反相器后输出高电平，触发告警器件工作（本原理图用 led 代替蜂鸣器） ，同时 U31（74160）计数器 MR 清零端的信号变为高电平，该计数器立即开始计数。 当 U31（74160）芯片计数到 9 时候，产生短促的高电平的进位信号，到达上图模 CD4066 是四双向模拟开关（见图 2- 20） ，主要用作模拟或数字信号的多路传 输。CD4066 的每个封装内部有 4 个独立 的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、 控制三个端子，其中输入端和输出端可互 换。当控制端加高电平时，开关导通；当 控制端加低电平时开关截止。模拟开关导 通时，导通电阻为几十欧姆；模拟开关截 止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。 - 11 - 拟开关的左端后（此时模拟开关仍为开通状态） ，使得 U32 反相器的输入电平变为高电 平，因而 U30 计数器时钟输入端变回低电平。因为进位信号是短促的，所以在进位信 号结束后，U30 计数器时钟输入端变回高电平，使得 Q0 输出端由低电平跳变为高电平， 经反相器后输出低电平，告警器件停止工作，同时 U31（74160）计数器 MR 清零端的信 号变为低电平，该计数器停止计数。告警电路回归初始状态。 该告警电路告警时长跟输入时钟频率 n 有关，告警时长 t=10/n，该设计中默认的 n 为 4Hz，所以告警时长默认为 2.5 秒。 2.72.7 玩家控制电路玩家控制电路 设计本电路用于双方玩家控制各自的计时器开始/暂停计时（见图 2-21） 。 图 2-21 玩家控制电路原理图 前述检零电路判决为非零后，上图控制电路的 U27 反相器获得的信号为低电平， 经反相后，U21（CD4066）模拟开关为开通状态，来自时钟发生电路的脉冲信号得以通 过。 当检零电路检测到 000 后，上图控制电路的 U27 反相器获得的信号为高电平，经 反相后，U40(与门)输出锁定为 0，输入的时钟脉冲信号被截止，左右两组计时器均停 止计时。 - 12 - 玩家控制端共用一个RS触发器（用两个与非门搭建） ，取触发器的Q端、Q端分 别接入到U19、U41两个与门，作为控制两组计时器 计时/暂停 的控制器。 基本RS触发器的逻辑方程为： 图2-22 RS触发器由两个与非门搭建而成 约束方程：SR=0 根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系: 1.当 R 端有效(0)，S 端无效时(1)，则 Q=1,Q 非=0，触发器置 1； 2.当 R 端无效(1)、S 端有效时(0)，则 Q=0,Q 非=1，触发器置 0。 当左家按下按钮后，RS触发器Q端输出为0，Q输出为1，U41与门停止锁零，时 钟信号得以通过，右组计时器得以开始计时；与此同时，U19因为有一个输入端为0， 输出锁零，时钟信号被截至，左组计时器暂停计时。 当右家按下按钮后，RS 触发器 Q 端输出为 1，Q输出为 0，U41 与门锁零，时钟 信号被截至，右组计时器暂停计时；与此同时，U19 因为其中一个输入端为 1，时钟信 号得以通过，左组计时器开始计时。 2.82.8 3 3 或或 5 5 分钟时间预置开关分钟时间预置开关 - 13 - 图 2-23 3 或 5 分钟时间预置开关原理图 3 的二进制数为 0011，5 的二进制数为 0101，这两个二进制数的差别在于中间两 位是 01 还是 10，为简单起见，本电路（见图 2-23）只加入一个自锁开关和一组反相 器，通过通、断开关，使得两组计时器的分钟位的预置数端分别为 0011 和 0101，从而 实现 3 或 5 分钟预置数功能。 2.92.9 开始开始/ /停止（置数）按钮停止（置数）按钮 图 2-24 开始/停止（置数）按钮原理图 该电路使用 74161 计数器来等效 T 触发器（见图 2-24） ，从而实现翻转功能。按钮 每按一下，输出状态均改变一次，实现了开始、停止并置数两个功能之间的切换。 