《电子信息工程实训》课程说明及讲义.docx
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《电子信息工程实训》课程说明及讲义
《电子信息工程实训》课程说明
《电子信息工程实训》课程以培养学生应用能力为宗旨，突出基础知识的掌握和实践技能的训练；注重实验室与工程开发的统一，通过一系列实训和产品设计，在实践中综合运用模拟电路、数字电路及单片机等相关知识，最终达到使学生具备电子电路系统开发的基本能力，为后续的复杂电路应用系统开发打下坚实的基础。
本课程在上课时以培养学生应用能力为宗旨，突出基础知识的掌握和实践技能的训练；注重实验室与工程开发的统一，通过一系列实训和产品设计，在实践中使学生掌握常用电工工具的正确使用；掌握电子元器件的安装、焊接等基本技能；了解常用的电子元器件的性能特点、命名方法及识别方法；初步掌握常用电子仪器设备的基本使用方法；学会分析与处理简单的电路故障。
由于本课程不需要教授新的理论知识，因此无需使用教材，仅使用教师自编讲义，便可完成该课程的教学任务。
项目1：
基于MSI的篮球24秒计时器设计
1、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、还可以用来做时间提醒设备等等，由此可见计时器在现代社会是何其重要的。
篮球作为一项全民健身项目，已有一定的历史。
在中国，篮球很盛行，篮球比赛也日趋职业化。
篮球比赛中有一项违例时间要用倒计时器，目前多数采用的是24秒制，但随着篮球制度的改革将会采用30秒制。
有需要就会有市场，因此设计一款30秒计时器是非常有必要也非常有前景的。
该款计时器是在原来的基础上把24秒制改为30秒制。
该计时器要有递减计时及报警功能。
因此符合比赛中违例判罚的需要。
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，数码管显示器全部显示为“0”；计时器为30秒递减计时其计时间隔为0.1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Multisim10.0.1仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在Multisim10.0.1下设计和进行仿真，得到了预期的结果。
2方案的选定
2.1设计任务及要求
基本要求：
①设计一个计时器，要求具有显示24秒计时功能。
②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，要求数码显示器灭灯。
④计时器为24秒递减计时，计时间隔为1秒。
提高要求：
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。
2.2计时器的特点及其应用
此篮球计时器操作方便，具有直接清零、启动和暂停/连续功能以及报警功能，大量的运用在篮球比赛里。
2.3设计方案的比较与选定
本设计的核心部分是要设计一个24s倒计数器，并且对计数结果进行实时显示，同时要实现设计任务中提到的各种控制要求，因此该系统包括秒脉冲发生电路，计数器电路，译码显示电路，控制电路和电路报警电路5部分。
其中，计数器电路和控制电路时系统的主要部分。
计数器电路完成24s倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动记数、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，数码显示器显示零。
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24S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，出于保持状态；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
（1）、
（2）。
（1）方案1：
图1整体方框图一
（2）方案2：
方案一的控制电路对每一单元模块实行独立的控制，相对与方案2电路更具有稳定性，所以我们选择方案1。
3电路设计原理与实验电路
3.1试验理论分析
（1）8421BCD码24进制数递减计数器是由74LS192构成的。
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端得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N=（00100100）=（24）10。
.
