篮球计时器__数电课程设计.doc

课 程 设 计 课程名称 数字电子技术 课题名称 篮球计时器 专 业 自动化 班 级 0903 学 号 姓 名 指导教师 郭照南 2011年 12月 9日谨此献给湖工的学弟学妹们！目录一、摘要2二、总体设计目的、思路、基本原理和框图32、1设计目的32、2设计思路32、3基本原理42、4方框设计图6三、各模块电路设计63、1脉冲发生电路73、2分、秒倒计时计数器的设计93、2、1 74LS192计数器电路93、2、2 24秒倒计时电路93、2、3 12分钟倒计时电路103、3节次控制电路的设计12四、总设计（总电路图）13五、安装、调试、检查14六、性能测试和结果分析15七、设计总结15八、附录（器件清单）18一、 摘要数字电子技术基础这门课程主要是用以培养学生电子技术入门性质的技术基础课，本课程主要研究常用基本的半导体元器件的工作原理，基本的电子电路的原理和应用。通过课程的学习，使学生能够较好地掌握电子技术的基本理论、基本知识和基本分析问题的方法。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。本设计是篮球竞赛计时器，而随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，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。在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在各种体育比赛的计时器、电子日历、定时报警器、游戏中的倒时器、交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机设备等等，由此可见计时器在现代社会是何其重要的，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。整个电路的设计借助于Proteus 7.5仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在Proteus 7.5下设计和进行仿真，得到了预期的结果。在本课程设计任务书中对篮球计时器的功能以及它的原理做了较好的介绍。同时在设计过程中得到了有关指导教师的支持和同学的帮助，在此一并致谢！二、 总体设计目的、思路、基本原理和框图2、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，培养学生掌握电子技术课程的基本理论、基本知识和基本分析问题的方法； 正确掌握电子技术的课程内容，理论联系实际，能够分析由几个单元电路组成的小电子电路系统； 具有运用计算机分析和设计简单电子电路的能力，掌握用计算机分析电子电路的新方法； 具有较强的实验能力，会使用常规的电子仪器，会通过实验安装调试电子电路，具有进行实验研究的初步能力； 具有较强的查阅电子技术资料的能力和从网络上获取有关信息的能力。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、2设计思路篮球比赛计时器的主要功能包括： 12分钟倒计时、进攻方24秒倒计时计时暂停开始、结束警报提示及24秒进攻转换。该计时系统由以下五个电路模块组成：秒脉冲的设计：这部分利用555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路来实现。12分钟倒计时：这部分电路完成12分钟倒计时的功能，比赛准备开始时，屏幕上显示12：00字样。当比赛开始时，倒计时从12：00开始逐秒递减到00：00。这一模块主要利用双向计数器74LS192的减计数功能来实现。攻方24秒倒计时：这部分电路与12分钟倒计时功能类似，当比赛准备开始时，屏幕上显示24秒字样，当比赛开始后，倒计时从24逐秒倒数到00。这一模块主要也是利用双向计数器74LS192来实现。节数记次：这部分电路时通过12分钟倒计时到零后，给出信号递增，比赛开始屏幕显示数1递增为2。这一模块用同步可预置计数器74LS160实现。警报提示：当两个倒计时计数器中任一个计时到零时，BO端都出现低电平，使得LED-BIRG。此计时器的模块化结构，主要有以下3个部分组成，即倒计时模块、控制模块、以及脉冲信号模块。2、3基本原理倒计时模块：包括12分钟、24秒倒计时及节次的递增。12分钟倒计时的基本原理：比赛处于准备开始阶段，扳动启动开关SW3使倒计时计数器相应的置数或清零端有效，显示设定的时间12：00、24秒，开关自动复位，当主裁判抛起球，比赛开始，扳动SW1，倒数计时器开始工作，计时器逐秒进行倒计显示。当有球员犯规，裁判吹哨，整个计时系统的倒计时暂停，这个功能通过暂停开关SW1截断时钟脉冲的传输来实现。