篮球竞赛24秒计时器数电课程设计

数字电子技术数字电子技术 课程设计说明书课程设计说明书 课题名称 篮球竞赛课题名称 篮球竞赛 2424 秒计时器设计秒计时器设计 专专 业 电气工程及其自动化业 电气工程及其自动化 班班 级 电气级 电气 1202 班班 指导老师 胡新晚指导老师 胡新晚 姓姓 名 曾瑞琪名 曾瑞琪 2 计数器概述计数器概述 篮球竞赛篮球竞赛 24 秒计时器功能秒计时器功能 随着信息时代的到来 电子技术在社会生活中发挥这越来越重要的作用 运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活中不可缺少的一部分 特别 是在各种竞技运动中 定时器成为检验运动员成绩的一个重要工具 在篮球比 赛中 规定了球员的持球时间不能超过 24 秒 否则就犯规了 本课程设计的 篮球竞赛 24 秒计时器 可用于篮球比赛中 用于对球员持球时间 24 秒限制 一旦球员的持球时间超过了 24 秒 它就自动报警从而判定此球员的犯规 本设计只要完成 显示 24 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 暂停 连续功能 在直接清零时 数码管显示器灭 灯 计时器为 24 秒递减计时其计时间间隔为 1 秒 计时器递减计时到零时 数 码管显示器不灭灯 同时发出光电报警信号等 设计任务及要求设计任务及要求 基本要求基本要求 1 显示 24 秒计时功能 2 设置外部操作开关控制计时器直接清零 启动 暂停 连续功能 3 计时器为 24 秒递减计时器 其计时间隔为 1 秒 4 递减计时到零时 显示器不能灭灯 同时发出光电报警信号 设计任务及目标设计任务及目标 1 根据原理图分析各单元电路的功能 2 熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能 3 3 进行电路的装接 调试 直到电路能达到规定的设计要求 4 写出完整 详细的课程设计报告 主要参考器件主要参考器件 555 晶体定时器 74 LS00 74LS48 译码器 74LS192 十进制可编程同步加锁计数器 4 电路设计原理与单元模块电路设计原理与单元模块 设计原理设计原理 24 秒计时器的总体参考方案框图如图 2 1 所示 它包括秒脉冲发生器 计数 器 译码显示电路 报警电路和辅助时序控制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 计数器完成 24 秒计时功能 而控制电路完成 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 时时间到启动报警等功能 图 2 1 24 秒计时器系统设计框图 秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准 但是设计对此信 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 其构成 译码显示电路由 74LS48 译码器 和共阴极七段 LED 显示器组成 报警电路 在试验中可用发光二极管与蜂鸣器代替 5 设计方案设计方案 在本设计中 首先设计好 24 进制计数器 因为它作为本设计的核心部分 是设计的最主要的一部分 在此次设计中 我们选择 74LS192 进行 24 进制同步 减法计数 同时选择 74LS48 作为 BCD 码译码器来对 7 段数码显示管进行译码驱 动 选择两个七段数码显示管进行显示 根据设计要求 本课程设计采用 555 计时器制成的多谐振荡器 来进行秒脉冲的输入 在本设计中 因为我们需要 对其进行暂停 清零 报警等控制 所以我们使用了三个开关来控制计数器的 各功能的实现 从而实现了各种功能的实现 各单元电路的设计各单元电路的设计 24 进制计数器的设计进制计数器的设计 根据设计要求 本设计需要实现 24 进制递减功能 所以本设计采用十进制 同步减法计数 因此使用 74LS192 来实现计数功能 十进制可逆计数器 74LS192 引脚排列及逻辑符号如图 2 3 1 a b 所示 它具有双时钟输 入 并具有清除和置数等功能 a 引脚排列 b 逻辑符号 图 2 3 1 74LS192 的引脚排列及逻辑符号 6 图中 为置数端 为加计数端 为减计数端 为非同步进 位输出端 为非同步借位输出端 P0 P1 P2 P3 为计数器输入端 为清除端 Q0 Q1 Q2 Q3 为数据输出端 其功能表如下图 2 3 2 所示 输入 输出 MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 0000 0 0 dcbadcba 0 1 1 加计数 0 1 1 减计数 图 2 3 2 74LS192 的功能表 在本次设计中 因为我们要实现 24 进制计数功能 所以我们首先应该对计 