篮球竞赛30s计时器.doc

篮球竞赛30s计时器 科技学院课程设计说明书课程设计名称： 09级电子课程设计报告课程设计题目： 篮球竞赛30s计时器系别名称： 信息工程系专业： 通信工程专业 班级： 0982041学号： 27，28姓名：王晓珊，王卓评分： 教师： 20 11 年 12 月 28 日摘要随着科学技术的发展，现代电子产品几乎进入了社会的各个方面吗，有力的推动了社会生产力的提高和社会信息化的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高。时钟是人类日常生活中必不可少的工具，本设计从日常生活中常见的事物入手，通过对计时器的设计，让我们认识到单片机已经深入到我们的生活中，该设计不仅可以锻炼我们的动手能力，而且可以加深我们对单片机的认识和激发我们对科学的热爱。本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛30秒计时器。此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的应用价值。 此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。在设计此计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。关键字 计时器 光电报警 模块化目 录前言 6第一章 篮球三十秒计时器设计要求及方案比较 71.1设计要求 71.2方案比较 7第二章 系统组成及工作原理 92.1 系统组成 92.2 工作原理 12第三章 单元电路设计、参数计算、器件选择 133.1 控制电路 133.1.1 暂停/连续控制电路 133.2 秒脉冲发生电路 133.3 计时电路 143.3.1 计数器143.3.2 计时电路的组成143.4七段发光二极管（LED）数码管 153.5 报警电路 15第四章 调试及测试结果分析154.1 调试 154.2 结果分析 16结 论 18参考文献20附录一21附录二23附录三24前言在篮球比赛中，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，一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。 本设计主要能完成：显示30秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为30秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。 方案中应用双时钟加、减同步可逆计数器74LS192来实现倒计时功能,在功能选择过程中选择减计数功能,芯片管脚选择中让DOWN处于工作状态。在显示零秒亮灯报警电路中，应用组合电路及二极管发光条件来实现该功能。显示电路用CD451和共阴数码管来实现，通过控制CD4511的灭灯输入信号（BL）来实现灭灯的功能。第一章 篮球三十秒计时器设计要求及方案比较1.1 设计要求课题名称:篮球三十秒计时器基本要求:1)具有显示三十秒计时功能; 2)设置外部操作开关,控制计数器的直接清零,启动和暂停/连续功能;3)在直接清零时,要求数码显示器灭灯; 4)计时器为三十秒递减时,计时间隔为一秒; 5)计时器递减计时到零时,数码显示不能灭灯,同时发出光电报警信号。主要参考元器件：NE55574LS16174LS192 1.2 方案比较 本课程设计中，我和我的同组人提出了两个脉冲信号发生电路的方案，方案如下：方案一 是用555定时器构成一个多谐振荡器，为电路提供芯片工作的脉冲信号。其电路图如下： 图1.2.1 555构成的秒脉冲发生器方案二 是电路由14位二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060、BCD同步加法计数器CD4518构成的秒信号发生器。 电路中利用CD4060组成两部分电路。一部分是14级分频器，其最高分频数为16384；另一部分是由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成振荡频率为32768Hz的振荡器。震荡器输出经14级分频后在输出端Q14上得到1/2秒脉冲并送入由1/2 CD4518构成的二分频器，分频后在输出断Q1上得到秒基准脉冲。方案选择:本课程设计中对秒脉冲信号的精度要求并不是很高，并且方案二中用CD4060和分频器构成的基准秒脉冲发生电路较于前者要复杂的多，而且CD4060和CD4518我们平常很少用，对其功能和引脚信息了解不多，所以，我们选用了方案一，用555定时器构成电路中的脉冲信号发生器。第二章 系统组成及工作原理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 2.1.1秒脉冲发生器图 2.1.2报警电路图 2.1.3计时电路图 2.1.4控制开关图 2.1.5译码显示电路2.2 工作原理冲发生器、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DOW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 控制电路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/连续开关放在谐振荡器的电阻所在支路上. 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。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。3.2 秒脉冲发生电路设计中采用NE555来产生一秒的脉冲信号。555集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。它结构简单，使用灵活，用途广泛，可以组成多种波形发生器多谐振荡器定时延时电路单稳触发电路双稳态触发器报警电路检测电路频率变换电路等。设计要求要产生一个1s的脉冲信号来作为电路的CP脉冲信号。通过计算得到以下电路中的参数。555信号周期计算其中R1=R2=48 K,C=0.1uF,C1=10uF.