篮球竞赛三十秒计时器.doc

篮球竞赛三十秒计时器一 计时器概述1.1 计时器的特点及应用 信息时代的到来给模电和数电知识的运用带来良好的契机，计时器是较为简单的一种模数电交错运用的产物，而又数字电子计数与传统计数方法（如掐秒表）相比有着明显的优势，精确度以及灵敏的反应都是人为测量所不能相比的。；因而如今在许多领域中均得到普遍应用，诸如在体育比赛，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、还可以用来做为各种药丸，药片，胶囊在指定时间提醒用药等等。 基本的计时器都具有清零，锁定暂停/连续计时，启动功能。且在规定的计时时间范围内显示数据，在计时结束时会伴有声光电报警功能。计时准确精确稳定。使用简单方便，因此赢得广大使用者的好评。继而更进一步促进了计时器领域的发展。1.2 设计任务及要求设计一个篮球竞赛30S进攻时间限制计时器。性能指标要求:a.具有显示30S计时功能；b.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；c.在直接清零时，要求数码显示器灭灯；d.计时器为30S递减计时，计时间隔为1S；e.计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。二 电路设计原理及单元模块2.1 设计原理本课程设计要求设计一篮球竞赛三十秒计时电路，用来检测球员持球时间是否超过30秒这一时限。一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动地报警从而能够准确无误地判定此球员犯规。基于设计要求，该计时器首先要有显示30S计时功能，由此可推出要有两位数码管来组成显示电路，一般的七段数码管定要有其驱动电路，否则单凭其自身，无法完成显示任务，因此综合考虑，选用共阴七段数管和CD4511以及些许的限流电阻，就构成了计时器最基本的显示电路。其次，计时器定要有计时信号。由设计要求“计时间隔为1S”，从而知道所要设计的秒冲触发电路的触发脉冲为1HZ。结合本学期数字电子技术基础中第十章“脉冲波形的产生和整形”所学知识可知，由555构成的多谐振荡器输出的波形完全可以充当计时器的计时脉冲。再者题目对精度的要求不是很高，于是就选简单常用的555来构成秒脉冲触发电路。接下来就应该是计数器，既能接收秒脉冲发生器传输过来的计时脉冲，并将脉冲输送到数码管显示器。另外计时器是倒计时的，从而知道所选用的计数器定要有减计数功能，74LS192具有双时钟加，减同步可逆计数器，而且是8421BCD计数，所以就采用74LS192来担充当计数器。只须通过将输出端译码反馈至置数端勤或清零端或者某些端口的特殊功能，将两位74LS192接成三十进制的计数电路。30S倒计时功能就可实现。当计时器减计数至00时，同时要有报警讯号输出。只需在工作74LS192对CD4511的输出端在00状态译码，可由简单的逻辑门电路组成译码电路。光电报警电路可由一串接了限流电阻的发光二极管并接构成。只需译码电路能够给出正确的报警讯号就可行了。最后是该计时器的两个控制开关的定位，首先是暂停/连续计时开关，可以让此开关在行使暂停功能时，使得秒脉冲信号输不到74LS192。其次是启动开关，此开关工作时是让数码管显30S字样，只须使此开关接74LS192的置数端LD，该端是以低电平有效，控制此端的接高或接低电平，再在两位四个置数输入端打入30字码即可完成启动任务。综合以上所分析，该计时器基本可由五大模块构成。即：秒脉冲发生器,三十进制的倒计数器，译码显示模块，辅助控制电路，声光电报警电路。只要此五部分运行正常而又配合得力，篮球竞赛三十秒计时器就已经基本成型。以下是篮球竞赛三十秒计时器的原理框图：译码显示计时器秒脉冲发生器控制电路报警电路外部操作开关 图一 篮球竞赛三十秒计时器的原理框图2.2 设计方案及方案比较结合以上的原理说明，设计方案可由五大电路板块分析：1秒脉冲发生器 获取矩形脉冲的途径不外乎两种：一种是利用各种形式的多谐振荡电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种则是通过各种整形电路将已有的周期性变化波形变换为符合要求的矩形脉冲。