2.102.10 防抖开关防抖开关 - 14 - 实际安装测试时，由于弹簧按钮有抖动（接通的瞬间产生多个短促高低电平） ，导 致每按一下按钮，74161 芯片并不能很好地完成“开始”/“停止（置数） ”的翻转功能， 为此在所有的弹簧按钮后加入 RS 触发器（见图 2-25） ，利用 RS 触发器双稳态触发，从 而消除按钮的抖动。 图2-25 RS触发器构成图 在机械开关与被驱动电路间接的接入一个基本 RS 触发器，如图所示。S 为 =0， R=l，可得出 A=l， A=0。当按压按键时，S=l，R=0，可得出 A=0，A=1，改变了输 出信号 A 的状态。若由于机械开关的接触抖动，则 R 的状态会在 0 和 1 之间变化多次， 若 R=l，由于 A=0，因此 G2 门仍然是“有低出高” ，不会影响输出的状态。同理，当松 开按键时， S 端出现的接触抖动亦不会影响输出的状态。因此，图 2-26 所示的电路， 开关每按压一次，输出的输出信号仅发生一次变化。 图 2-26 防抖型开始/停止（置数）按钮原理图 - 15 - 3.3.系统测试系统测试 3.13.1 仿真测试仿真测试 主电路的仿真测试正常，所有的芯片都能正常工作，所有的开关、按钮都能实现 控制功能，仿真结果如下图所示： 图 3-1 总仿真图 3.23.2 实物测试实物测试 在焊接完所有的元件后，我对依次对各功能模块进行测试。 3.2.1 电源测试 电源实物测试正常，通过示波器观察输出电压的纹波，其起伏只有 mv 级别，足以 满足实际使用。 3.2.2 时钟信号发生电路测试 通过实际测试，74161 分频输出的秒时钟频率稳定在 1.00Hz 和 4.00Hz，满足要求。 3.2.3 计时与显示电路测试 - 16 - 在测试该电路时，我加入了 1Hz 的脉冲给计数器，但发现数码管恒为 0。于是我用 示波器观察 48 译码器输入端，发现译码器输入端电平并无变化，因此推出 192 芯片不 计数。后来又仔细看了 192 芯片的功能图，发现要进行倒计数，除了要在 4 引脚加入 时钟信号，还需将 5 引脚接入高电平。而实物上我将 5 引脚悬空未接（仿真时悬空此 引脚也可正常计数） ，为此我尝试将 5 引脚接入高电平， （见图 3-2）经测试计数器能正 常工作。 图 3-2 改正前后的 74LS192 计数器接线图 3.2.4 判零电路测试 经测试该电路在检测到计时器归零时，能立即输出高电平。 3.2.5 自关断告警电路测试 经测试该电路与仿真结果相同，能自动关断告警。 3.2.6 玩家控制端按钮 与 开始/停止（置数） 翻转开关测试 在实际测试时，发现每按一次上述弹簧按钮，开始/停止（置数）翻转状态连续改 变多次而不是一次，后经研究，得知是按钮在接电、断电瞬间有抖动，导致了输出状 态翻转多次。为此在按钮后加入了 RS 触发器，用以消除开关抖动，详细见上文 2.10 防抖开关。 在改进为防抖开关后，本人再次测试，发现按下按钮后，电路状态不再跳变，工 作状态非常稳定，完全实现了按钮的功能。 3.2.7 3 或 5 分钟预置时间开关测试 该开关能实现预置数。 3.2.8 指示灯测试 在完成所有的基本功能后，我加入了 6 盏指示灯，分别用于显示分频电路出来的 秒脉冲频率，指示左、右玩家的行进方，指示计时器是否处于计时状态，指示左、右 5 号引脚未接高电平 5 号引脚接高电平 - 17 - 玩家是谁因时间耗尽而输掉比赛。经过实际调试，Led 的工作正常。 4.4.使用说明书使用说明书 接入市电后，若秒脉冲指示灯闪烁（见图 4-1） ，说明电路正常工作。 按下置数按钮，即可预置 3 或 5 分钟的时间（开关断开时为 3 分钟，开关闭合时 为 5 分钟） 。 按下开始按钮，即可开始计时。比赛双方每走完一次棋，按一下己方控制按钮即 可。 当结束指示灯亮、蜂鸣器响时，比赛结束。若要进行下一场比赛，只需再次按下 开始/停止按钮。 - 18 - 图 4-1 实物图 5.5.结论结论 现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯及文化生活等各个领域中都起着 巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在。 本题目以数字电子技术、模拟电子技术为基本，运用众多数字芯片进行设计。通 过本设计，充分体现了电子技术在生活中的广泛应用。 对于这次的课程设计，本人认识了很多元器