智能车大赛计时器的设计资料

1、沈阳航空航天大学课程设计（说明书）智能车大赛计时器的设计班级学号学生姓名指导教师沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名 称数字逻辑课程设计课程设计题目智能车大赛计时器的设计课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标设计一个智能车大赛计时器电路，技术指标如下： 利用555定时器设计脉冲发生电路，计时器可以同时显示 2组赛车的计 时时间，分钟和秒，最小单位是 0.01秒； 2组赛车的时间同时显示，赛车到达终点后对应的时钟停止计时，其它 继续； 计时系统要求具有手动清零及到终点声音提示功能；二、设计要求1. 在选择器件时，应考虑成本。2 根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3.画出电路原

2、理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1. 根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。2. 进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1.童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006 年五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表:序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于 5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字:2014年1月2日一、概述这是一个智能车两

3、路赛道计时器，可以实现同时对两路赛道的计时，同时显 示两组赛车的计时时间，最大可以计算至分钟，可以精确到 0.01秒。可以实现 各个赛车到达终点时计时器互不影响。任何一辆车到达终点后，相应计时停，且 止会有声音提示，并且还可以实现两组同时清零功能。设计思路：因为考虑到两路赛车在到达终点的时候计时互不影响，所以我使用了两组相对独立的电路，最后在考虑其中的逻辑关系一一实现两组同时清零， 将两组电路有机结合起来。因此，设计主要完成以下几个功能：启动暂停，清零， 到达终点计时暂停并报警的提示功能。基本原理：使用74SL160芯片组成相符合的计时器，然后连接译码器和显示 器。由于时间精确到0.01秒，所

4、以使用555定时器，使它发射出稳定的100HZ 的脉冲。暂停计时方面，将74160芯片的使能端加接报警器，使用单刀双掷开关， 可以实现比赛结束停止计时并报警的功能；清零方面，在LED显示器，译码器与负责计时的74160芯片之间，加装开关，可以通过手动实现物理阻断，实现清零 功能。设计目标：实现同时对两路智能车赛道的计时， 并由显示器显示，在任何一 辆智能车到达终点时有声音提示，同样可以在比赛结束后可以实现两组组计时器 的同时清零。经过实践，认为具有可行性。二、方案论证智能车大赛计时器需要有一下三个方面的要求：能实现两路赛道同时计数功能；相互独立的暂停与报警功能；统一的清零功能。原理框图如图1所

5、示：图1智能车大赛计时器原理框图智能车大赛计时器原理框图如图1所示。功能的电路采用模块化设计，分别 都有各自的功能。脉冲用555定时器构成多谐振荡器电路，计数器采用 74LS160D芯片，当多 谐振荡器提供的脉冲信号为上升沿时计数器会完成一次递增，在计时器开始的最 初阶段我们首先要为其置数，通过对第一片74LS160的A、B、C、D接口依次加上1、0、1、0来完成对第一个数5的置数实现，第二个片的 A、B、C D接口依 次加上1、0、0、1来完成对第二个数9的置数，后面的置数同理。译码器负责 对计数器的译码，7段LED显示器来完成显示数值的功能。整体思路是考虑运用 脉冲源控制的计时器来实现对时

6、间的计算。主要运用74LS160十进制计数器运用置数法来实现计时。本次设计脉冲与计数器之间的应配合是系统的主要部分，控制电路的所有功能可以通过设置3个单刀单掷开关，和14个单刀双掷开关实现。分别将它们和 脉冲连接、计时器连接、报警器连接来实现暂停开始、清零与报警功能和显示进 位功能。三、电路设计（1） 74LS160D递增计数器模块计数器（74LS160D）是一个结构简单，操作方便的元件，74LS160D十进制同 步计数器（异步清除），是可预置的十进制同步计数器，它具有清除和置数等功 能，当计数器到达9时，计数器溢出，RCM始进位。芯片工作原理如下所示：RCO进位输出端ENP计数控制端ENT计

7、数控制端CLK时钟输入端CLR异步清零端（低电平有效）LOAD同步并行置入端（低电平有效）六进制计数器：使用置数法对74LS160芯片进行置数，即芯片引脚3,4,5, 6分别接1010,其中“ T代表高电平，接电源 Vcc, “0”代表低电平，接地。 从右往左计数，分别代表从0-5,表示六进制。引脚9接由555定时器制成的多 谐振荡器给定的脉冲，使能端引脚 7和10接下一级输出，保证所需的进制。具体接法如图2所示:U1I2A74LSOOD U1:匕| ：| ：| T4LS1B0D样讪Q -Dtt93l 图2 74LS160六进制电路图十进制计数器其引脚如下：使用置数法对74LS160芯片进行置

