象棋快棋赛电子裁判计时器的设计电子课程设计.docx
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象棋快棋赛电子裁判计时器的设计电子课程设计
课程设计
课程名称:
电子技术课程设计
题目名称:
象棋快棋赛电子裁判计时器的设计
专业名称:
电子信息工程
班级:
学号:
学生姓名:
任课教师:
2015年12月31日
任务说明:
象棋快棋赛规则是,红、黑双方对奕时间累计均为三分钟,超时判负。
设计要求:
1、基本部分
(1)自制稳压电源;
(2)甲乙对奕方的计时器共用一个秒时钟,双方均用3位数码管显示,预定的初值均为三分钟,采用倒计时方式,通过按扭启动,由本方控制对方,比如甲方走完一步棋后必须按一次甲方的按键,该按键启动乙方倒计时。
同理,乙方走完一步棋后必须按一次乙方的按键,该按键启动甲方倒计时。
(3)超时能发出声音,报警判负。
2、发挥部分
(1)累计时间设置可以改变(比如,还可以设定为5分钟)
(2)工艺结构精致,具有一定的现场实用价值;
(3)其它。
其它说明:
一人完成基本部分
(1)(3)难度系数为1.0;
一人完成基本部分
(1)(3)和发挥部分
(1)
(2)难度系数为1.1。
摘要
象棋快棋赛由主计数电路与扩展电路组成。
通过给计数器输入固定时钟信号以计算时间;数码管显示器、数码管译码器将参赛者甲乙的走棋时间在显示器上输出;用控制电路控制计时器开始、暂停、清零、置数;自关断告警电路可在计时结束发出有限时长的蜂鸣声,以上两部分构成主体电路。
通过变压器、整流管、滤波元件、稳压芯片,为电路提供电能。
通过晶振和计数器分频电路,将秒脉冲信号输出到计时器实现计时功能。
以上构成扩展电路。
经过布线、焊接、调试等工作后象棋快棋赛电子裁判计时器成形。
关键词:
数字电路,计数器,时钟,信号处理
1.系统方案设计
要实现对棋手双方走棋时间的计算,可用以下三个方案:
方案一:
单片机方案
通过编制单片机程序,使得程序控制计时电路的运行。
但是利用单片机设计该电路未免大材小用。
方案二:
基于74ls192构成的双计时器方案
用两组计时器(每组计时器用3个计数器芯片和3个译码器构成),分别记录、显示、处理两名玩家的走棋时间。
该电路逻辑简单,设计上容易实现,并且不易发生差错。
但是实物制作过程,由于用了两组计时器,由两组计时器引发的时间控制及处理芯片较多,因而装配、焊接的繁琐程度较大。
方案三:
单计时器,双锁存器方案
用一组计时器、两个锁存器进行核心电路的设计。
当按下开始按钮后,该计时器便一直工作。
当左右其中一名玩家按下其前方的按钮,立即触发当前玩家对应的锁存器,对当前时间进行锁存,然后将对家的锁存器时间预置入计数器,然后计数器开始计算对家的时间;当另一名玩家按下其对应的按钮,则其对应的锁存器对当前时间进行锁存,然后将其对家的锁存器时间预置入计数器。
如此往返循环,使得单组计时器计算两个玩家走棋时间的功能得到实现。
该电路能明显减少方案二所需的芯片数,但是设计难度较大,并且由于芯片功能的高度集中,不利于后期模块化的调试。
综上所述,本设计采用方案二来实现最为可行。
对于装配焊接的繁琐问题,本设计对功能进行模块化处理,使得各个单元电路独立成块,以尽量有利于后期安装与调试。
2.单元电路设计
本设计分为主电路和扩展电路。
其中主电路由裁判控制电路、玩家控制电路、计时电路、译码显示电路、计时器判零电路、告警电路组成(见图2-1)。
扩展电路为稳压电源电路、时钟信号发生电路所构成。
2.15v稳压电源
稳压电源提供激励,用以驱动芯片正常工作。
如图2-2所示:
图2-25V稳压电源原理图
220V电网交流电(最大值311V)经过变压器,从上到下三个输出端,依次可获得+6v,0v,-6v有效值的电压输出,经过功率二极管全波整流,可获得下半周翻转的正弦波,该电压有效值大于5V小于6V。
为获得相对平稳的直流电,在整流管输出端并接一个大电容(3300uF)和一个中电容(10uF)。
为得到5v的稳压,在大、中电容后接入三端稳压管LM7805,使其输出电压接近5v。
三端稳压管后串接一个功率二极管,以起到保护输出端负载的作用,该二极管后并接的10nF小电容,用以滤除电输出电压中的中高频纹波。
在仿真电源的输出端接入示波器和交流电压表(见图2-3a),观察输出端波形和电压值(见图2-3b、图2-3c)
图2-3a仿真测试接线图2-3b示波器仿真结果图2-3c电压表仿真测试
