数电课程设计 篮球竞赛30秒计时器.docx

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数电课程设计篮球竞赛30秒计时器

数字电子技术课程设计

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摘要

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

前言………………………………………………………………4

第一章计数器概述………………………………………………5

1.1计时器的特点及应用……………………………………5

1.2设计任务及要求…………………………………………6

第二章电路设计原理及单元模块…………………………………7

2.1设计原理…………………………………………………7

2.2设计方案…………………………………………………8

2.3单元模块………………………………………………10

2.3.18421BCD码递减计数器模块……………………10

2.3.2时钟模块………………………………………13

2.3.3辅助时序控制模块……………………………14

2.3.4译码显示模块…………………………………17

第三章安装与调试………………………………………………20

3.1电路的安装……………………………………………20

3.2电路的调试……………………………………………20

第四章实验体会…………………………………………………21

结论………………………………………………………………23

参考文献……………………………………………………………24

附录………………………………………………………………25

前言

电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。

在许多领域中计时器均得到普遍应用，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，由此可见计时器在现代社会是何其重要的。

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，用于对球员持球时间30秒限制。

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。

整个电路的设计借助于EWB5.12仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在EWB5.12下设计和进行仿真，得到了预期的结果。

第一章计时器概述

1.1计时器的特点及应用

随着社会文明的进步和科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和技术领域占有不可或缺的核心地位。

在我国现代化建设的发展进程中，数字电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广泛。

而计时器恰恰是数字电子技术的一个重要组成部分，计时器是一个用来实现计数功能的时序部件，它不仅可以用来计脉冲个数，还常用来做数字系统的定时、分频，执行数字运算，以及其他特定的逻辑功能等等。

计时器的种类很多。

按构成计时器的各触发器是否使用同一个时钟脉冲源来分，可以分为同步计时器和异步计时器。

根据计时制的不同，可以分为二进制、十进制和任意进制计时器。

根据计时器的增减趋势，又可以分为加法、减法和可逆计时器。

还有可预置数和可编程序功能计时器等等。

目前，无论是TTL还是CMOS集成电路，多有品种较齐全的中规模集成计时器，使用者只要借助于期间手册提供的功能表和工作波形图及管脚图排列，就能正确地使用这些器件。

1.2设计任务及要求

1.2.1基本要求：

（1）具有显示30秒计时功能；

（2）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；

（3）在直接清零时，要求数码管显示器灭灯；

（4）计时器为30秒递减计时，其计时间隔为1秒；

（5）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。

1.2.2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）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。

1.2.3主要参考器件：

NE55574LS161

（1）74LS192

（2）

第二章电路设计原理与单元模块

2．1设计原理

30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（简称控制电路）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30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、定时时间到报警等功能。

图2-130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74LS48和共阴极七段LED显示器组成。

报警电路在实验中可用发光二极管代替。

2．2设计方案

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；当暂停／连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停／连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。

系统设计框图如图2-1所示。

篮球竞赛30秒计时器实验电路如图2-2所示。

如果根据实验所提供的参考器件，还可在秒脉冲发生模块上做些变化，前者产生的脉冲周期直接是1秒；如果让其产生的秒脉冲频率为10Hz，触发脉冲输出的方波周期为0.1秒，再将该脉

图2-2篮球竞赛30秒计时器

冲信号送到由74LS161构成的十分频器，由74LS161输出的脉冲周期为1秒，再将该信号送到计数器74LS192的CP减计数脉冲端。

如此就可得到两个方案，由于两方案原理相同，故本设计只采用方案一所述，即直接由555多谐振荡器产生脉冲周期为1秒的脉冲。

其电路如图2-2所示。

2．3单元模块

2.3.18421BCD码递减计数器模块

计数器选用汇总规模集成电路74LS192进行设计较为简便，74LS192是十进制可编程同步加锁计数器，它采用8421码二-十进制编码，并具有直接清零、置数、加锁计数功能。

