下棋定时钟设计.doc

河北经贸大学毕业论文下棋定时钟设计河北经贸大学毕业论文24摘要本设计是基于单片机的下棋定时钟设计。单片机是在一块半导体芯片上集成了CPU、存储器以及输入和输出接口电路的微型计算机；其集成度高、功能强、通用性好，特别是具有体积小、重量轻、耗能低、价格便宜、抗扰能力强和使用方便等特点。它不仅仅是一项技术性上的突破，同时也是对能源方面的有效节约和有效利用，因此深受国际有关技术部门和能源部门的重视和支持。其组合而成的配件产品在日常生活的使用中非常方便、简单而且实用，深受广大消费者的喜爱，从而是单片机技术在社会中得到了广泛的发展和应用。定时钟具有计时、倒计时及到时示警提醒的功能。本次设计采用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。下棋定时钟设计是在下棋比赛过程中给对弈双方计时所用，规定双方的行棋用时，并在时间将尽时示警提示。在下棋比赛过程中，两人下棋时对弈双方的每一步行棋时间设定一个倒计时。比赛开始时，先行棋一方开始倒计时，每个选手都有一个按键，行棋结束后按下按键，则对方开始倒计时。关键词 下棋；分频；倒计时；LED AbstractThis design is based on SCM chess set the clock design. In a semiconductor chip microcontroller is used to CPU, memory, and became the input and output interface circuit microcomputer; Its high, function integration, especially strong, excellent versatility with small volume, light weight, low energy consumption, cheap, resistant to interference ability and convenient use, etc. Its not just a technical breakthrough, as well as of the effective energy saving and effective use, so deeply international relevant technical department and the department of energys attention and support. The combination and become accessories used in daily life in the very convenient, simple and practical, deeply general consumers favorite, which is in society microcontroller technology has been widely development and application. Set the clock with timing, the countdown and then warning to remind function. This design USES CD4060 points frequency realize second pulse, reversible counter 74LS192 realize countdown, decimal LED digital pipe display remaining time. Chess set the clock design is in chess game process used for both right, provisions of the clock breaking, and both in time 4x4) hints at the end. In the chess game process, both parties to play chess each step of the right time set a countdown 4x4. The game starts, first chess party, each player started countdown has a button, after pressing buttons 4x4, then each other started countdown. Key words Play chess; Frequency division; Time countdown; LED 目录1.绪论11.1 倒计时的应用11.2设计下棋定时钟的目的11.3下棋定时钟的功能及特点介绍12.定时钟的设计32.1秒脉冲的设计32.1.1 4060的特点32.1.2 4013的功能42.1.3 秒脉冲的实现42.2 倒计时的设计42.2.1 74LS192的特点42.2.2 秒倒计时的实现62.3 显示部分的设计72.3.1 74LS48的特点72.3.2 数码管的选择92.3.3 显示部分的实现93.下棋倒计时整体电路设计113.1 选手按键部分的设计113.1.1 RS触发器的特点113.1.2 按键部分的实现113.2 报警部分133.2.1 蜂鸣器工作原理133.2.2 报警电路的实现143.3 电源部分电路设计143.4 设计总电路图174. 结论18致 谢19元件清单20参考文献21下棋定时钟设计1. 绪论1.1 倒计时的应用 我们的生活中到处都有这倒计时，时间充斥着我们的生活，有了时间，我们做所有的事几乎都存在着倒计时。从我们定闹钟到时工作学习，到铃声响起下班休息，倒计时几乎存在于我们生活的每个角落。以最常见的例子，红绿灯采用的即是倒计时的技术，红灯亮起的时候开始倒计时，行人停止，待到倒计时时间结束，则绿灯亮起，行人通过，继续倒计时。倒计时的应用十分广泛，奥运会倒计时、世博会倒计时、两会倒计时是最近在我国关于倒计时的应用，提示人们事件即将发生的时间。对于每次有计划的重大事件，临近执行之前，都会使用倒计时来提示人们引起重视。1.2 设计下棋定时钟的目的下棋定时钟设计是为了在下棋过程中给对弈双方计时所用，有正计时和倒计时两种模式，本设计采用的是倒计时模式，为下快棋准备。对弈双方开始计时后，每一方必须在60秒内行棋，如果某一步超过了60秒，则警告一次，并处以扣分，超过60秒达到几次时，则判负，具体次数由对弈时具体规定。1.3 下棋定时钟的功能及特点介绍为使用方便，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：（1）应用数字电路设计一个下棋定时数字钟；（2）限定时间为060秒；（3）两人使用，停止本方计时，启动对方计时；（4）超时报警；（5）功耗低，体积小，重量轻，交直流两用。2.定时钟的设计2.1 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。2.1.1 4060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2-1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，Q5Q14输出的是分别除以的频率，Cb用于微调频率。图2-1 CD4060常用电路图2.1.2 4013的功能用双D触发器4013构成T触发器，实现二分频。2.1.3 秒脉冲的实现由CD4060和4013组成的秒脉冲部分电路如图2-2，设计中C4选取15pF的瓷介电容，C5选30pF的微调电容。图2-2 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470。2.2 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。2.2.1 74LS192的特点选用74LS192是因为要求一开始显示的值为060秒中预选的数，而74LS192图2-3 秒脉冲PCB板图2-4秒脉冲仿真是可以预置的，其功能简介如下：（1）CR是异步清零端，且高电平有效；（2）是并行置数端，低电平有效，且在CR0时有效；（3）CPU和CPL是两个时钟脉冲，当CPL1时，时钟脉冲由CPU端接入，并且CR0，1时，74LS192处于加计数状态；当CPL1脉冲从CPD端输入，且CPLCPU =1时，计数器处于保持状态。当CPL1脉冲从CPD端输入，且CR0，1计数器处于减计数状态。（4）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2-5，真值表如表2-1。