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学生：
电子工程系
2013年12月8日
课程设计报告书评阅页
30s定时电路
班级：
姓名：
2013年12月8日
指导教师评语：
考核成绩：
指导教师签名：
20年月日
摘要
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球员的犯规。
本文对篮球比赛中的30s计时产生背景进行了概述，并由此对30s计时器的设计思路，设计原理和方案进行了详尽的分析和说明。
此方案从30s计时器的用途入手，在整体分析之后总结设计思路和设计方案得出如下的结论:
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，可以直接启动、暂停、连续、清零以及具有光电报警功能。
该设计主要由以下6部分组成，即外部开关、控制电路、秒脉冲发生器、计数器、译码显示器、以及报警电路。
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，同时发出光电报警信号等。
由于30秒计时器的设计的应用，使得篮球比赛朝着更加公平合理，紧张激烈和富有魅力的方向发展。
关键词：
30s；
秒脉冲；
暂停；
报警；
译码显示器
第1章设计任务及要求
设计一个30s定时电路，要求具有30s减计时显示功能并能使减计时时间间隔为1s，要求具有外部操作开关，用以控制计数器的置30s、启动计时、暂停计时和连续计时，并减计时到0（显示00）时，发出警报信号（用发光二极管显示）。
第2章方案设计与方案选择
2.1方案设计
由于两种方案的基本电路框图一致，所以统一为以下电路框图：
外部控制开关
图2.130s定时电路基本电路框图
方案一：
秒脉冲发生器使用555定时器，计数器使用74ls192组合而成，显示译码器使用CC4511组合，控制电路选用两个二输入的与非门组合而成的基本触发器和两个三输入的与非门组成，而其集成块则选用74ls20。
此方案中选用的74ls20是由两个四输入的与非门组成。
而由555定时器所构成的多谐振荡器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，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波，可用作方波发生器。
由基本RS触发器构成的控制电路具有抗抖作用，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。
方案二：
秒脉冲触发器、计数器和控制电路所使用的与方案一相同，但控制电路的集成块使用74ls01和74ls10，显示译码器使用74ls148
图2.274ls148管脚图
组合，报警电路选用蜂鸣报警器。
此方案中的译码器74ls148为8线－3线优先编码器，共有54/74148和54/74LS148两种线路结构型式，将8条数据线（0－7）进行3线（4-2-1）二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。
利用选通端（EI）和输出选通端（EO）可进行八进制扩展。
方案一与方案二比较起来，对于控制电路的集成块应用，方案二的集成块闲置引脚要远大于方案一，会增加外部干扰，而在报警器的选择过程中，蜂鸣报警器的结构相对复杂，不利于电路连接，而在译码器的选择上，具有优先选择的74ls148在性能上要高于CC4511，而且其与计数器之间因为同一型号而不需要上拉电阻，大大减少了电路的导线数，但综合所有性能来看，方案一要比方案二更合适，因而选择方案二。
2.2方案选择
第3章单元电路设计
3.1 计数器的设计
计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的各类触发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及JK触发器等。
计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。
计数器可以用来显示产品的工作状态，一般来说主要是用来表示产品已经完成了多少份的折页配页工作。
它主要的指标在于计数器的位数，常见的有3位和4位的。
很显然，3位数的计数器最大可以显示到999，4位数的最大可以显示到9999。
图3.174ls192外引脚图
CLR为置零端，高电平触发，即为1时开启，为0时关闭，其优先级最高；
LD端为异步置数端，低电平触发，即为1时关闭，为0时开启；
UP/DWN分别为加法时针输入端和减法时针输入端，高电平有效；
A,B,C,D为数据输入端，高电平有效；
QA,QB,QC,QD为输出端；
CO/BRW分别为进位和借位输出端。
CLR
LD
UP
DWN
功能
1
X
清零
置数
↑
加法计数
减法计数
图3.274ls192功能图
其工作原理是：
当LD=1，DWN=1，UP为上升沿时触发时，计时器处于加法计时状态，当LD=1，UP=1，DWN为上升沿触发时，计时器处于减法计时状态。
当CR=0，LD=1，UP=DWN=1时，计数器保持原状态不动。
图3.3由74ls192构成的30s减数计数器
原理为：
当开关S2置于接地端1时，LD置数端开启，整个电路处于置数状态；
当开关S2置于接VCC端3时，LD置数端关闭，电路处于计数状态，则从30开始减法计数，到0时停止。
当其与作为译码器的CC4511相连时，因CC4511属于CMOS系列，所以二者的输出电平不同，需要在电路的输出端和电源之间接一个上拉电阻Ru，经查表可得，CT74LS系列的Ru取值范围为820到12K之间,因而用1K电阻即可.