图2-3是74LS192外引脚及时序波形图。

图中

、

分别是加计数、减计数的时钟脉冲输入端（上升沿有效）。

是异步并行置数控制端（低电平有效），

、

分别是进位、借位输出端（低电平有效），CR是异步清零端，D3-D0是并行数据输入殿，Q3-Q0是输出端。

74192的功能表见下表2-1所示。

其工作原理是：

当

=1，CR=0时，若时钟脉冲加到

端，且

=1

图2-374LS192外引脚及时序波形图

表2-174LS192功能表

则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，

端发出进位下跳变脉冲；若时钟脉冲加到

端，且

=1，则计数器在预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到0时，

端发出借位下跳变脉冲。

由74LS192构成的三十进制递减计数器如下图2-4所示

图2-48421BCD三十递减计数器

其预置数为N=（00110000）=（30）10。

它的计数原理是:

只有当低位

端发出借位脉冲时,高位计数器才作减计数。

当高、低位计数器处于全零,且

为0时,置数端

=0,计数器完成并行置数,在

端的输入时钟脉冲作用下,计数器再次进入下一循环减计数。

2.3.2时钟模块

为了给计数器74LS192提供一个时序脉冲信号,使其进行减计数,本设计采用555构成的多谐振荡电路（即脉冲产生电路）,其基本电路如图2-6示.

其中555管脚图如下图2-5示.由555工作特性和其输出周期计算公式可知,其产生的脉冲周期为:

T=0.7（R1+2R2）C。

因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取15k欧姆,R2取68k欧姆,电容取C为10uF、C1为0.1uF,.这样我们得到了比较稳定的脉冲,且其输出周期为1秒.

图2-5555管脚图

图2-6555多谐振荡电路图

2.3.3辅助时序控制模块

为了保证系统的设计要求,在设计控制电路时,应正确处理各个信号之间的时序关系。

从系统的设计要求可知,控制电路要完成以下四项功能:

①操作“直接清零”开关时,要求计数器灭灯。

②闭合“启动”开关时,计数器应完成置数功能,显示器显示30秒字样;断开“启动”开关时,计数器开始进行递减计数。

③当“暂停/连续”开关处于“暂停”位置时,

控制电路封锁时钟脉冲信号CP,计数器暂停计数,显示器上保持原来的数不变，“暂停/连续”开关处于“连续”位置时,计数器继续累计计数。

④当计数器递减计数到零（即定时时间到）时,控制电路应发出报警信号,使计数器保持零状态不变,同时报警电路工作。

如图2-7所示.

图2-7光电报警电路

当计数到零时,两计数器借位端输出多为低（0）,故本设计将高位片借位

反馈到二极管负极性端,此时+5V电源经1k电阻使发光二极管发出光电报警信号,完成报警功能,而在递减计数时,

端输出为高

（1）,二极管不报警.

图2-8是辅助时序控制电路图。

图2-8辅助时序控制电路图（时钟信号控制电路）

接74LS192的预置数控制端,当开关

合上时,

=0,74LS192进行置数;当

断开时,

=1,74LS192处于计数工作状态,从而实现功能②的要求，当然本设计只要将启动信号直接加到置数端，见图2-2。

图2-8是时钟脉冲信号CP的控制电路,控制CP的放行与禁止。

当定时时间未到时,74LS192的借位输出信号路,

=1,则CP信号受“暂停/连续”开关

的控制,当

处于“暂停”位置时,门

输出0,门

关闭,封锁CP信号,计数器暂停计数;当

处于“连续”位置时,门

输出1,门

打开,放行CP信号,计数器在CP作用下,继续累计计数。

当定时时间到时

=0,门G2关闭,封锁CP信号,计数器保持零状态不变。

从而实现了功能③、④的要求。

注意,

是脉冲信号,只有在

保持为低电平时,

输出的低电平才能保持不变。

至于功能①的要求,可通过控制74LS192的异步清零端CR实现（图中未画出）。

2．3．4译码显示模块

此模块主要是由74LS48译码器和共阴极七段LED显示器组成，通过计数器加到译码器，从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数显示功能。