图2-5 74LS192引脚图表2-1 74LS192的真值表 输 入 输 出CRCPLCPDD3D2D2D0Q3Q2Q1Q01-000000-dcba0111-加计数0111-减计数2.2.2 秒倒计时的实现1、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060进制都可进行的倒计时，必须由两个74LS192组成可以实现099进制的倒计时器。具体设计如图2-6。图2-6 由两个74LS192组成99进制倒计时2、倒计时过程描述（1）在甲选手按键按下前，乙选手两个74LS192的CR0，0，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060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，CR0，CPL1，CP接高电平，计数脉冲由减计数端CPD输入，进行减计数。（2）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。（3）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。（4）控制置数部分由两个拨码开关控制。2.3 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。2.3.1 74LS48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2-2所示。图2-7 倒计时仿真表2-2 译码器74LS48的功能表十进制或功能输 入输 出D C B A a b c d e f g0123456789101112131415消隐动态消隐试灯输入HHHHHHHHHHHHHHHHHLHLL L L LL L L HL L H LL L H HL H L LL H L HL H H LL H H HH L L LH L L HH L H LH L H HH H L LH H L HH H H LH H H H L L L L HHHHHHHHHHHHHHHHLLH H H H H H H L L H H L L L L H H L H H L H H H H H L L H L H H L L H H H L H H L H H H L H H H H H H H H L L L L H H H H H H H H H H H L H H L L L H H L H L L H H L L H L H L L L H H H L L H L H H L L L H H H H L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L H H H H H H H2.3.2 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 。2.3.3 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470,选取显示部分电路如图2-8所示。图2-8 显示部分电路图2-9 显示时仿真3.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。结构框图如图3-1所示。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。超时报警选手操作电源秒脉冲冲倒计时显示倒计时 图3-1 下棋倒计时系统结构框图3.1 选手按键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：3.1.1 RS触发器的特点基本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3-2(a)，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。其结构如图3-2(b)示。3.1.2 按键部分的实现如图3-3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，Q非端输出低电平，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，Q非端输出高电平，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：图3-2 (a)触发器真值表 (b)RS触发器逻辑图 门电路输入信号为高电平，输出为低电平，故有： (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：480可取常用值470。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1k。图3-3 按键部分的设计图3-4 按键PCB板图3-5按键仿真3.2 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。3.2.1 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。3.2.2 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1k）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3-6所示。图3-6 报警工作电路3.3 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、变压器的参数计算：（1）保证稳压器在电网电量低时仍处于稳压状态，要求： (2)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： (3)由于V，所以有，取值9V。（2）另一方面，为保证稳压器安全工作，要求： (4)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。（3）由于A，以变压器副边P4.5W，变压器的效率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。2、滤波电容C要求满足： (5)（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F选取C1=2200F，接入电容C2（0.33F）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（0.1F）用于消除电路的高频噪声，改善负载瞬态效应。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3-7。图3-7 电源部分电路图 图3-8 交流电源仿真图3-9 直流电源仿真3.4 设计总电路图图3-10 设计总电路图4 结论对于这个课题而言，已经基本完成了设计任务，但是也存在着缺陷和不足。定时钟在下棋电路中的应用，不只是每一步行棋时间的计算，还在于每一盘棋总时间的计时， 这个设计没能体现出这个功能。通过这次设计学到了很多课堂上没有的知识，也加深了对以前所学知识的理解。课程设计过程使我了解了自己能力的不足，通过资料收集和文献查询等方法，找出了设计过程中的一些问题及解决问题的方法，从而完成了这个设计任务。这次所作的设计为自己取得了一些宝贵的经验，提高自己的能力，对以后的学习和工作很有好处。我们所学的东西最终是要面向社会的，是在以后的工作中能更好的应用，这个设计带给我最重要的是学习的过程，只有在学习中才能积累自己的知识，提高知识的运用能力，为以后的工作做好基础。这个设计并不算好的，但是设计的经历带给我的经验才是最重要的。致 谢大学生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，感谢师在毕业设计中抽出时间给我讲解设计思想，帮我理清思路。本论文是在张老师的精心指导下完成的，无论是在设计编程阶段还是在论文写作过程中张老师都给予了我很大的支持与帮助。张老师认真负责和谦虚严谨的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我获益匪浅，对于我以后的工作和学习都有巨大的帮助作用。衷心感谢她给予我的关心和指导，感谢我的同学在毕业设计中给予我的帮助。感谢所有在我成长过程中给予我帮助的人们，有了大家的帮助才使得我的论文得以顺利地完成。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CD40