篮球竞赛30S计时器课设报告

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1、屯04元空士罟课程设计说明书课程设计名称：数字电路课程设计课程设计题目篮球竞赛30S计时器学 院 名 称：信息工程学院专业： 通信工程班级：学号：姓名：评分： 教师：20 年 月右E4无空女罟数字电路 课程设计任务书20 1320 14学年第 1学期 第 2 周 3周题目篮球竞赛30S计时器内容及要求基本要求1）具有显示30S计时功能2）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3）在直接清零时，要求数码显示器灭灯4）计时器为30S递减计时，计时间隔为1S5）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主要参考元器：N综合555（1），741s161（1）,

2、 74LS192（2）进度安排1. 仿真、画PCB线路板图、领元器件：2天；2. 制作、焊接：2天3. 调试：3天4. 验收：1天5. 提交报告：2013-2014学年第一学期3周学生姓名：指导时间：第23周指导地点：E楼607室任务下达2013年9月7日任务完成2013 年 9 月 22 日考核方式1.评阅丿2.答辩 V3.实际操作口 V4.其它口指导教师系（部）主任注：一、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师讲课时自带一份备查。二、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘要篮球 30s 计时器是对实际篮球比赛中 24s 计时器的拓展，本课程设计的 3

3、0s 计时 器主要由脉冲发生电路、时序控制电路、计数器、译码器、数码显示器及报警电路构 成。采用 30s 倒计时的计时方式，功能完备，具有可直接置数、清零、暂停/继续和 报警的特点。可应用于篮球比赛中对进攻时间的计时控制及其他各类需要倒计时的场 合进行跟踪计时。关键词：时序；计数；译码目录前言 0第一章 电路组成与工作原理11.1篮球竞赛30s计时器的系统组成11.2篮球竞赛30s计时器的工作原理1第二章 单元电路设计与计算22.1 秒脉冲发生电路22.3 译码电路 32.4 控制电路 42.4.1 置数控制电路42.4.2 清零控制电路52.4.3 暂停/继续控制电路52.5 报警电路 5第

4、三章 电路调试与改良73.1 秒脉冲发生电路的调试73.2 译码显示电路的调试73.3 控制电路的改良8第四章 总结 9参考文献 1 0附录一 元件清单 1 1附录二 总电路图 12附录三 电路实物图 13a6 R齊6、 . 、前言信息社会的发展离不开电子产品的进步，计时器就是工业发展道路上进步的产 物。计时器可以实现对某个功能电路作历时间的控制，在时间达到的时候产生报警信 号。可置数，还可暂停和启动，工作时可以清零从头计时，功能多样，是计时控制的 重要工具。计时器在实际工作顶用到的场合很多，它成为今天工业控制领域、通信设备、信 息处置中利用最普遍的电路之一。在很多领域都需要几个乃至上百个按时

5、电路去控制 多项操作，如数控电梯、数控机床、各类智能医疗器械等方面，实现了工业生产的自 动化，提高劳动生产率，最终增进经济的发展。在日常生活中也不乏计时器的身影， 如体育比赛中的按时报警器、游戏中的倒时器、交通信号灯中的时间控制器等无一不 是计时器的控制。在实际篮球比赛中规定一方持球的时间不得超过24s,计时器倒计时即可以达到 在这24s内对时间的控制，需要时可以暂停计时也可和时继续计时，当一方持球超过 24s 时,计时器产生报警信号,新一轮的计时又可以清零置数开始倒计时。而篮球竞 赛30s计时器就是对实际篮球比赛计时器的模拟拓展，将24s改成30s,因此实现的 功能与实际篮球比赛中的计时器功

6、能一致。第一章 电路组成与工作原理1.1 篮球竞赛 30s 计时器的系统组成篮球竞赛30s计时器是对实际篮球竞赛24s计时的拓展设计，置数后即可倒计时, 计时进程中可暂停/继续还可以清零，到倒计时为0时产生报警信号，完成一个功能 计时周期。为实现以上功能，整个电路可分为脉冲发生电路、时序控制电路、计数器 译码器、数码显示器及报警电路六个部份。图 1.1 原理框图1.2 篮球竞赛 30s 计时器的工作原理 计数器和控制电路是系统的主要部份，计数器通过秒脉冲发生器产生的秒信号实 现计时功能，而控制电路控制计数器的置数、暂停、启动和清零功能。当按下置数开 关时，计数器完成置数，数码管显示“30”字样