当倒数计时器计数到零时，选取“00：00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号,让其与时钟脉冲在与非门中将时钟脉冲截断，从而计时器在计数到零时停住。24秒计数芯片的置数端和12分的置数、清零端共用一个开关，比赛开始后，24秒可以单独置数端不影响12分钟倒计时，24秒的倒数计时器与12分的倒数计时器同时开始进行倒计时，逐秒倒计到零。同样也是选取“00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号，让该信号与时钟脉冲在与非门中将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。脉冲信号模块：555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。控制模块：通过一个类似与非组成的SR锁存器来控制整个电路中的时钟脉冲输入。警报提示：为了给出警报提示，可在计数器的输出端用一个普通二极管和LED二极管。当计数为0时， LED灯亮起。2、4方框设计图24秒显示12：00分显示报警电 路74LS47译码74LS47译码控制电路74LS192计数器74LS192计数器秒脉冲发生器74LS160计数器节次显示根据框图总体来说设计的核心部分是要设计一个十二进制的分倒计时、 一个六十进制的秒倒计 时及一个四进制的节计数器，并且对计数结果进行实时的显示，同时要实现设计任务中提到的各种控制要求。设计方案如下框图所示，系统分别实现 12 进制、 60 进制递减计数器，4 进制加法计数器，同时实现了置数、启动计数、清零、暂 停/连续、显示、闪灯报警等控制。三、 各模块电路设计3、1脉冲发生电路55定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。图是NE555的内部功能原理框图和内部管脚图。脉冲产生电路： 用 555 组成的脉冲产生电路: 3、2分、秒倒计时计数器的设计3、2、1 74LS192计数器电路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。本次课程设计中选用74LS192来实现要求的减法计数功能。下图是74LS192的实物管脚图和仿真器件管脚图。3、2、2 24秒倒计时电路计数器的倒计时功能。用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以可以直接运用十进制的74LS192进行减计数。因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端LOAD来进行预置数。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。24秒倒计时电路如图：3、2、3 12分钟倒计时电路12分钟倒计时秒钟部分。运用两片可逆计数器74LS192来构成60制的减计数器。这个计数器的低位即个位，不需要搭接任何反馈电路而直接运用74LS192芯片的减计数功能：时钟脉冲接到down端，置数、清零端无效，即可以实现十进制的倒计时计数功能。而最低位的计数变化应当与时钟脉冲的变化同步。所以，原则上应当将时钟脉冲直接引到这片192计数器的减计数时钟脉冲输入端down。该计数器的高位即十位，与低位的计数进制不相同。由于时间的分和秒都是60进制，所以这里的计数芯片74LS192必须要接成六进制的计数器。这里，我选用反馈置数的方法来实现这个功能。直接从QD引出高电平信号，通过非门作用后形成低电平反馈信号，送入74LS192芯片的置数端LOAD使之实现置数动作。置数时，输出的数是与输入的数是一样的，所以我设置的数是5（二进制0101），这样，当计数器从0变到9时，由于进行了异步置数，9就在瞬间变成了5，计数输出的结果就变为0543210，实现了六进制的功能。12分钟倒计时分钟部分。也是运用两片可逆计数器74LS192来构成减计数器。在两片计数器的连接上，与秒部分一样。也是把低位的借位信号作为高位的时钟脉冲进行连接。而低位计数器的时钟脉冲则是用秒部分高位计数器的借位输出信号来充当的。运用以上两个计数器组合，就在低位计数器从0变到9或从0变到5的瞬间，在它的借位输出端出现一个电平的上升脉冲沿，从而使高位的计数器倒计一个数。实现倒计时功能。12分钟倒计时电路如图：3、3节次控制电路的设计74LS160是四位十进制同步计数器,有预置数功能.使置数端9脚为高电平,数据输入端A,B,C,D的数据准备好(3,4,5,6脚),使置数端9脚为低电平,接着使置数端9脚为高电平,9脚的上升沿,就使的预置数据置入,此后计数脉冲的上升沿,就从一个预置数字开始计数，本次采用74LS160计数器来记录节数。如图所示74LS160的引脚图和功能表。