（2）辅助时序控制电路，由与非门电路控制时钟信号CP的放行与禁止。
（3）本设计要求计时的时间间隔为1s，输出频率为1HZ，所以脉冲频率要为10HZ。
采用由555集成块组成的标准脉冲发生电路。
3.2电路设计
此计数器由秒脉冲发生电路，计数器电路，译码显示电路，控制电路和电路报警电路5部分组成。
3.2.1标准脉冲发生电路的设计
秒脉冲发生电路产生的信号是电路的时序脉冲和定时标准，本电路采用555集成电路构成。
图3标准秒脉冲发生电路
标准脉冲电路如上图所示[1]，它由555定时器组成的多谐振荡器，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R1和R2向电容C2充电，其上电压按指数规律上升，当UC上升至2/3VCC，使3脚输出为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C2通过R2和T放电，2脚处电压下降，当2脚处电压下降到VCC/3时，3脚处电压翻转为高电平，电容C2放电所需的时间为
（1）
当放电结束时，T截止，VCC将通过R1，R2向电容C2充电，2处电压由VCC上升到2/3VCC所需时间为
（2）
当UC上升到2/3VCC时，电路又翻转为低电平。
如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到了一个周期性的矩形波。
定时元件
为15kΩ、
为68kΩ、C为10μF，产生1Hz的标准脉冲信号，振荡器振荡频率计算公式
（3）
3.2.2计数器电路的设计
图4计数器及译码显示电路
计数器采用74LS192同步可逆双时钟计数器[5]，其管脚引线排列图如图4所示。
74LS192的UP/DOWN端分别是加/减计数器的时钟输入端。
在置数控制端LOAD=1.清零端CLR=0的情况下，若DOWN=1，计数脉冲加入到UP端，则计数器在预置数的基础上完成加计数，CO端发出进位负脉冲，若UP=1，计数脉冲加入到DOWN端，则计数器在预置数的基础上完成减计数，当减计数到0时，BO借位输出端发出借位负跳变脉冲。
LOAD为异步并行置数端，当LOAD=0时，计数器置数，LOAD=1时，计数器处于计数状态.计数器及译码显示电路如图4所示。
用两片74LS192设计成二十四进制减法计数器，由74LS48译码，7端码显示器显示计时时间。
计数器个位接成四进制，置数端A.C.D均接低电平“0”,计数器十位接成二进制，A.B两置数端接高电平“1”，C.D端接低电平“0”。
计数脉冲信号接入个位计数器的DOWN减脉冲输入端（UP端接高电平）。
根据设计要求，计数器计数到零时停止计数，为此，将十位计数器的BO借位端与脉冲信号源通过与门连接，使计数到零时，BO=0，封锁CP信号，计数器保持零状态不变，控制电路发出报警声信号，使报警电路工作，信号灯亮。
3.2.3单元译码显示电路的设计
图5单元译码显示电路
用74LS48和共阴极LED显示器组成，如图7所示，74LS48输入信号为BCD码，输出端为a、b、c、d、e、f、g共七线，另有3条控制线。
LT端为测试端。
在LT端接高电平的条件下，无论输入端A、B、C、D为何值，a~g输出全部为高电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。
RBI为灭零输入端。
在BI/RBO=1的条件下，当输入A、B、C、D不全为零时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。
BI/RBO端为消隐输入端。
该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入端为何值，输出端a~g均为低电平，这可使共阴显示器熄灭。
另外，该端还有第二个功能─灭零信号输出端，当该位输入的A、B、C、D=0000时，此时输出低电平；若该位输入的A、B、C、D不等于零，则输出高电平。
若将RBI与BI/RBO配合使用，很容易实现多位数码显示时的灭零控制。
74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需要外界限流电阻。
此处要是保持数码管不黑屏就将BI/RB0，RBI置1就可以了，LT是检查数码管的好坏的，如果不需要的话直接接高电平。
其他端口按照abcdefg的对应关系连接好以保证显示正确，确保接地成功。
此处将BI/RB0、RBO、LT全部接高电压，是为了让数码管正常工作，这三端只在焊接电路板时对数码管进行好坏的检测时使用。
3.2.4控制电路的设计
图6控制电路
篮球竞赛24秒计时器功能控制由外部开关控制实现，如图8所示S1控制计数器的暂停/计数控制。
S1为“1”时（左合），秒脉冲发生器发出的脉冲信号被封锁，计数器暂停计数，当S1为“0”时（右合），控制门电路打开，秒脉冲信号送到计数器的减脉冲输入端，开关S3控制LOAD的异步并行置数控制端，当S3闭合时，LOAD=0，计数器预置数，S3断开时，LOAD=1，计数器处于计数工作状态。
计数器清零由S2开关控制，CLR=1时计数器清零，CLR=0时，计数器正常计数。
3.2.5报警电路的设计
图7放光报警电路
如图7所示，报警电路采用DIODELED型号发光二极管，发光二极管具有单向导电性。
