篮球24秒计时器的设计与制作Word格式文档下载.docx
《篮球24秒计时器的设计与制作Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《篮球24秒计时器的设计与制作Word格式文档下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
（1）设计任务及要求
（2）方案比较及认证
（3）系统框图，原理说明
（4）硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明
（5）调试记录及结果分析
（6）对成果的评价及改进方法
（7）总结（收获及体会）
（8）参考资料
（9）附录：
器件表，芯片资料
2方案选择与论证
2.1方案的选择
方案一（电路原理图）：
优点：
设计思路及电路连接简单，工作速度快，各部分反应灵敏。
缺点：
电路稳定性差，信号发生器易受外界干扰输出不稳定波形，有开关抖动，暂停后再计数会产生跃变
图2-1方案一电路原理图
方案二（电路原理图）：
电路稳定性高，大大削弱了开关抖动带来的计数跃变。
电路较为复杂，易出错。
图2-2方案二电路原理图
2.2方案论证
经过对电路功能的分析，整个24秒倒计时电路可由秒脉冲信号发生器、计数器、译码器、显示电路、报警电路和辅助控制电路组成，而方案二的稳定性更高，因此选择方案二为最佳方案。
3电路框图及工作原理
3.1电路框图
24秒计时器的总体参考方案框图如下图所示。
它包括时钟脉冲发生器、计数器、译码显示电路和声光报警电路等四个模块组成。
其中计数器和控制电路是系统的主要模块。
计数器完成24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、定时时间到启动报警等功能。
时钟脉冲发生器产生的信号要求是1HZ的方波脉冲，但是设计对此信号要求并不太高，故电路可采用含555集成定时电路组成的多谐振荡器构成。
译码显示电路由74LS48（译码器）和共阴极七段LED显示器组成。
报警电路可用发光二极管与蜂鸣器组成，进行声光报警。
图3-124秒计时器系统设计框图
3.2设计方案
该篮球竞赛倒计时电路的最重要的部分是24进制计数器，用74LS192进行24进制同步减法计数。
同时选择74LS48作为BCD码译码器来对7段数码显示管进行译码驱动，选择两个七段数码显示管进行显示。
根据设计要求，本课程设计采用555定时器制成的多谐振荡器，对24进制计数器进行秒脉冲的输入。
在本设计中，因为我们需要对其进行暂停、清零、报警等控制，所以我们使用了三个开关来控制计数器的各功能的实现。
设计的电路图如下所示：
图3-2选取的减计数器电路原理图
4单元电路设计与说明
4.1时钟脉冲发生器
秒脉冲产生电路，由555定时器和外接元件R1、R2、C等构成多谐振荡器。
下图：
其中R1相当一个定时电阻决定C的放电的持续时间，起始时，电容C上电压VC因放电而下降，当其值低于下阈值1/3VCC时定时器被触发端触，输转换为高电平，释放电晶体管截止。
电容C开始充电，以（R１＋R2）C的常数趋向VCC。
当电容上电压VC上升到上阈值2/3VCC时，输出又转换为低电平，并使放电晶体管导电。
电容C又重新通过R1和放电晶体管放电，近似以R2C的时常数趋向于零。
当电容C上电压下降到1/3VCC时，开始新的循环。
如此反复，定时器连续震荡，在输出端产生矩形脉冲在电容C上形成近似锯齿波的波形。
根据上述分析，利用电路暂态分析的三要素法，得电容C充电的电压表为
VC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/τ）（4.1）
（4.1）式中，τ=（R1+R2）C（4.2）
t=tpH时VC=VCC，充电结束。
即：
VC=2/3VCC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/（R1＋R2）C）（4.3）
（4.3）从上式中可求得
tpH=ln2（R1+R2）C=0.7（R1+R2）C=0.7（R1+R2）C（4.4）
同理可求得C放电的电压表示为
VC=2/3VCCe-t/R2C（4.5）
t=tpL时，VC=1/3VCC，，放电结束，从式（2.5）可得
VC=1/3VCC=2/3VCCe-t/R2C（4.6）
tpL=τln20.7R2（4.7）
振荡周期为T=tpH+tpL=0.7（R１＋2R2）C（4.8）
振荡频率为f=1/T=1.43/（R1+2R2）C（4.9）