从仿真结果可知,输出电压稳定后,其数值在5V左右。
2.2时钟信号发生器
时钟信号给予计数器稳定的计数脉冲,使之获得计时功能(见图2-4)。
图2-4时钟信号发射器原理图
使用有源晶振,只需在其输入端加入电源电压,即可在输出端得到方波信号。
本设计用到32.768KHz有源晶振,经过37268(2的15次方)分频后,可获得稳定的1Hz方波信号,用以准确带动计数器进行时间计数。
图2-574LS161引脚图图2-674LS161仿真图
表2-174LS161功能表:
从74LS161功能表功能表(见表2-1)中可以知道,当清零端CR=“0”,计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”,这个时候为异步复位功能。
当CR=“1”且LD=“0”时,在CP信号上升沿作用后,74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3,D2,D1,D0的状态一样,为同步置数功能。
而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后,计数器加1。
74LS161还有一个进位输出端CO,其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数器的清零功能和置数功能,一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。
分频电路采用了4个74hc161十六进制计数器,待分频信号输入第一个161芯片的时钟输入端,第一个161芯片的进位输出端,连接第二个161芯片时钟输入端;第2个161芯片的进位输出端,连接第3个161芯片时钟输入端;第3个161芯片的进位输出端,连接第4个161芯片时钟输入端。
在第四个161芯片的Q2输出口,可得到2的15次方分频信号(1Hz);在Q0输出端,可得到2的13次方分频信号(4Hz)(用以驱动下述设计中告警电路自动停止告警)。
由于晶振产生频率的稳定性,本方案相比lm555方波产生电路,在频率上具有无可比拟的精确度,作为时钟信号源更为合适。
仿真结果:
在最后一个计数器的14,12引脚接入频率计,可测得分别输出4Hz个1Hz的频率(见图2-8)。
图2-8仿真分频电路的结果
2.3计时器电路
图2-9时器原理图
74ls192为10进制、异步清零、异步置数、可逆计数器,当在其4号引脚(见图2-10)输入时钟信号时,计数器为倒计数模式,其Q3--Q0输出端依次从0000,1001,1000……0010,0001,0000……循环计数,其13号输出端子为退位信号输出端子,将其连接到下一个192计数器的4号引脚,即可得道2位十进制倒计数电路,再多接一个192计数器,即可组成3位十进制计数器(见图2-9),以满足设计中3分钟倒计时的要求【3个计数器的功能从左到右依次为:
分(个位);秒(十位);秒(个位)】。
图2-1074lS192引脚排列及逻辑符号
表2-274LS1492功能表:
第二个计数器需设计为六进制,以满足实际要求。
因为192计数器为异步置数:
当11号引脚(置数端子)得到使能信号时,不管下一个时钟上升沿是否到来都立刻进行置数。
所以本设计使用了逢9变5的方法,即当计数器从……3210变为9(二进制1001)的一瞬间,通过与非门检测到该输入,立即带动计数器置数为5(二进制0101)。
之后计数器检测到时钟上升沿,则依次变为432……,得以满足六进制倒计数要求。
2.4译码显示电路
图2-1174LS
(1)48封装及引脚图
表2-374LS48功能表:
计数器输出的二进制信号,经过74ls48译码器译码(见表2-3)后,即可驱动七段数码管显示。
74ls48输出为高电平有效,所以七段数码管选用共阴极数码管。
设计中使用两组计数、译码芯片,以满足单独计时,单独显示的功能(见图2-13)。
图2-13两组计时电路原理图
2.5计时器判零电路
当左右两组计时器中其中一组达到000时,需检测出是哪一组到零,用以判定输赢;以及出发告警电路;同时使得左右两组计时器都停止计时。
图2-14判零电路原理图
设计中使用4个CD4072(4输入或门),构成左右其中一组计时器的判零电路(见图2-14),当计数器输出000000000000时候,或门输出低电平,而计数器为其他输出状态时或门输出均为高电平。