数器进行置数 由于 24 10 00100100 8421BCD所以要先对 741192 两芯片进 行置数 令第一块集成块的置数端 Q3Q2Q1Q0 0010 令第二块的为 Q3Q2Q1Q0 0100 把 第二块芯片的借位端 与第一块芯片的脉冲输入端相 连 从而进行实现借位功能 7 数码显示译码器的设计数码显示译码器的设计 在本设计中 根据设计的要求 我使用 74LS48 译码器来驱动共阴极数码显 示管 74LS48 芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器 常用在各种数字 电路和系统的显示系统中 下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应 用技术等资料 74LS48 的引脚图和功能表分别如图 2 3 3 和表 2 3 1 所示 图 2 3 3 表 2 3 1 74LS48 的功能表 输入输出 数字LTRBID C B ABI RBOa b c d e f g 字 形 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X X X X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 脉冲消隐 灯测试 X 1 0 X 0 X XXXX 0 0 0 0 XXXX 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 8 七短数码显示管的引脚图如图 2 3 4 所示 其中 3 脚和 8 脚相连为公共端 在 电路中接地 6 脚为小数点引脚 设计中不需要对其处理 图 2 3 4 七短数码显示管的引脚图 秒脉冲的设计秒脉冲的设计 根据设计要求 本电路需要产生间隔为一秒的时间脉冲 完成正确的计数 功能 所以选择 555 定时器来设计此模块 从而产生标准的秒脉冲 1 器件特性 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 它在波形的 产生与变换 测量与控制 定时电路 家用电器 电子玩具 电子乐器等方面 有广泛的应用 9 集成 555 定时器有双极性型和 CMOS 型两种产品 一般双极性型产品型号 的最后三位数都是 555 CMOS 型产品型号的最后四位数都是 7555 它们的逻辑 功能和外部引线排列完全相同 器件电源电压推荐为 4 5 12V 最大输出电 流 200mA 以内 并能与 TTL CMOS 逻辑电平相兼容 其主要参数见图 2 3 5 555 定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图 2 3 6 和内部结 构如图 2 3 7 所示 引脚功能 Vi1 TH 高电平触发端 简称高触发端 又称阈值端 标志为 TH TH 6 TR 2 Dis 7 VCC 8 Rd 4 Q 3 GND 1 Vco 5 555 1234 5678 GND TRVoRd VcoTHDisVCC 555 a 555 b 555 图2 2 6 555 定时器逻 辑符号和引脚 图 2 3 5 a 双极性型 5G555 的主要性能参 数 参数名称符号单位参数 电源电压VCCV5 16 电源电流ICCmA10 阈值电压VTHV VCC 3 2 触发电压VTRV VCC 3 1 输出低电平VOLV1 输出高电平VOHV13 3 最大输出电流IOMAXmA 200 最高振荡频率fMAXKHz 300 时间误差 t nS 5 VTH即 Vi1 VTR即 Vi2 b CMOS 型 7555 的主要性能参数 参数名称符号单位参数 电源电压VCCV3 18 电源电流ICC A 60 阈值电压VTHV VDD 3 2 触发电压VTRV VDD 3 1 输出低电平VV0 1 输出高电平VV14 8 最大输出电流IOMAXmA 200 最高振荡频率fMAXKHz 500 时间误差 t nS 图 2 2 7 555 定时器内部结 构 R5K R5K R5K C1 C2 G1 G2 G3 Rd Vi1 TH Vi2 TR VCC T Vco R1 Vo Vo Dis Q Q S R 10 Vi2 低电平触发端 简称低触发端 标志为 TRTR VCO 控制电压端 VO 输出端 Dis 放电端 复位端 Rd 555 定时器内含一个由三个阻值相同的电阻 R 组成的分压网络 产生 VCC 和VCC 两个基准电压 两个电压比较器 C1 C2 一个由与非门 3 1 3 2 G1 G2 组成的基本 RS 触发器 低电平触发 放电三极管 T 和输出反相缓冲 器 G3 是复位端 低电平有效 复位后 基本 RS 触发器的端为 1 高电平 RdQ 经反相缓冲器后 输出为 0 低电平 分析图 2 2 3 1 的电路 在 555 定时器的 VCC 端和地之间加上电压 