此555定时器频率为1HZ，故令C1=10nF，R1=28kΩ，R2=58kΩ，输出脉冲频率约为1HZ。
图4-1时钟脉冲信号发生器的逻辑电路
4.224进制计数器
计数器由两片74LS192同步十进制可逆计数器构成。
74LS192功能简介如下：
具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图2.2.2所示。
其中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。
图4-274LS192的引脚图及逻辑符号
仿真软件Multisim10中74LS192的图形如图2.2.3所示。
其中A、B、C、D为置数输入端，~LOAD为置数控制端，CLR为清零端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，QA、QB、QC、QD为数据输出端，~CO为非同步进位输出端，~BO为非同步借位输出端。
图4-3仿真软件中的74LS192引脚图
74LS192的功能表如表4-1所示：
表4-174LS192的功能表
输入
输出
MR
P3
P2
P1
P0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
d
c
b
a
↑
加计数
↓
减计数
本例为利用减计数器端输入秒脉冲信号，进行减法计数，也就是倒计时。
这时计数器按8421码递减进行减计数。
利用借位输出端~BO与下一级74LS192的DOWN端连接，实现计数器之间的级联。
利用置数控制端~LOAD实现异步置数。
当CLR=0，且~LOAD为低电平时，不管UP和DOWN时钟输入端的状态如何，将使计数器的输出等于并行输入数据，即QDQCQBQA=DCBA。
24循环的设置为，十位片的DCBA=0010，个位片的DCBA=0100
4.3译码显示电路
译码及显示电路分两种，一种电路是74LS192接译码驱动器74LS48和7段共阴数码管组成。
74LS48芯片具有以下功能：
七段译码功能、消隐功能、灯测试功能、动态灭零功能，此电路中我们用到的是七段译码功能。
作为译码器，74LS48具有以下特点：
74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。
内部上拉输出驱动，有效高电平输出，内部有升压电阻而无需外接电阻。
七段数码管分共阴、共阳两种，其内部由发光二极管构成，内部有七个发光段，即a.b.c.d.e.f.g.在发光二极管两端加上适当的电压时，就会发光。
另外一种显示电路由74LS192直接输出给4线输入的七段数码管进行显示，这样构成的电路简单。
虽然4线输入的七段数码管构成的电路简单很多，但是市场上很难买到4线输入的七段数码管，所以我们此处利用74LS48显示译码器作为译码器，七段共阴极数码管显示。
译码及显示电路如下图所示：
图4-4译码及显示电路
4.4控制电路
控制电路用来完成计数器的复位、启动计数、暂停/继续计数、声光报警等功能。
与非门、非门以及D触发器实现计数器的复位、计数和保持“24”，以及声、光报警的功能，开关功能说明如下：
开关J1：
清零开关。
A处于高电平时，计数器清零，控制电路发出声、光报警信号；
当A处于低电平时，才能够进行计数。
开关J3：
暂停开关。
当“暂停/连续”开关处于“暂停”（开关J3接低电平）时，计数器暂停计数，显示器保持不变；
当此开关处于“连续”（开关J3接高电平）时，计数器继续累计计数。
开关J2：
置数开关。
当开关J2接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”；
当开关J2接高电平时，计数器才能从24开始计数。
4.5声光报警电路
声光报警电路由发光二极管和蜂鸣器以及一个非门组成，两者同时工作，当计数器计到00时，控制高位的74LS192芯片的BO端输出为低电平，通过非门后得到一高电平，从而使发光二极管和蜂鸣器正常工作，进行声光报警。
图4-5声光报警电路图
4.6元器件选择
元器件清单如表4-2所示：
表4-2元器件清单
序号
元件名称
个数
七段数码显示器
2
74LS10
3
74LS04
4
74LS373
5
74LS192
6
73LS48
7
555定时器
8
180Ω排阻
9
20KΩ电阻
10
51KΩ电阻
11
10nF电容
12
10μF电容
13
发光二级管
14
蜂鸣器
15
单刀双掷开关
5电路调试
5.1电路调试阶段