7、并开始倒计时；当倒计时为“00”时， 发光二极管亮发生报警信号。在计时的进程中，按下暂停/继续开关可切断计数器与 脉冲发生器的联系使计数器停止计数，从而实现计时的暂停，再次按下暂停/继续开 关即可继续计时。计时进程中如有需要可以按下清零开关即可清零，再置数后可以达 到从头计时的效果。第二章单元电路设计与计算2.1秒脉冲发生电路脉冲发生电路是计数器计数的前提，其主要作用是产生一个周期恒定的脉冲信 号，本次设计将采用NE555按时器组成一个较稳定的多谐振荡器。多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，通过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态，两个暂

8、稳态自行彼此转换而从引脚3输出一矩形波。图2.1 脉冲发生电路图图2.1所示是由555按时器组成的多谐振荡器,R 、R2和C2是外接元件。由于要产生周期为1s的脉冲信号，振荡器的周期计算公式为T=0.7*（R1+2*R2）*C2（1）C2设为参数为10UF的电解电容，将R1与R2的阻值设为15kQ和68kQ，则振荡器 输出脉冲信号的周期为1.0577s约为Is。2.2减计数电路该部份电路的主要功能是对之前产生的脉冲进行计数，利用两片74LS192进行设 计，其主要功能如下表。表2174LS192主要功能表CPUCPDPLMR操作XX00置数t110加计数1t10减计数XXX1清零注释： CP

9、为减计数时钟输入端（上升沿有效）UCP 为加计数时钟输入端（上升沿有效）DPL为异步并行置数控制端（低电平有效）MR为异步清除端由于74LS192为十进制计数器，置数端D3D2D1D0通过接高低电位可进行其他置 数，故可将两片74LS192组成可预置数的三十进制递减计数器，计数器的十位接成三进制，计数器的个位数接成十进制。由表21可以看出，当PL = 1,MR=O, CP =1时,D若是有时钟脉冲加到CP端,则计数器在预置数的基础上进行加法计数，当计数到9U时，进位输出端TCU端输出进位下降沿跳变脉冲；当PL=1，MR=0，CP =1时，若是U有时钟脉冲加到CP端，则计数器在预置数的基础上进行

10、减法计数，当计数到0时，D借位输出端TCD端输出借位下降沿跳变脉冲。由此设计出三十进制减法计数器,Q0-Q3 别离接到对应的译码器的输入端， CP 端接到秒脉冲发生器的脉冲输出端。图中预置 D数为N=（00110000）（30） （2）8421BCD10当低位计数器的借位输出端TCD输出借位脉冲时，高位计数器才开始进行减法计 数。当计数到高、低位计数器都为零时，高位计数器的借位输出端TCD输出借位脉冲, 当控制电路使置数端PL =0时，计数器置数，在CP端输入脉冲的作用下，进行下一D循环的减法计数。电路如图2.2所示。图2.2 减计数电路2.3译码电路由于译码显示选用的是共阴极数码管，故采用4

11、线一七段译码器74LS48。74LS48 芯片是一种有内部上拉电阻的常常利用的七段数码管译码器/驱动器，常被使用在各 类数字电路和单片机系统的显示系统中。当要求输出015时，消隐输入BI应为高电平或开路，特别的，当输出为0时 还要求脉冲消隐输入rbT为高电平或开路，在实际电路设计中为使电路稳定该端接高 电平而不悬空。当BI为低电平时，不论其它输入端状态如何，QAQG均为低电平。 按照这一特点，在设计电路中，译码显示时，使BI接高电平，而要达到清零后数码 管灭灯的要求即可在该端接一个反相器。拨动清零开关时高电平经反相器变成低电平 输入到BI端，则译码器输出全为低电平，所接的共阴极数码管则灭灯。具