只有当外加的正向电压使得正向电路足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，正向电流越大，发光越强。
当24秒计时结束到00时，发光二极管发光提醒计时人员。
4电源电路
图8直流稳压电源结构图
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，尤其此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
图9电源电路
直流稳压交流电经过整流和滤波可以变成直流电，但是它的电压是不稳定的，供电电压的变化或用电电流的变化，都能引起电源电压的波动。
要获得稳定不变的直流电源，还必须再增加由7805稳压块组成的直流稳压电路，图中电流稳压交流电经过桥堆的整流后，会产生纹波，很不稳定，在其后面接C12，进行滤波，由于电解电容具有电感性，无法完全消除纹波，这个时候就需要再后面再并联一个小电容C13，C12是输入端的滤波电容，C14是输出端的滤波电容，电路中7805是三端集成稳压器，输出正5V直流电压，输入电压至少大于7V，使输入/输出之间有2-3V及以上的压差。
5电路的仿真
图10仿真图
将各部分电路模块连接成完整的篮球竞赛24秒计数电路，如图5所示。
篮球竞赛24秒计时器开始计数之前，首先将控制开关S3左合，使计数器清零端CLR=1，计数器清零。
此时，显示器显示“00“。
然后将S3右合，使CLR=0，不影响计数器的工作状态。
将计数/暂停控制开关S1右合，使计数器处于计数状态。
此时，控制开关S1引入低电平，打开控制门电路，秒脉冲信号将通过与非门和反相器输入到个位计数器的减计数输入端DOWN端。
再将置数端控制门开关S3闭合，使LOAD=0，对74192进行预置数。
由于计数器已经设置成二十四进制，为此，显示器将显示24。
断开开关S3（LOAD=1），计数器从二十四开始减计数，计数时间到，十位计数器的借位端BO=0，此信号将关闭控制门电路，秒脉冲信号被封锁，计数器不能获得计数脉冲而暂停计数，并保持零状态不变，显示器显示“00”，一次计时完成。
同时，控制电路发出报警信号，报警电路工作，信号灯亮。
6重要元器件引脚图及逻辑图
6.174LS192资料
图中：
PL为置数端，CPU为加计数端，CPD为减计数端，TCU为非同步进位输出端，TCD为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端[3]。
图1174LS192的引脚排列及逻辑符号
表一74LS192真值表
输入
输出
MR
PL
CPU
CPD
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
D
C
B
A
D
C
B
A
0
1
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
×
×
×
×
减计数
74LS48资料
图1274LS48逻辑图
输出端（a~g）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。
当要求输出0─15时，消隐输入（BI）应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路，当（BI）为低电平时，不管其他输入端状态如何，a~g均为低电平，让RBI和地址端（A0−A3）均为低电平，并且灯测试端（LT）为高电平时，a~g为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平，当BI为高电平或开路时，LT为低电平可使a~g均为高电平[4]。
表2引出端符号
A0−A3
译码地址输入端
BI/RBO
消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）
LT
灯测试输入端（低电平有效）
RBI
脉冲消隐输入端（低电平有效）
a~g
输出
附录1原件清单
表格二元件清单
元件类型
数目
7段共阴数码管
2
74LS192集成块
2
74LS00集成块
1
74LS10集成块
1
NE555
1
74LS48集成块
2
单刀开关
1
单刀双置开关
2
电容10μF
2
电容48μF
1
电容100μF
2
电容0.01μF
3
电容0.1μF
2
电阻510Ω欧
1
电阻15kΩ
1
电阻68KΩ
1
电阻1KΩ
4
导线
若干
PCB板
1
桥堆
1
7805集成块
1
附录2原理图
图13完整电路图
项目2：
基于单片机的篮球计分器设计
第一章绪论
1.1系统功能
随着科技的迅猛发展,单片机在计算机应用领域中起到了越来越重要的作用.单片机体积小,功能强,集成了微型机的各部件,大大缩短了系统内信号传送的距离,从而提高了系统的可靠性及运行速度。
该系统主要是线以下两种功能：
1 计分：
能同时显示甲、乙两队比分,最大计分数为99。
能分别对甲、乙两队比分进行加分。
2 计时：
从比赛开始时启动计时工作方式,初始时间为00,最大计时为99分钟，经过修改后应该还能实施计时暂停,还能设定为倒计时。
3 交换比分：
中场交换比赛场地时，能交换甲、乙两队比分的位置。
4 哨音提示：
设定的比赛时间到了,能自动哨音提示比赛结束.