（1）计时预备阶段如图5-1
图5-1电路原理图
（2）计时阶段如图5-2
图5-2电路原理图
（3）声光报警阶段如图5-3
图5-3电路原理图
5.2调试方法
（1）分块调试法
分块调试是把总体电路按功能分成几个模块，对每个模块分别进行调试。
模块调试的顺序最好按信号的流向，一块一块进行，逐步扩大调试范围，最后完成总调。
实施分块调试有两种方法一种边安装边调试；
另一种是总体电路一次组装完毕后再分块调试。
分块调试的优点：
问题出现范围小，可及时发现，易于解决。
（2）整体调试
此种方法是把整个电路组装完毕后，不进行分块调试，实行一次性总调。
5.3调试步骤
（1）检查电路对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接
或出现多接线的现象。
（2）接通电源观察在检查电路无误后，接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，观察各个单元电路是否能够正常工作，找出出错的单元电路，如果有错，则用万用表对各个电路逐个检查，直至查出错误，并加以改正。
（3）对各个功能电路的检测闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。
调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。
5.4调试中出现的问题及解决方案
问题一：
接通电源后数码管不能正常工作。
解决方案：
断开电源后，检查译码显示电路的各元件引脚是否连接正确，结果发现七段共阴极数码管未接低电平。
问题二：
计数器计数太慢，减计数间隔远大于一秒。
多谐振荡电路输出的信号不稳定，受干扰后信号频率小于1HZ。
加大多谐振荡电路中的电阻R2（最好用滑动变阻器），调节电阻的同时，用秒表校准减计数间隔，使其约等于1秒。
问题三：
计数器正常工作，暂停计数后，再恢复计数时，产生计数跃变。
暂停/连续计数开关产生抖动，在开关J3与三输入与非门之间接入一个D触发器，它起到锁存的作用，大大削弱计数跃变。
5.5调试结果
该篮球竞赛24秒计时电路正常工作，将清零开关J1至低，置数后将置数开关J2置高，再将暂停/连续计数开关J3置高电平，电路开始正常减计数。
当J3置地时，计数暂停；
当J3再重新至高时，进行连续计数。
当计数器减至00时，报警电路工作，同时进行声光报警。
结束语
自己第一次做课程设计，遇到不少困难，收获也很多。
刚开始分到设计题目时，觉得思路还蛮清晰，觉得应该蛮容易，可是设计好电路草图后，用Multisim仿真时就出了问题，先是数码管始终不亮，后来上网查资料后知道，数码管和译码器之间的每个引脚都要加电阻，仿真软件才能识别。
接着又发现计数器没法倒计数（仿真软件中），结果发现是仿真步长设置小了。
最终排除各种问题，仿真成功，虽然计数器设计的不完善，有轻微跃变。
然后便是实物连接了，连接的过程中也存在着各种各样的困难，比如，面包板接触不良，导线太多、太乱，插错孔，芯片没插紧等，其中最难解决的是多谐振荡电路输出信号不稳定，后来经过小组成员的共同努力终于使的计数器的计数间隔约为1秒，我们一边调节多谐振荡电路的R2电阻，一边用秒表校对计数时间间隔，最终使两者近似相等。
后来便是答辩，由于小组成员都积极参与设计，大家对电路连接及原理都有所了解，因此，答辩比较顺利。
对于该实验还有可以有改进的地方，主要就是信号发生器的改进，为了得到更加稳定的时钟脉冲，我们可以用石英晶体振荡器，它具有高精度和高稳定性。
这次电子电工课程设计让自己有很多收获，首先便是大大提高了自己的动手能力以及解决问题的能力，遇到困难不再是逃避，而是迎难而上，耐心地分析解决问题。
再者便是自己的合作意识提高了，众人拾柴火焰高，大家互相帮助，互相支持，在困难的问题也能迎刃而解。
当然，这次课设中自己也有一些不足之处，比如，在面包板上连线时不够细心，会插错孔；
还有就是仿真软件不太会用，经常找不着元件，等等。
细节方面有所疏忽，不够严谨。
希望以后能多参加这样的活动，不断提升自己的各方面能力，为今后的学习和工作打下扎实基础。
参考文献
1.伍时和主编《数字电子技术基础》清华大学出版社2009
2.康华光主编《电子技术基础》（数字部分）高等教育出版社1980
3.周新民主编《工程实践与训练教程》武汉理工大学出版社2009
4.程勇《实例讲解Multisim10电路仿真》人民邮电出版社2010
5.朱余钊主编《电子材料与元件》西安电子科技大学出版社2002
升级会员 