12、体电路如图2.3所示，ABCD为译码地址输入端。图 2.3 译码显示电路2.4 控制电路控制电路决定整个设计中辅助功能的实现，包括置数控制，清零控制和暂停/继 续功能控制。为保证系统的设计要求，在控制电路设计中，正确处置各电路之间的时 序关系是设计的关键。2.4.1置数控制电路可预置数主要在于控制74LS192芯片的置数端PL，由表21可知，PL为低电 平有效输入端，故当在该端输入低电平时，计数重视新置数。用一个B键实现高低 电平的转换来进行控制，当计数器计数时，PL接高电位，而需要置数时，按下B键, 则PL端接低电平即可置数，B键弹开后，PL回到高电位，计数器又开始计数。图 2.4 置数控制

13、电路2.4.2 清零控制电路直接清零功能添加在计数器模块，由于 74LS192 的 MR 端具有清零的功能，由表21可看出当MR接高电平时，计数器清零。实际电路中，利用一个单刀双掷开关， 当计数器正常计数时，单刀双掷开关接地，即MR为低电平计数，而单刀双掷开关接 高电平时，即MR为高电平，则计数器清零，同时高电平经反相器变成低电平输入译 码器，使译码器输出全为低电平而使显示数码管灭灯。n_nSW2 -至74L-S192与反相器的笞入鍔， da* jfc -. 古IOk SW-SPD.T TEXT；=-.图 2.5 清零控制电路2.4.3 暂停/继续控制电路 要达到暂停/继续的功能可通过对计数器

14、输入的脉冲输送进行控制。选用三输入的与非门74LS10作为主控芯片，从555组成的多谐振荡电路的输出端接至74LS10 的输入端1脚，当计数器计数时，2和13脚接高电平，12脚输出则随1脚输入的脉 冲信号而转变，从而6脚的输出即为从1脚输入的脉冲信号，该信号输入到74LS192, 计数器计数。当单刀双掷开关接地，第一个与非门输出高电位，从而第二个与非门的 输出维持低电平，无脉冲信号，计数器不计数实现暂停功能，当开关置回高电平计数 器则会继续计数。图 2.6 暂停 / 继续控制电路2.5 报警电路报警信号一般利用蜂鸣器发声报警，由于该电路利用蜂鸣器实现报警会使电路变 得复杂而不直观，为简化电路，

15、采用发光二极管发出的光信号报警的方式设计电路。当低位计数器的借位输出端TCD输出借位脉冲，即74LS192计数器的个位递减为 “0”时，高位计数器才开始进行减法计数，当高位也减为“0”时，按照 74LS192 芯片的功能可知该芯片的借位输出端TCD为低电平有效，故高位计数器的TCD端输出低电平。如图2.7 所示，发光二极管的负极接低电平，此时发光二极管亮，即可实现 计数器倒计数到“00”时，发光二极管亮，发出光电报警信号。图2.7 报警电路第三章 电路调试与改良由于实际利用的芯片可能类型不同，各芯片之间的衔接存在一些问题，这对电路 的最终功能的实现有着重要的影响，所以对电路的调试十分重要。本课

16、题是设计一个计时器，故时基电路即脉冲信号发生电路在本设计中相当重 要，而其他各部份电路的辅助控制电路决定着系统最终各项功能的实现，这些都是调 试的重点。3.1 秒脉冲发生电路的调试通过555按时器、RC阻容件组成的多谐振荡器，C2为10UF的电解电容，R1为15k Q, R2为68kQ，振荡器输出脉冲信号的周期约为1秒。把555产生的信号接到示波器, 应用示波器的菜单功能查看该信号的周期，调节电位器使得输出的信号的频率为1Hz。 观察波形，发现过冲现象较为严重，干扰较多。检查电路无误，经查阅资料，发现555 按时器5脚悬空容易受到干扰。于是将555按时器5脚和GND之间接上一个100nF的电