从而能检查计数器是否到零。
图2-15CD4072引脚图图2-16CD4072原理图
图2-1774LS00引脚排列图图2-18判零电路输出端原理图
通过在或门后接入74LS00(二输入与非门)(见图2-17),当左右两组计数器其中一个到零后,与非门输出高电平,从而触发告警电路并暂停两组计时器计时(见图2-18)。
2.6自关断告警电路
本模块利用一个74160芯片做计时器,1个74161芯片做翻转器,配合4066模拟开关,不但能实现判零后的告警,同时也实现自动关闭告警的功能(见图2-19)。
图2-19自关断告警电路原理图
CD4066是四双向模拟开关(见图2-20),主要用作模拟或数字信号的多路传输。
CD4066的每个封装内部有4个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中输入端和输出端可互换。
当控制端加高电平时,开关导通;当控制端加低电平时开关截止。
模拟开关导通时,导通电阻为几十欧姆;模拟开关截止时,呈现很高的阻抗,可以看成为开路。
图2-20CD4066引脚排列图
当左右两组都计时器都不为000时,判零电路的与非门输出的低电平信号到达CD4066模拟开关,使得模拟开关关断,U30(74161)芯片的时钟输入端保持低电平,其Q0输出保持为高电平,经反相器后接入160芯片MR清零端的信号为低电平,160芯片不计数。
当左右两组都计时器有一组为000时,判零电路的与非门输出的高电平信号到达CD4066模拟开关,使得模拟开关开通,U32反相器的输入端变为低电平(与地相接),因而使得U30(74161)芯片的时钟输入端变为高电平,其Q0输出立即跳变为低电平,经反相器后输出高电平,触发告警器件工作(本原理图用led代替蜂鸣器),同时U31(74160)计数器MR清零端的信号变为高电平,该计数器立即开始计数。
当U31(74160)芯片计数到9时候,产生短促的高电平的进位信号,到达上图模拟开关的左端后(此时模拟开关仍为开通状态),使得U32反相器的输入电平变为高电平,因而U30计数器时钟输入端变回低电平。
因为进位信号是短促的,所以在进位信号结束后,U30计数器时钟输入端变回高电平,使得Q0输出端由低电平跳变为高电平,经反相器后输出低电平,告警器件停止工作,同时U31(74160)计数器MR清零端的信号变为低电平,该计数器停止计数。
告警电路回归初始状态。
该告警电路告警时长跟输入时钟频率n有关,告警时长t=10/n,该设计中默认的n为4Hz,所以告警时长默认为2.5秒。
2.7玩家控制电路
设计本电路用于双方玩家控制各自的计时器开始/暂停计时(见图2-21)。
图2-21玩家控制电路原理图
前述检零电路判决为非零后,上图控制电路的U27反相器获得的信号为低电平,经反相后,U21(CD4066)模拟开关为开通状态,来自时钟发生电路的脉冲信号得以通过。
当检零电路检测到000后,上图控制电路的U27反相器获得的信号为高电平,经反相后,U40(与门)输出锁定为0,输入的时钟脉冲信号被截止,左右两组计时器均停止计时。
玩家控制端共用一个RS触发器(用两个与非门搭建),取触发器的Q端、Q’端分别接入到U19、U41两个与门,作为控制两组计时器计时/暂停的控制器。
基本RS触发器的逻辑方程为:
图2-22RS触发器由两个与非门搭建而成
约束方程:
SR=0
根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系:
1.当R端有效(0),S端无效时
(1),则Q=1,Q非=0,触发器置1;
2.当R端无效
(1)、S端有效时(0),则Q=0,Q非=1,触发器置0。
当左家按下按钮后,RS触发器Q端输出为0,Q’输出为1,U41与门停止锁零,时钟信号得以通过,右组计时器得以开始计时;与此同时,U19因为有一个输入端为0,输出锁零,时钟信号被截至,左组计时器暂停计时。
当右家按下按钮后,RS触发器Q端输出为1,Q’输出为0,U41与门锁零,时钟信号被截至,右组计时器暂停计时;与此同时,U19因为其中一个输入端为1,时钟信号得以通过,左组计时器开始计时。
2.83或5分钟时间预置开关
图2-233或5分钟时间预置开关原理图