8、数，即芯片引脚3, 4, 5, 6分别接1001，其中“ 1”代表高电平，接电源 Vcc, “0”代表 低电平，接地。从右往左计数，分别代表从0到9,表示十进制。引脚9接由555 定时器制成的多谐振荡器给定的脉冲，使能端引脚7和10接下一级输出，保证所需的进制。具体接法如图3所示：图3 74LS160D十进制电路图由图可知，此计数器与六进制相配合可以合成六十进制电路；与十进制相配合则可以合成一百进制电路，使用较为方便，可以有效解决计时器关于六十进制 和一百进制的计数问题。(2) 脉冲信号产生模块使用555定时器构成多谐振荡器电路。多谐振荡器是一种能产生矩形波的自 激振荡器，也称为矩形波发生器。

9、“多谐”是指矩形波除了基波之外，还含有丰 富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路在 这两个暂稳态之间来回交替变化，由此产生矩形脉冲信号。所以常用作脉冲信号 源和时序电路中的时钟信号。可以看到，在电路图中，电容器C在VC/3和2VcC3之间充电和放电,输出连 续的矩形脉冲。 两个暂稳态维持时间T1, T2分别可以通过RC电路过渡过程公 式来进行计算：T1= ( R1+R3 ) C In 2，T2=R1 Cln 2从而得到电路的振荡周期：T=T1+T2=( R3+2R1 ) C In 2而本次需要精确到0.01s，因而，假设R仁R2则计算出较为稳定的电阻电容 值为：r

10、=44Q, Ri=44Q, C 1=0.01 卩 F,C2=110nF。计算得 T=0.01s。其脉冲信号 产生电路如图4所示：7444门44QCLK信号VODLMC555CHC1TI0,01pFC3110nF丄.图4脉冲信号产生电路(3) 译码显示模块译码显示作用是将计时的具体数值精确地显示出来。它是通过数码显示管来完成此项功能，74LS160D将信号传送译码器译码，分别接译码管引脚7, 1，2, 6而引脚3, 4, 5则串联接电源Vcc。随后译码管将信号传递给给数码显示管，计时 模块输出计时信号通过译码器译码由数码管显示出来，LED数码管引脚及译码器 连接如图5所示:WC5.0VU2c i

11、t iOAojSJ L抚!灵Q Id I74LS47Dvcc5.0V图5七段LED显示器及译码器接法图(4) 暂停计时并报警电路模块报警电路模块的作用：任何一辆赛车完成比赛后，与之相对应的时钟停止计 时，其它继续；当计时器停止计时，其对应的蜂鸣器响起，提示该车完成比赛。 暂停计时并报警电路与每一路赛道的最后一片 74LS16C芯片的使能端用单刀双掷 开关相连接，当小车完成比赛后，可以手动开启暂停计时并报警电路， 示意完成 比赛。暂停计时并报警电路模块如图6所示：(5) 赛道计时电路模块赛道计时电路模块主要功能是对计时器进制进行置数，以及一个额外功能:显示进制。通过六个单刀双掷开关，可以手动转换

12、计时和显示计时进制功能。 单刀双掷开关，可同时接入芯片 74LS160的进位输出RCO和CLK进制计时。在使用时，可以通过手动开关，转换功能。赛道计时电路模块通过在 A、B C D四个引脚输入信号来完成置数，图 7 为赛道计时电路模块。LJ17ALIinAIJ7A74L5DD0U2U11A74L5G0DF4LMttD U3UBA?4L5160DLHA741 SflODU53半冲斗ML計MD=I=H-Ac?Ml SflflDU<741豊询D二丰I- -I MI S1&DI1>74LS0QDU6zzbL斗ML生侦卩 0 t-8-JOR6图7赛道计时电路模块(6) 清零模块清零功

13、能是通过断开键B,使输入端整体置零来完成，设置一个单刀单掷开 关键B,使它与VCC相连，当需要满足清零功能时将开关和 VCC断开。图8为清 零功能控制电路。VCCVCC7C1A信号脉冲!信号脉冲图8清零功能控制电路四、性能测试(1)计时器开始计时仿真测试将单刀单掷开关初始状态全置为闭合，单刀双掷开关全部打至RCOS位输出 端。此时两路计时器同时开始递增计时，如图 9所示。计数器正常计数如图 9 所示。图9计时器开始计时仿真图(2)计时器计时进制仿真测试将单刀单掷开关初始状态全置为闭合，单刀双掷开关全部打至进位置数输入端。此时计数器开始进行计时进制测试，当到达最大数时，计时暂停。由图10可以看到