17、容。再次观察波形，过冲现象消除，波形稳定。Digital OscillDscop-eAiMOOre-Shx【KarjiLtChannel -.iiaiiikcii 肚图3.1 秒脉冲信号波形图3.2 译码显示电路的调试电路焊接完毕检测后，发现数码管显示灯太亮，判定是因为流入数码管的电流过 大的原因。查阅资料得知，数码管的限流电阻可以在100Q10kQ之内，为避免电流 太大而烧坏数码管，也不致使数码管显示过于暗淡，最终决定在每一个译码器输出端 与数码管的输入端之间接入200Q的限流电阻。经检测，接入200Q的限流电阻后，数 码管的亮度有明显减弱，亮度适中。3.3 控制电路的改良在置数功能电路设计

18、中，原先选用的单刀双掷开关，置数时，单刀双掷开关接低 电平实现置数功能，要开始计数还得把开关拨回接高电平状态，这样利用不方便，改 良电路中利用了一个B键代替单刀双掷开关。当按下B键，74LS192的PT端接低电平 置数，松开手则回到高电平状态，计数器开始计数。电路改良后，置数后计数只需一 个动作即可完成，方便利用者从头置数。焊接好的电路暂停/继续功能存在较大问题，暂停计时的状态与继续计时的状态 不持续会产生跳变。当暂停/继续开关接地时，计数器暂停，但当开关从头接回高电 位时，计时器不从原先暂停的时间继续，如在“24”秒时暂停，计时器可能从“20” 秒继续计时。经分析，产生该问题的原因可能是因为

19、拨动开关时的抖动给电路带来影 响，使信号发生了多次翻转致使计时不持续。为了消除开关处的抖动，提出了两个方 案。方案一是在单刀双掷的中端与它的连接端接入一个斯密特触发器，经检测该方案 效果不明显。方案二是在单刀双掷开关的两极各并联了一个10nF的电容，经检测， 改良后的电路有了明显的改善，继续计时后不持续计时的情况的概率降低了。最终采 用了方案二对按键进行消抖。第四章 总结本设计主要通过模块化思想，慢慢设计所需达到的功能电路。按如实验结果，本 设计方案完成了设计的大体要求，总的来讲该方案是十分可行的，电路结构简单，层 次清楚，结果符合要求。同时在电路设计中还存在着许多不足的地方。由于产生的脉 冲

20、信号不易维持和产生的秒脉冲信号不够稳定和精准的原因还存在着计数时间不够 精准的缺点，经分析，该问题的解决方式可以通过用分频电路来代替555信号发生器 来产生稳定的秒脉冲计时信号，从而进一步改善电路计时的准确性。暂停/继续功能 的不持续问题，还可以直接用开关控制秒脉冲信号的通断。通过本次课程设计，加深了我对模电和数电理论知识的理解，对计数器和译码器 的工作原理取得了更深刻的熟悉。纵观整个设计进程，从ProteusISIS软件的学习， 到课题方案的设计，再到实验电路的仿真，最后到实际电路的调试，无处不表现出团 队精神的重要性。尤其在电路的焊接进程，组员之间的沟通、配合及分工的合理性起 着重要作用。

21、只有这样，才能将事情做到精益求精，做任何事当如此。另外,还要感 激指导老师的提点及同窗的帮忙，让实验得以顺利的完成。参考文献1 阎石数字电子技术基础北京：高等教育出版社，2006.52 赵珂，彭嵩.电子技术实践（三）南昌航空工业学院电子信息工程学院电子实验实 践中心，2007.33 潘益玲.基于Proteus的篮球竞赛30秒计时器的设计与仿真.河源职业技术学院 电子与信息工程系，2008.44 谢自美.电子线路设计.武汉：华中理工大学出版社，2003附录一 元件清单名称数量发光二极管1个共阴极数码管2个开关B键1个单刀双掷开关2个电容lOOnF1个10p F1个电阻1OkQ4个68kQ1个5.1kQ1个200Q16个芯片74LS1922片74LS482片74LS041片74LS101片NE5551片附录二 总电路图0NG uEi=iDDLDKIDUuPDKpL附录三 电路实物图附录四电路PCB图U1 7占