✓1.74LS48是七段显示译码器，其管脚图如下图2-9所示。

现将各管脚功能介绍一下：

1A、B、C、D是BCD码的输入端；

1a,b,c,d,e,f,g是输出端；

1试灯输入端

：

低电平有效。

当

＝0时，

数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。

本输入端用于测试数码管的好坏；

1动态灭零输入端

：

低电平有效。

当

＝1、

＝0、且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。

本输入端用于消隐无效的0。

如数据0034.50可显示为34.5；

1灭灯输入/动态灭零输出端

：

这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。

当

作为输入使用，且

＝0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。

当RBOBI/作为输出使用时，受控于

和

：

当

＝1且

＝0时，

＝0；其它情况下

＝1。

本端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

图2-974LS48管脚图

✓2.共阴极七段LED显示器是较常用的显示数码管，但在使用时要注意的是：

1.看清楚自己用的数码管是共阴极还是共阳极的，最好在焊之前用万电用表测一下它的极性，其管脚图如下图2-10所示，如果为共阴极的，其管脚COM端接地；如果为共阳极的，起管脚COM段要接高电平。

2.还要注意在数码管电路上加上一保护电阻，起限电流的作用。

图2-10共阴极七段LED显示器管脚图

第三章安装与测试

3.1电路的安装

电路安装要注意几个原则：

1.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊的等；

2.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；

3.最好分模块安装等等。

此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久。

3.2电路的调试

调试时应小心谨慎，电路安装完毕后，首先应检查电路各部分的接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路，器件有无接错。

再接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。

如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。

第四章实验体会

本次课设是本人到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习。

身为电子系的学生，设计是我们将来必需的技能。

而这次课设恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。

从通过理论设计，到仿真软件仿真，再到确定具体方案，再到安装实际电路，最后到调试电路、成型。

整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。

可以说，本次课设是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。

总的来说，这次课设虽然累，但非常充实。

在这次实习中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。

因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。

如果说前面电路的理论设计是一件多么令人头痛的事，那么安装、焊接过程则是一个考验人耐心的过程，对电路的安装、焊接、分析、调试要一步一步来，不能急躁。

因为是在仿真软件上较理论上还是存在一定的差距，仿真能出来结果的在实际电路不一定就能出来，这就需要我们有耐心，寻找一个比较正确的调试方法。

要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前提。

这样才能对试验中出现的问题进行一定的分析和解决。

当然能完成本次设计，更离不开老师辛勤地指导，老师能在百忙中来指导本人，使本人能更好地完成设计。

总之，感谢老师的指导

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：

时钟模块为减计数提供一个频率为1Hz的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为1秒钟；

计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；

报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；

控制模块主要是为了实现计时器的启动、直接清零和暂停/连续功能，其中在直接清零时，由外控制开关控制译码器消隐端，从而可以实现显示译码器灭灯；通过暂停/连续开关从而实现断点计时功能。

至此，本设计能完成所有任务及要求。

参考文献

[1].王毓银.数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路　第三版）.高等教育出版社.1999

[2].高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002

[3].孙人杰.电路数据手册TTL电路.电子工业出版社。

1989

[4].《中国集成电路大全》编写委员会.中国集成电路大全TTL集成电路.北京国防工业出版社.1985

附录

♥元件名称

♠规格及用途

♣数量

74LS192

十进制计数器

2

74LS00

四路2输入与非门

1

发光二极管

普通

1

74LS48

译码器

2

74LS04

四路非门

1

74LS08

四路2输入与门

1

555定时器

产生1Hz脉冲

1

七段数码显示器

共阴极

2

拨动开关

普通

2

电容

0.1uF　　10uF

各1个

按扭开关（B键）

普通

　1个

电阻

　10k

4个

电阻

510Ω

16个

电阻

1k15k68k

各1个

芯片插槽

40816管脚

16管脚8个，其他各一个

导线

连接元器件

若干

元器件清单