3的二进制数为0011,5的二进制数为0101,这两个二进制数的差别在于中间两位是01还是10,为简单起见,本电路(见图2-23)只加入一个自锁开关和一组反相器,通过通、断开关,使得两组计时器的分钟位的预置数端分别为0011和0101,从而实现3或5分钟预置数功能。
2.9开始/停止(置数)按钮
图2-24开始/停止(置数)按钮原理图
该电路使用74161计数器来等效T触发器(见图2-24),从而实现翻转功能。
按钮每按一下,输出状态均改变一次,实现了开始、停止并置数两个功能之间的切换。
2.10防抖开关
实际安装测试时,由于弹簧按钮有抖动(接通的瞬间产生多个短促高低电平),导致每按一下按钮,74161芯片并不能很好地完成“开始”/“停止(置数)”的翻转功能,为此在所有的弹簧按钮后加入RS触发器(见图2-25),利用RS触发器双稳态触发,从而消除按钮的抖动。
图2-25RS触发器构成图
在机械开关与被驱动电路间接的接入一个基本RS触发器,如图所示。
S为=0,R=l,可得出A=l,A‘=0。
当按压按键时,S=l,R=0,可得出A=0,A’=1,改变了输出信号A的状态。
若由于机械开关的接触抖动,则R的状态会在0和1之间变化多次,若R=l,由于A=0,因此G2门仍然是“有低出高”,不会影响输出的状态。
同理,当松开按键时,S端出现的接触抖动亦不会影响输出的状态。
因此,图2-26所示的电路,开关每按压一次,输出的输出信号仅发生一次变化。
图2-26防抖型开始/停止(置数)按钮原理图
3.系统测试
3.1仿真测试
主电路的仿真测试正常,所有的芯片都能正常工作,所有的开关、按钮都能实现控制功能,仿真结果如下图所示:
图3-1总仿真图
3.2实物测试
在焊接完所有的元件后,我对依次对各功能模块进行测试。
3.2.1电源测试
电源实物测试正常,通过示波器观察输出电压的纹波,其起伏只有mv级别,足以满足实际使用。
3.2.2时钟信号发生电路测试
通过实际测试,74161分频输出的秒时钟频率稳定在1.00Hz和4.00Hz,满足要求。
3.2.3计时与显示电路测试
在测试该电路时,我加入了1Hz的脉冲给计数器,但发现数码管恒为0。
于是我用示波器观察48译码器输入端,发现译码器输入端电平并无变化,因此推出192芯片不计数。
后来又仔细看了192芯片的功能图,发现要进行倒计数,除了要在4引脚加入时钟信号,还需将5引脚接入高电平。
而实物上我将5引脚悬空未接(仿真时悬空此引脚也可正常计数),为此我尝试将5引脚接入高电平,(见图3-2)经测试计数器能正常工作。
5号引脚接高电平
5号引脚未接高电平
图3-2改正前后的74LS192计数器接线图
3.2.4判零电路测试
经测试该电路在检测到计时器归零时,能立即输出高电平。
3.2.5自关断告警电路测试
经测试该电路与仿真结果相同,能自动关断告警。
3.2.6玩家控制端按钮与开始/停止(置数)翻转开关测试
在实际测试时,发现每按一次上述弹簧按钮,开始/停止(置数)翻转状态连续改变多次而不是一次,后经研究,得知是按钮在接电、断电瞬间有抖动,导致了输出状态翻转多次。
为此在按钮后加入了RS触发器,用以消除开关抖动,详细见上文2.10防抖开关。
在改进为防抖开关后,本人再次测试,发现按下按钮后,电路状态不再跳变,工作状态非常稳定,完全实现了按钮的功能。
3.2.73或5分钟预置时间开关测试
该开关能实现预置数。
3.2.8指示灯测试
在完成所有的基本功能后,我加入了6盏指示灯,分别用于显示分频电路出来的秒脉冲频率,指示左、右玩家的行进方,指示计时器是否处于计时状态,指示左、右玩家是谁因时间耗尽而输掉比赛。
经过实际调试,Led的工作正常。
4.使用说明书
接入市电后,若秒脉冲指示灯闪烁(见图4-1),说明电路正常工作。
按下置数按钮,即可预置3或5分钟的时间(开关断开时为3分钟,开关闭合时为5分钟)。
按下开始按钮,即可开始计时。
比赛双方每走完一次棋,按一下己方控制按钮即可。
当结束指示灯亮、蜂鸣器响时,比赛结束。
若要进行下一场比赛,只需再次按下开始/停止按钮。
图4-1实物图
5.结论
现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。
现在的世界,电子技术无处不在。
本题目以数字电子技术、模拟电子技术为基本,运用众多数字芯片进行设计。
通过本设计,充分体现了电子技术在生活中的广泛应用。
对于这次的课程设计,本人认识了很多元器件,例如192双向计数芯片、4066模拟开关、电容开关等等,同时也认识到平时学的电路在制作中的应用,如RS触发器制作防抖开关、制作稳压电源。