在脉冲触发方面，有石英晶体多谐振荡器，以其振荡频率稳定性高，稳定性直接影响着准确性，所以经常作为数字钟的脉冲源使用，在对频率稳定性要求高时，要加稳频电路。且成本较高，不予采纳。其次是用施密特触发器构成的多谐振荡器，由施密特触发器其传输特性有一个滞回区，可轻而易举地实现脉冲触发。但是在计算其振荡周期时应考虑至施密特触发器输入电路对电容充放电的影响，导致周期计算难度较大，不易准确实现1HZ的秒脉冲。 在脉冲变换方面，施密特触发器发以其可实现波形变换，脉冲整形，脉冲鉴幅得到广泛应用，但考虑到在实际中，要求有一已经具备了周期性变化的波形才可适用，而且周期也要1S才能发挥用处，这一点对电源要求太过苛刻，所以只能作罢。 555定时器接成多谐振荡器，在不对输出频率稳定性和准确性有较高要求时，普遍适用做各种用途电路的脉冲触发电路。而且周期计算较为简易。基本满足要求，因而在综合各方面考虑选用此作业脉冲触发电路。2三十进制的倒计数器 计数器是数字系统中使用最多的时序电路。计数器的种类繁多，按触发同时是否翻转可分为同步和异步两类，同步即当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的，异步则有先有后。按计数过程中数字增减可分为加法，减法和可逆（加/减）计数器三种。 我选择的是74LS192是双时钟加，减同步可逆BCD码计数器，兼具有置数，清零，保持功效。刚好能够满足题目要求。且可将信号直接输送至下一级电路中去。3译码显示模块 为了能以十进制数码直观地显示数字系统的运行数据，我选择四段字符显示器。4辅助控制电路 首先是清零开关，要求控制计数器的直接清零，且在清零的同时，数码显示要灭灯。综合以上各电路版板采用的555定时器，74LS192，74LS192上有一直接清零端CR，在高电平时有效，可知只要让开关打到清零状态时使CR可与高电平接通，即可完成直接清零功能。若要数码管显示灭灯，就不能不考虑到CD4511的BI端，此端为消隐输入端，在低电平时有效，两者结合考虑，使CR端接至拨段开关的中心点，另两端分别接地和接高电平，在接高电平端上再接一74LS04其中一个反相器，接至BI端。就可使拨段开关打到直接清零状态时，数码管清零并灭灯。然后是 连续/暂停 开关，将它与555秒脉冲输出端和退位输出端口经由非门，与非门一同连入一个与非门，再将该门连经一非门，最后将其连到减计数端口控制。最后是启动开关，因为题目要求要使拨段开关打到启动端口时，立即显示出30字样，就是把30的数码通过对74LS192的置数端LD的控制置30进去。只要将两个LD端口同时接到拨段开关的中心端，另两端分别接高和接低电平，同时在两个74LS192的a,b,c,d预置数输入端将30（BCD）码译过去，接对应的电平，LD是在低电平时有效的，当开关拨至低电平时就一直处于置数状态，直到开关接到低时，就开始按秒递减。由此，启动开关就可达到预计要求。5 光电报警电路6 报警电路采用蜂鸣器与一个接了限流电阻的发光二极管并接构成。2.3 单元模块2.3.1 减计数器模块74LS192是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。在减计数时，当需要进行多级扩展连接时，只要将低位的BO端接到高位的PD端，因为只有当低位片的计数结果到零状态时，BO才会有脉冲输出，且以低电平作为有效输出。只有当低位BO端发出借位脉冲，高位计数器才做减计数。当高，低位计数器全为零时，且CPD为0时，置数端 2，计数器完成并行置数，在PD端的输入时钟脉冲作用下，计数器进入下一轮循环减计数。此计数器预置数为（0011 0000）8421BCD=（30）10。此计时器名为三十秒计时器，计数器肯定要为三十进制的。将高位片的BO端接到两位74LS192的LD端，当计数器减到00时，高位片的BO端就会输出以低电平有效的借位脉冲。正好在此时又将预置数端的数码置位进去。