14、计时器分钟与秒钟的计时是六十进制，0.01秒的计时是一百进制。计 时器正常计时如图10所示: Frll*lJ4i Wn1T3T:£=tttwiMM.dl!FuaF%:4!.BfiI-<rimnnnni i（3）暂停计时并报警仿真（A车先完成比赛）测试假设左边计时器为A车，右边计时器为B车。当开关S2断开时，控制电路封锁计数脉冲，左边计时器停止计时，显示原来的数，而且保持不变，并同时启动左边的蜂鸣器。如图11所示；右边开关S1处于闭合状态，所以右边还在继续进行计，表示A车先完成比赛，B车继续比赛。计数器暂停报警如图11所示:图11计时器暂停报警/继续测试仿真图（A车先完成比赛）（

15、4）暂停计时并报警仿真（B车先完成比赛）测试假设左边计时器为A车，右边计时器为B车。当开关S1断开时，控制电路封锁计数脉冲，右边计时器停止计时，显示原来的数，而且保持不变，并同时启动右边的蜂鸣器。如图12所示；左边开关S2处于闭合状态，所以左边还在继续进行计时，表示B车先完成比赛,A车继续比赛。计数器暂停报警如图12所示:-UUDi(4)清零电路的仿真闭合所有单刀单掷开关，且将单刀双掷开关打到RCC进位输出端，然后断开开关键B, VCC被阻断，74LS160D的A、B、C、D引脚输入全置为零，所以电路完成清零功能。清零电路如图13所示：图13计时器清零电路测试仿真图五、结论通过Multism1

16、3.0软件的仿真测试，证明该电路是可行的，基本实现了报告 中所提到的要求。电路设计的较为简单，容易易懂，方便制作与拆分讲解。本电 路的核心技术为计时装置。此装置主要运用计数器的原理，通过对其输入100hz的脉冲信号以实现精确度为0.01s。每组计数器用到6个74LS160芯片，根据不 同的需求设计成十进制与六进制电路，并将其互相有机结合起来最终形成符合要 求的计时器。但同时也可以看出，该智能车赛道计时器的计时时间并不完全等同于真实时 间，除去测试计算机本身老化，处理器不够先进，反应较为缓慢外，还与555定时器本身信号秒脉冲发射的不稳定性有关，在现实生活中，该款智能车赛道计 时器需要手动调节的地

17、方偏多，自动化程度不高，该计时器的技术可能还停留在 上世纪，不利于精确计时的需要，所以还需要改进。在性价比上，本电路在满足两路智能车赛道计时的需求， 且全部使用当前十 分普遍的芯片器件，共计使用七段LED显示器12个,74LS47D芯片12个，74LS160 芯片12个，单刀双掷开关14个，单刀单掷开关3个，74LS00芯片12个，74LS04 芯片2个，蜂鸣器2个，555定时器一个，电阻电容六个，导线若干，非常容易 在市场买到，方便采购。但美中不足的是，使用的器件较多，组装较为繁琐，总 体性价比不是最好。在本次电路设计中，我遇上了很多困难，通过大量的翻阅书籍和询问老师同 学，才逐步解决困难。

18、在整个课设中，可以说，充满了欢笑与泪水，有的时候连 接的仿真电路稍微有一处错误就会影响整个设计的结果，所以我只能一个引脚一个引脚的对应，当时的辛苦不言而喻。幸运的是，我最后还是完成了电路设计， 基本达到课设的要求.通过本次课设，使我意识到，在学习中，光靠别人的讲解， 而不靠自己的亲自动手实践是不行的， 实践能让自己对知识掌握得更透彻。 非常 感谢本次课设老师和同学们对我的大力帮助和支持。参考文献1 阎石主编数字电子技术.M北京：高等教育出版社，2006年2 古良玲主编.电路仿真与电路板设计项目化教程（基于Multisim 与Protel）.M北京：机械工业出版社，2014年3 王冠华主编.Multisim12电路设计及应用.M北京：国防工业出版社，2014 年4 南新志主编.数字电路实验教程.M山东：山东大学出版社，2003年