对于设计方案,本人也从中认识到了模块化处理的好处,以及如何规范检查。
对于设计中遇到的困难,本人学到了如何运用Proteus、Multisim电路仿真软件进行电路模拟,从而解决相应的困难。
对于实际制作与电路仿真之间的差异,本人也领略了这之间会有差别,实际制作应把仿真当作参考,把元器件的说明书放在第一位才是关键。
这次的课程设计不仅检验了我所学习的知识,同时也让我接触了一些将来会学到的知识。
在今后的学习中,我会将本次课程设计中学到的经验加以结合,争取更大的进步。
6.参考文献
[1]康华光.《电子技术基础-数字部分(第五版)》[M].北京:
高等教育出版社,2006.
[2]康华光.《电子技术基础-模拟部分(第五版)》[M].北京:
高等教育出版社,2006.
7.附录
7.1元器件清单
(1)220/6变压器:
1个
(2)功率二极管:
5个
(3)电容:
3300uFx1,10uFx1,10nFx1
(4)三端稳压管LM7805:
1个
(5)有源晶振36.728KHz:
1个
(6)计数器74LS161:
5个
(7)计数器74LS160:
2个
(8)自锁开关:
1个
(9)按钮(轻触开关):
3个
(10)模拟开关CD4066:
1个
(11)2输入与非门74HC00:
3个
(12)非门74HC04:
3个
(13)可逆计数器74LS192:
6个
(14)数码管译码器74LS48:
6个
(15)共阴极7段数码管:
6个
(16)4输入或门CD4072:
4个
(17)2输入与门74LS08:
1个
(18)LED:
7个(3红4绿)
(19)可变电阻1K:
1个
(20)有源蜂鸣器:
1个
(21)10K、1K、5K电阻若干
7.2测试所需仪器
(1)函数信号发生器:
1个
(2)示波器:
1个
(3)万用表:
1个
7.3总电路图
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
独创声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计(论文)使用授权声明
本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学校保存学位论文的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立目录检索与阅览服务系统,公布设计(论文)的部分或全部内容,允许他人依法合理使用。
(保密论文在解密后遵守此规定)
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
基本要求:
写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能,理论联系实际,独立分析,解决实际问题的能力,使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。
毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识,基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法,对所研究的题目有一定的心得体会,论文题目的范围不宜过宽,一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。
毕业论文的基本教学要求是:
1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识,培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。
2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风,严肃认真的科学态度。
3、培养学生进行社会调查研究;文献资料收集、阅读和整理、使用;提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。
毕业论文是毕业生总结性的独立作业,是学生运用在校学习的基本知识和基础理论,去分析、解决一两个实际问题的实
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