以下是计数器模块的示意图： 减计数器模块电路原理示意图 2.3.2 时钟模块555定时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V18V范围内使用。 555定时器工作时过程分析如下： 5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。 当VI12/3VCC，VI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供时钟秒脉冲。555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻Ra.Rb向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器C1输出翻转，输出电压为零，同时放电管T导通，电容C通过Rb放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过Ra。Rb又开始充电；周而复始，形成振荡。则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响。 输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：tw1 ： Uc (0) = Vcc /3 V、Uc () =Vcc、 t1=(Ra+ Rb)C、 当t= tw1时，Uc(tw1) =2 Vcc /3代入三要素方程。于是可解出tw1=0.7(Ra+ Rb)Ctw2 ： Uc (0) = 2Vcc /3 V、 Uc () =0V、 t1= RbC、当t= tw2时，Uc(tw2) =Vcc /3代入公式。于是可解出tw2=0.7RbC振荡周期为T = tw1+tw2=0.7 ( Ra + 2Rb) C =1 (s)在实际选取参数时，考虑到电阻电容标称值固定，不易很准确地定出1S的脉冲周期，再者题目对秒脉冲的精确度要求也不是很高，所以就选取较为接近1S的一组参数。Ra=47K,Rb=47K，C=10uF 图2 秒脉冲模块电路原理示意图以及产生的脉冲波形 2.3.3 辅助时序控制模块当“暂停/连续”开关处于“暂停”是，计数器暂停计数，显示保持不变，当此开关处于“连续”开关，计数器继续累计计数。闭合“启动”开关，计数器应完成置数功能，显示器显示30，断开“启动”开关，计数器开始进行递减计数。此开关仍旧采用拨段开关的双向接触功能，将两位74LS192的置数端LD都连接至此拨段开关的中端，另两端分别接地和接高电平，当开关打到低电平端时，使得LD端置数有效，会将预置数端的数码30打进去，完成启动功能；当开关接至高电平端时，使得LD端置数无效，计数器正常计数。下面为辅助时序控制模块的原理示意图： 图3 辅助时序控制模块原理示意图 2.3.4 译码显示模块 显示译码和数码显示电路是为了将计数器的记时状态直观清晰地反映出来,使其能够被人们的视觉器官所接受的电路部分。 器件选用LED七段共阴数码管.在译码显示电路输出信号的驱动下,显示出清晰,直观的数字符号。 图4 译码显示模块电路原理示意图三 电路连接与调试3.1 电路的连接 要合理布局，将元器件及芯片摆放在电路板适当的位置上。连接时需先调试元器件的逻辑功能是否正确，避免由于元器件的而影响电路的连接，连接时要细心，避免漏连,错连。3.2 电路的调试 显示模块自启动开关启动打进三十字样后，开始逐脉冲递减，减至00后，又开始从99字码递减，这一现象完全与设计的初衷相违背，经过对设计电路的重新分析，发现电路设计上少了一个与非门，致使减计数时钟输入端没有被锁定，在加上一个与非门后，现象正确。四 实验总结及体会4.1 实验总结 经过不断测试与调试，终于使得秒脉冲发生器能正常产生脉冲，虽然实地的秒脉冲比实际的秒单位要慢一些，但无妨整体的结果。计数器三十进制正确无误，从30逐渐降至00。到00时报警电路也会正常工作，二极管发光。各个模块都能正常工作，因而可得出该篮球三十秒计时器基本符合课设的要求，达到了计时，暂停，清零，启动，报警的目的。