并让 VCO 悬空 则比较器 C1 的同相输入端接参考电压VCC 比较器 C2 反相输 3 2 入端接参考电压VCC 为了学习方便 我们规定 3 1 当 TH 端的电压 VCC 时 写为 VTH 1 当 TH 端的电压VCC 时 写为 VTR 1 当端的电压 VCC 时 写 TR 3 1 TR 3 1 为 VTR 0 低触发 当输入电压 Vi2 VCC 且 Vi1VCC 且 Vi1VCC 则 VTH 1 比较器 C1 输出为低电平 无论 C2 3 2 输出何种电平 基本 RS 触发器因 0 使 1 经输出反相缓冲器后 R Q VO 0 T 导通 这时称 555 定时器 高触发 VCO 为控制电压端 在 VCO 端加入电压 可改变两比较器 C1 C2 的参 考电压 正常工作时 要在 VCO 和 地之间接 0 01 F 电容量标记为 103 电容 放电管 Tl 的输出端 Dis 为集电极开路输出 555 定时器的控 制功能说明见表 2 2 2 根据 555 定时器的控制功能 可以制成各种不同的脉冲信号产生 与处理电路电路 例如 史密特触发 器 单稳态触发器 自激多谐振荡 器等 在此次设计中 采用多谐振荡器来设计 2 自激多谐振荡器 自激多谐振荡器 图 2 3 8 所示为自激多谐振荡器电路和波形图 自激多谐振荡器用于产生连 续的脉冲信号 电路采用电阻 电容组成 RC 定时电路 用于设定脉冲的周期 和宽度 调节 RW 或电容 C 可得到不同的时间常数 还可产生周期和脉宽可 变的方波输出 脉冲宽度计算公式 Tw1 0 7 R1 R2 C Tw2 0 7R2 C 振荡周期计算公式 T 0 7 R1 2R2 C 1s 表 2 2 2 555 定时器控制功能表 输 入输 出 TH TR dR VODis VCC 3 2 VCC 3 2 VCC 3 1 L H H H L H 不变 L 导通 截止 不变 导通 12 图 2 3 8 分析方法与单稳态电路相似 但电容器 C 的充电电阻是 R1 R2 放电电 阻是 R2 当 VC 是低电平时 555 定时器低触发 VO 为高电平 放电管 T 截 止 电容器经 R1 R2 充电 当充电至 VC VTH VCC 时 电路高触发 3 2 输出 VO 变为低电平 放电管 T 导通 电容器经 R2 放电 当放电至 VC VTR VCC 时 电路又进入低触发 VO 变为高电平 如此周而复始 循环不止 3 1 输出连续脉冲信号 各控制开关的设计各控制开关的设计 启动 暂停 清零功能的设计启动 暂停 清零功能的设计 在本次设计中 由于设计的要求 要实现计数器的暂停 复位和启动控制 所以需要设计三个开关来控制电路 对于启动和清零开关而言 我们只需设计 一个以电平的高低来控制的按键开关即可 把开关一端接地 另一端通过一电 阻接电源 其中启动开关和 74192 的 11 脚相连 而清零开关与 74192 的 14 脚 相连即可 在这里 主要介绍暂停开关的设计 因为实际使用时开关会有抖动 现象 所以我用基本 RS 触发器来设计暂停开关相连 用来消除抖动 基本 RS 触发器如图 2 3 9 为由两个与非门交叉耦合构成的基本 RS 触发器 它是无时钟 控制低电平直接触发的触发器 基本 RS 触发器具有置 0 置 1 和保持三 种功能 通常称为置 1 端 因为 0 时触发器被置 1 为置 0 SSR 13 端 因为 0 时触发器被置 0 当 1 时状态保持 当 0 时为不 RSRSR 定状态 应当避免这种状态 图 2 3 9 二与非门组成的基本 RS 触发器 a 逻辑图 b 逻辑符号 基本 RS 触发器的逻辑符号见图 2 3 9 b 二输入端的边框外侧都画有小圆 圈 这是因为置 1 与置 0 都是低电平有效 输入 74192 的时钟脉冲由下图 2 3 10 所示电路输出接到 74LS192 的 CPD 脚 还有一端输入由借位信号输入 图 2 3 10 由于元器件限制 本设计中所使用的 2 进 1 出和 3 进 1 出的与非门均由集 成芯片代替 其中 2 进 1 出芯片为 74LS00 3 进 1 出为 74LS10 由于芯片很简 单 所以没有过多介绍 以下图 2 3 11 为两芯片的引脚图 14 图 2 3 11 总电路设计仿真图总电路设计仿真图 15 各控制开关的使用功能各控制开关的使用功能 电路图如上图所示 根据设计要求 要达到清零 暂停 复位和报警功能 所以在此设计中 使用了三个开关来实现各功能 电路通过开关 S1 来控制电路 的启动和复位功能 它通过接高低电平输入 74192 的预置端 11 脚来控制计数器 的启动和复位 开关 S2 控制计数器的清零功能 它通过输入高低电平的输入 74192 的 14 脚 CR 清除端来实现清零功能 而 S3 则通过加高低电平来实现基 本 RS 触发器 从而控制计数器的暂停和连续功能 结论结论 本设计主要通过模块化思想 逐步实现设计所需达到的功能要求 时钟模