因为T=(R1+2R2)C2 算得T=1.008 s3.3 计时电路3.3.1 计数器在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。计数器的种类非常多。如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。在设计中我们选择的是同步加/减计数器74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数，3.3.2 计时电路的组成设计中通过两片74LS192的级联来实现一个30进制的计数器。当低位片从0跳到9时，高位片进位加一，直到实现三十秒的计数功能。再者，因为要求中提到要求电路要实现倒数计时，所以74LS192的加计数器信号输入当应该加上无用性号（高电平）。计数电路的核心是置数部分。本设计中的30秒只需将两计数器的输入端分别置为0011和0000即可，采用同步置数的方式来实现30置数。因为74LS192是十进制的计数器，所以当倒计时为0时，计数器会跳到99，因此我们采用99置数来解决这个问题，最后让显示器停在30秒处。3.4七段发光二极管（LED）数码管LED数码管是目前最常用的数字显示器，一个LED数码管可用来显示一位(09)十进制数和一个小数点。小型数码管每段发光二极管的正向压降随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略差别，通常约为22.5V，每个发光二极管的点亮电流在510mA之间。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。 共阴接法和共阳接法的区别在于它们公共端的接法不一样。共阳接法中，数码管的公共端3和8都接VCC，而共阴接法中，3、8脚都接GND。3.5 报警电路 设计中要求电路在计数为0时实现光电报警的功能。设计方案中我们用或门和发光二极管实现了这一功能。第四章 调试及测试结果分析4.1 调试在这两周的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。领取组件后，我负责电路板上元器件的排版和我和部分模块电路的焊接，我同组人主要负责电路检查和其他部分电路的焊接。在我们的共同努力下，只经过短短的2天我们就将基本电路焊完成。但由于没有经验，加上焊接电路板的时候没有对单元电路进行检验，导致问题太多，数码管根本没有显示。通电后，稳压电源的5伏电压会突变到2伏左右，而且电路板上VCC和GND两条总线间连电压都没有，但各芯片又处于正常通电状态，由于电线太多，而且出现的问题经调试后也无法减少，所以我们决定重新焊接。这一次，我们采取“各个击破”的方式进行电路板的焊接。不过在单元电路的完成过程中也出现了一些问题，在显示电路的部分中，我们选用的是七段共阴数码管，它的公共端3脚和8脚本应都接低电平的，而我们在焊接时却不小心将8脚接到了VCC总线上，导致数码管不能正常显示，这让我们明白在焊接过程中要绝对细心，头脑要清楚，在焊接时要数清芯片的管脚，并正确接到别的芯片上对应的管脚上。还有在计数电路中，计数时丢失了有4和7的数，经过分析了解到，我们肯定有虚焊点的存在，通过用万用表检测问题计数器各输出端的电平，发现果然是虚焊问题导致的结果，低位计数器的Qc端一直没有电压，经过再次焊接后，计数终于恢复了正常。基本电路完成后，我们开始灭等电路的焊接和各个暂停开关的焊接。这两部分相对比较简单。但这里偏偏也有麻烦。刚开始，我们将暂停开关放在计数器信号输入与555信号输出之间，但接上电源后，数码显示异常，而将计数信号输入与信号发生器相连，电路又运行正常。这个现象让我们把问题锁定在开关上，后来通过询问其他同学，了解到555产生的脉冲信号不稳定，而我们选用的开关是一个拨动开关，当拨动时会有较大的振动，会影响信号的传送。所以后来我们就换了开关的位置，放到电阻R1那，避免和555信号输出端连接。改良后，电路可以正常工作。最后做整体电路的检测，各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现要求中的启动、暂停、清零、连续功能。基本完成了此次课程设计的任务。4.2 结果分析(1)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，电路控制部分没有问题。(2)显示电路检查 当将显示电路中的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管不亮，说明显示电路连接不正确。解决方法：1）接入电源，用万用表检查电路是否焊接好且没有虚焊，并把有问题的部分重新焊接好；2）进一步检查电源与地的接入是否接反；3）若上述两种情况都未出现则对照各芯片的管脚图，检查在焊接过程中各管脚的连接是否接错；(3)、计时电路检查 将本课设中所选计数器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)、555脉冲发生电路检查我们将555的输出端3接到示波器上观察到的波形为一脉冲波，其频率近似为一秒。基本符合课程设计中所需秒信号的要求。(5)、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。结 论此次电子课程设计是理论与实践相结合的最好形式。在课题的完成过程中要求制作者要有坚实的理论基础和很强的动手能力。在设计过程中，通过自主查找数据和其他资料，接触到了很多新鲜的东西。经过这次课程设计，才明白自己要做一个电子产品是多么的不容易。里面的过程要求我们要非常细心。要想设计并制作一个完美实用的数字电路，确实是一件不轻松的工作，不仅要有较强的动手能力，还要有灵活应用芯片理论的功底，为此需要阅读大量关于这方面的书籍。在这次课程设计过程中，查阅了不少芯片手册，也阅读了不少有关数字电路设计的资料，其中也不乏有关篮球三十秒计时器的实例，这些都是制作电路必须的理论准备，可以为你的设计添砖铺瓦，并减少很多盲目的查找。在实际动手过程中，焊接是最为重要的，它能直接决定电路的成败：元器件的替换，开关的选择，焊接点的精细牢靠，以及最后的调试与分析。 其中的每一个环节都是至关重要的。一件产品的工艺性很重要，而焊接在电路制作中则是工艺的关键。焊接也是需要技术的，焊点漂亮能给人赏心悦目的视觉感官。综合来讲，本次的课程设计从设计带到焊接都是我们我学知识的检验。通过亲身体验说明有些在仿真软件中能行的痛的方案在实际操作电路中并不一定能行。所