4.2 实验体会此次设计中，我们充分地利用了课本理论知识以及其他参考文献。按照书本上的知识和老师讲授的方法，首先分析研究此次电路设计任务和要求，然后按照分析的结果进行设计，但起初感觉无从下手，经过几天的学习与探究，最终完善了一个原理电路。同时在其中遇到一些不解和疑惑的位置，还有一些出现的未知问题，我们都认真分析讨论，然后对讨论出的结果进行分析，对一些疑难问题我们也认真向老师询问请教，和老师一起探讨解决。通过此次电路设计，加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和设计理论有了一定的初步认识，从而形成了我们的理论分析能力及其对电子课程设计的一般分析方法。结 论通过实地上电检测，该篮球竞赛三十秒计时器，基本上满足了设计要求。由NE555集成电路组成的多谐振荡电路（秒脉冲触发电路）给出秒脉冲信号，其工作状态由一发光二极管指示，上电后，二极管处于不断闪烁发光的状态，知该秒脉冲发生电路正常。秒脉冲信号经由两个74LS192（双时钟加，减同步可逆计数器）组成的三十进制倒计时电路分频，给CD4511（BCD码锁存/七段译码/驱动器）计时脉冲，输送至两位七段共阴数码管显示。数码管显示正常，且无乱码，无乱序现象。继而可知，该计时器的计数电路与译码显示电路正常。当一次计数终止时，即到了零零状态，数码管显示出00字样，且灯不灭。与此同时，蜂鸣器与发光二极管同时发声，发光，显示报警。说明光电报警电路运行正常。三个辅助时序控制开关（拨段开关）：按动清零开关至清零状态，数码管清零并显示灭灯，知清零开关正确；按动暂停/连续计时开关，将开关拨至暂停计时状态，数码管显示数码处于锁定状态，然后不管过多长时间将开关再拨至连续计时状态，数码管又开始正常计数，而且计时顺序正常，知暂停/连续计时开关有效；按动启动开关，将开关打至启动状态，74LS192将三十打进CD4511并通过数码管显示输出三十字样，当启动开关断开时，计数器开始计数，由此知道，启动开关作用正常。从而控制电路控制功能到位。综上来说，秒脉冲触发电路，计数器电路，译码显示电路，辅助时序控制电路，声光电报警电路均运行正常，篮球三十秒计数器已经达到了预计要求。再有，计数器至00状态时，从实际生活中接触的计时器来说，应该停止计时，保持此状态不变，持续报警显示，直到清零或启动开关有效。但考虑到实际实行起来，要另加一控制开关，而且此功能在本人的知识范围内，只能通过手动实现，达不到自动效果，因此就中断了这一方面的改进。此次为期将近两周的课程设计经过一次又一次的偿试，各模块电路基本如预想地正常工作，课设要求也基本满足。因而本人对此次篮球竞赛三十秒计数器的设计电路还是很满意的，虽然还有些不足之处有待进一步改善，毕竟受益匪浅。掌握了模块化电路设计的思想，将数字电路和模拟电子电路所学能够切实地运用到实际的电路设计中去，能够常有所用，对将来进一步改善学习方法有了清醒的认知。希望下一次能比此次表现更为出色，设计一个更完美的有用的电路系统来。参 考 文 献1. 阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社.2006.2. 王毓银. 数字电路逻辑设计. 高等教育出版社.1995.3. 康华光 电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社. 北京2001年4. 钱培怡. 电子电路实验与课程设计. 西安电子科技大学出版社.1992.附录一：电路原理总图附录二：元件清单序号编号名称数量说明174LS192双时钟同步可逆BCD码计数器2片工作电压5V2NE555多用途数字模拟混合集成定时器1片工作电压5V34011BD逻辑与门2片工作电压5V44049BD逻辑非门3片工作电压5V5R11k电阻1只6R55.1k电阻1只 7R6.R747k2只8C10.1uF1只9C210uF1只10LED发光二极管1只11DCD-HEX共阴极四段数码显示管2片附录三：主要芯片管脚及功能表介绍174LS192 双时钟同步可逆8421BCD码计数器。其CR是清零端，LD是置数端，CPU是加计数时