1.2课题运用的知识点
本课题主要运用单片机设计知识设计篮球赛记时计分器，因此涉及到的知识点主要有以下几点：
（1）AT89C51单片机的运用
（2）LED数码管的运用
（3）人机接口
第二章系统原理的设计
2.1课题的技术和量化要求
2.能记录整个赛程的比赛时间，并能修改比赛时间、暂停比赛时间。
3.能随时刷新甲、乙两队在整个赛程中的比分。
4.中场交换比赛场地时，能交换甲、乙两队比分的位置。
5.比赛时间结束时，能发出报警指令；
2.2系统的组成框图
为了实现原理图的设计目标，同时结合自己获取的各种资料以及要达到的具体功能，所确定的组成框图见图3.1.1。
一、组成框图的组成说明
图2.1.1：
系统原理框图
二、组成框图的组成及其功能说明
1、LED能够显示比赛成绩和比赛时间，并且能够显示调整后的比赛成绩和时间
2、控制按钮由两队的加分按钮组成、以中场中止按钮组成。
3、暂停比赛时间
第三章硬件部分的设计
3.1单片机接口电路
图3.1.1
单片机接口电路见图3.1.1，其电路分析如下：
1）复位电路
复位是指单片机的CPU或系统中其它的部件处于某一确定的初试状态，并从这一状态开始工作。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或是操作错误使系统处于锁死状态，为摆脱困境，需要进行按键复位。
通常单片机的复位操作有上电复位、信号复位、运行监视复位，运行监视复位有程序运行监视和电源监视。
上电复位上电复位是指单片机上电是的复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。
信号复位信号复位是指单片机在正常供电的情况下，在复位引脚端加以复位信号。
根据不同情况有按键操作复位、唤醒复位、控制复位等。
系统运行监视复位系统运行监视复位是指系统出现非正常情况下时的复位操作，通常有电源监视复位和程序监视复位。
电源监视复位是指在电源下降到一定电平状态或未达到额定电平要求时的系统复位；程序运行监视复位是指程序运行时常时的系统复位。
在本设计中，则是采用上电复位，复位电路见图2，原理是当电源接通后，上电瞬间RESET引脚获取高电平，该高电平需要电容充电来维持，当高电平维持在两个机械周期以上则单片机能被复位。
一般为了能够可靠复位，复位时间一般在10ms以上，对于振荡频率为12MHZ的复位电路，典型RC系数为：
C3=10uF，R29=8.2千欧。
2）晶体振荡电路
晶体振荡电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号，从而保证各部分工作的同步。
单片机内部有一个高增益反相反大器，只要在输入端XTAL1与输出XTAL2之间挂一个晶体振荡器和微调电容就可以构成一个稳定的自激震荡器并在单片机内部产生的时钟脉冲信号。
振荡电路见图3，电容器C1与C2用于稳定频率和快速起振，电容一般在5PF—30PF，本设计电容为30PF。
3）键盘接口电路
与通用单片机相比，单片机应用系统中的键盘种类很多，键盘中按键数量设置依系统操作要求而定。
单片机应用系统中的键盘有独立式和行列式两种。
（1）独立式键盘
独立式键盘中，每个按键占用一个I/O口线，每个按键相对独立。
I/O口通过按键与地相连，无按键按下时，引脚端为高电平，有按键按下时，引脚为低电平，I/O口内部有上拉电阻外部不可接上拉电阻。
（2）行列式键盘
用I/O口线组成行列结构，按键设置在交叉点上，在按键数目较多时运用这种连接方式，可节省I/O口连线。
行列式键盘的标识最常用的两种方法：
行扫描法和线反转法。
本次设计中由于按键较少，采用三按键独立式键盘即可满足需要
见图（3.1.2）。
图3.1.2
3.2数码显示电路