节次计数电路如图：四、 总设计（总电路图）在Proteus进入了调试的正式阶段，启动调试，观察系统运行的状况是否良好，然后观察现系统的效果是否达到预期的要求，如无，则停止仿真，分析电路中存在的缺陷与错误，改正后再次启动调试，然后再次观察仿真效果是否达到预期的效果，如此循环下去，直到得到满意的仿真效果。到此调试仿真过程结束。简要说明：SW5开关的作用是对24秒、12分钟进行清零和置数;SW4开关是对24秒进行置数;SW2开关是节数记录清零和置数;SW3开关是暂停、继续开关。五、 安装、调试、检查由于本次试验在实验室实验台上进行，秒脉冲试验台可以直接发出，所以秒脉冲模块被省略。报警信号改为蜂鸣器。七段显示及译码部分也已接好。a 测试74LS192、74LS160和门电路的好坏。b先连24秒倒计时模块，并测试其性能是否达到要求c加入相应门电路实现暂停和停止/复位功能。d连接12分钟倒计时模块，并测试其性能是否达到要求。e加入相应门电路实现暂停和停止/复位功能。f 连接节数记录电路部分和报警电路。g 调试电路。接上+5V电源，在操作开关接地时，控制电路应封锁时钟信号CP（秒脉冲信号），同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示12：00、24、1字样；当开关置高电平时，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，处于保持状态；当暂停/连续开关拨在连续时，计数器继续累计计数。依实验要求，两个计数器计数器计数。时间间隔为1s。当24秒计数到00或者12:00计数到00：00时，发声蜂鸣器发出声音报警信号。六、 性能测试和结果分析1、 具有显示每节12分钟比赛时间的倒计时功能：用四个数码管分别显示分、秒，其计时间隔为1S。2 、具有节数记次功能，用一个数码管自动指示比赛节数，单节计时器返回到12：00时自动递增计数一次。3、具有显示进攻方24S倒计时功能，其计时间隔为1S。4、设置总启动键和暂停/继续键，控制两个计时器的直接启动计数，暂停/继续计数功能。5、设置总复位键：按复位键可随时返回初始状态，单节计时器返回到12：00；进攻方计时器返回到24S。6、设置24秒单独复位键：按复位键可随时返回初始状态，进攻方计时器返回到24S。7、各计时器递减计数到00.00时，计时器停止工作（进攻方24S倒计时器停止工作时单节计时器暂停/继续），并给出声音提示，即扬声器输出提示音。不足之处：当12分钟计时少于24秒时，24秒计时器显示时间依然为从24秒开始倒计时。七、 设计总结数电课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。两周的课程设计就这样匆匆过去了，这次数字电子课程设计是本人觉得最有意义，也是收获最大的一次实习。身为自动化的学生，设计是我们将来必需的技能，而这次课设恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。提高了我们的综合动手能力和工程设计能力，它使我们的理论知识得到了综合应用，培养我们综合运用所学理论的能力和解决较复杂的实际问题的能力。首先，课程设计让我掌握了知识。在本次的课程设计中通过找材料，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，我们最大的收获就是提高了自身的动手能力，在设计中，我充分应用我所学的知识，例如：集成电路74LS系列、脉冲开关、实验台秒脉冲等元件的应用。这次实践使我们受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，培养了我们的设计思维，增强了我们的实际操作能力。在让我们体会到设计电路艰辛的同时，更让我们体会到成功的喜悦和快乐。这次设计所用的的工具是Proteus 7.5，使设计、接线的正确性，方案的可行性得到了保证。同时，在与小组同学的交流中，我们认识到合作的重要性。培养了我们的寻求解决问题的能力和团队精神也增强了我们其它方面的能力。其次，这次课程设计的自主设计、学习和研究过程中，通过写课程设计的总结报告，初步训练我们的书面表达能力，这些技能应用性强，对我们的将来就业和进一步发展帮助较大。同时也加强了对课本知识的理解，使我们做到理论和与实际的联系，收获很大。并且我们也深深地体会到自己所学知识的不足，对以前所学过得知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这也激发了我们的自学能力和应对挑战的能力。为今后学习打下了良好的基础。总而言之，这次课程设计我受益匪浅！最后，感谢郭照南老师对我们的细心的指导，通过老师的指导和同学们的帮助我的设计有了很大的提高，我的课程设计能够顺利的完成，离不开老师的帮助。同时在课程设计过程中，我们巩固和学习了我们的数字电