LED显示器通常所说的LED显示器由七个发光二极管组成，因此也称作七段LED显示器，通过七段发光二极管的不同组合，可以显示多种数字、字母或其它符号。
图3.1.3
1）LED的接法
共阴极接法是指把发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地，阳极输入高电平段的二极管则会导通发光，而输入低电平的则不会亮。
2）显示方式
动态显示是指依次轮流点亮显示器的各个位，每隔一段时间则点亮一次，设置足够短的时间，利用人的视觉暂停效应和发光二极管的熄灭时的余辉，达到多个字符同时显示的效果。
运行这种显示方式可以降低成本与功耗，但需要较大的驱动电流。
本设计中采用的共阴极连接方式，由于没有有足够的I/O口可以使用采用动态示方式，显示电路见图3.1.3。
此外P0需外加上拉电阻（图3.1.4）。
图3.1.4
第四章软件部分设计
4.1按键模块
4.1.1键盘处理的流程图
图4.1.1
4.1.2源代码
voidkey_sc（）//键盘扫描模块
{
ucharkey_bt,i;
while
（1）
{
P1=0xff;
delay_t（80）;
key_bt=P1;
switch（key_bt）
{
case0xfe:
//初始化,显示0;
for（i=0;i<9;i++）
{
//display_buf[i]=0;
display_rt（display_buf）;
}
break;
case0xfd:
//A队
modify_sc（）;
break;
case0xfb:
//B队
modify_sc（）;
break;
case0xf7:
//时间
modify_st（）;
break;
}
}
}
4.2显示模块
4.2.1简介
显示部分通过P0口外加上拉电阻进行显示，数码管采用7段共阴极数码管，通过查表指令进行显示，首先将要显示的缓存单元，送入累加器中，通过累加器进行查表，将要显示的数值存储起来，然后通过位选信号，将要显示的位的数码管打开，进行现实。
并通过延时子程序进行延时，使其显示的数值稳定下来。
然后再通过位选信号，将显示的数值关断，从而显示下一个数值。
但当显示完一圈后程序跳出，等待数据的传输，再次进行显示。
考虑到显示的数据比较多有10个数据，而且需要相当多的位选线。
所以把整个显示缓看做一个整体。
低6位传输的是比赛数据，高4位传输得是比赛时间。
4.2.2.显示的流程图
4.2.3.源代码
voiddisplay_rt（uchardis_code[]）//显示任务
{
charbit_disp2,bit_disp3,i;
bit_disp3=0x20;
bit_disp2=0x08;
for（i=0;i<=9;i++）
{
P2=0xff;
P3=0xff;
P0=show_t[dis_code[i]];
if（i<6）
{
bit_disp2=0x08;
P3=~bit_disp3;
P2=0xff;
bit_disp3=bit_disp3>>1;
}
else
{
bit_disp3=0x20;
P2=~bit_disp2;
P3=0xff;
bit_disp2=bit_disp2>>1;
}
delay_t
（1）;
}
}
4.3成绩调整模块
4.3.1简介
成绩调整模块用用于记录两队比赛成绩，显示Led中前3位用于记录A队比赛成绩，后三位用于记录B队的比赛成绩。
成绩的记录范围从000~999其中。
4.3.2成绩调整流程图
4.3.3源代码
voidmodify_sc（）//调整比赛结果
{
while
（1）
{
display_rt（d
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