3.2秒脉冲发生器的设计
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
图3.4555定时器原理图及外引脚图
1脚：
外接接地，2脚：
低触发端
3脚：
输出端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
TH高触发端。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC
555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生31VCC和32VCC两个基准电压；
两个电压比较器C1、C2；
一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；
放电三极管T和输出反相缓冲器G3。
Rd是复位端，低电平有效。
复位后,
基本RS触发器的Q端为1（高电平）经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。
为了方便，我们规定：
当TH端的电压>
32VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压<
32VCC时，写为VTH=0。
当TR端的电压>
31VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压<
31VCC时，写为
VTR=0。
①
低触发：
当输入电压Vi2<
31VCC
且Vi1<
32VCC时，VTR=0，VTH=0，
比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端S=0、
R=1，使Q＝1，Q＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。
这时称555定时器“低触发”；
②
保持：
若Vi2>
32VCC，则VTR=1，VTH=0，S=R=1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。
③
高触发：
若Vi1>
32VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2
输出何种电平，基本RS触发器因R=0，使Q＝1，经输出反相缓冲器后，VO＝0；
T导通。
这时称555定时器“高触发”。
555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。
VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。
正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。
放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。
根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。
阻值确定：
可利用其输出方波的占空比来确定阻值，公式：
可根据此公式算出R1与R2的值。
图3.5由555定时器组成的秒脉冲发生器
3.3控制报警电路的设计
光电报警器：
有触发器和光电二极管组成，
图3.6控制电路及光电式报警器
其原理是：
由G1A和G1B组成的基本触发器其引脚8连接着G2A，当开关S1置于位3时，触发器处于置0状态，G2A关闭，计数器接收不到时钟信号，因而处于停滞状态，当开关置于位1时，触发器处于置1状态，G2A开启，计数器接收到时钟信号，所以出于连续状态。
引脚4连接的是555定时电路的交流电输出端，而由光电报警器延伸出来的引脚连接的是计数器的借位输出端，当计数器30秒技术完毕后，会借借位输出端BO给光电报警器负信号使光电二极管正偏导通，从而发出警告信号，同时关闭G3，使其不再向计数器传送方波，令计数器停止计数。
而G2B的引脚8则连接着计数器的减法时钟输入端，其作用是为计数器提供时钟信号。
3.4译码器与显示器的设计
译码器是一种具有“翻译”功能的逻辑电路，这种电路能将输入二进制代码的各种状态，按照其原意翻译成对应的输出信号。
有一些译码器设有一个和多个使能控制输入端，又成为片选端，用来控制允许译码或禁止译码。
在此电路中，使用CC4511作为译码器，
图3.7CC4511外部引脚图
其各引脚功能为：
LE为锁存允许端，高电平触发，所以当其为0时，锁存器直通，译码器输出端ａ～ｇ随输入Ａ～Ｄ端而变化，当其为1时，锁存器锁定，输出端保持不变；
BI为熄灭控制端，低电平触发，所以为0时，译码器输出全0；
LT为灯测试端，低电平触发，当其为0时，输出全1，数码管各段均亮，即显示8，用来检测数码管是否正常。
当输入的BCD码大于1001时，七段显示输出全“0”，各段均不亮。
七段码显示器：
图3.8七段码显示器外部引脚图
其各引脚功能为：
两个K引脚在共阴接法时应该短接接地，a~g端为输入端，分别对应七个晶体管，DP端也为输入端，对应小数点。
图3.9译码器与显示器连接图
因为此CC4511属于高电平有效的译码器，因而要使用共阴接法，所以需要用到上拉电阻R。
当译码器接收到自计数器传来的密码时，对其进行译码，然后由输出端传送到七段码晶体显示管中，对应的晶体管发光，显示数字。
第4章整体电路及工作原理
整体电路原理图详见附录一
工作原理：
当555定时器发出脉冲信号时，若此时开关S1置于位1，则由G1和G2构成的基本触发器置1，G3工作，将信号传输到计数器，计数器开始进行减法计数，并将其数码传给译码器进行译码，最后在显示器上显示出来，当其减数计数进行到底时，会传出一个低电平信号，被与之连接的发光二极管接受，二极管正向导通，发出警报，并同时关闭G3，使之不再向计数器传送波形。
第5章调试与检测
5.1计数器的调试
将电路按照电路原理图连接好，然后将其输出端接到基本逻辑电平显示器,将输入端接到基本逻辑电平开关上，然后令LD=1，CR=0，UP=1，A1B1C1D1A2B2C2D2=00000011，然后观察显示器上一开始有没有显示30，即二进制码00110000，若没有显示则应该继续进行调节。
显示三十后，将DWN端接1s脉冲,观察显示器有没有按照减法葱三十进行递减。
若将LD=0，则为置数。
5.2秒脉冲发射器的调试
将电路按照元器件原理图连接好，然后将OUT端连接到示波器上，将电阻替换成滑动变阻器，调节变阻器，测的频率，对比频率与试验所用值是否一致，如不一致则调节滑动变阻器，直到一致为止。
5.3控制电路调试
将二极管和电阻接到串联电路中去，观察二极管在正偏和反偏的时候有没有正常，然后将各元器件按照控制发光报警电路接好，将G4的输出端接到基本逻辑电平开关上，然后开启开关，观察二极管是否发光，在闭合开关，观察二极管是否发光。
5.4译码器调试与显示器调试
将译码器与显示器按照电路图接好，然后将译码器的输入端接到基本逻辑电平开关上，按照二进制输入数字，观察显示器上显示的数字与输入二进制是否相同。
5.5整机调试
将以上所述电路连接起来，通入5V直流电压，此时，拨动开关S1和S2，就可以观察到30s定时电路的各种状态。
第6章元器件清单
名称
规格
数量
电阻器
12K
2
电容器
10μ
1
68K
0.01μ
15K
555定时器
D008
560
集成块
74LS192
2
1K
23
74LS20
发光二极管
LED
开关
SW-STDP
七段码显示器
Dpyreen-CC
附录一总电路原理图
附录二PCB板底图
附录三PCB封装图
参考文献
1、杨忠志.数字电子技术.北京：
高等教育出版社，2008
2、王增福李昶魏永明.新编线性直流稳压电源.北京：
电子工业出版社，2005
3、何希才.稳压电源电路的设计与应用.北京：
中国电力出版社，2000
4、周志敏周纪海纪爱华.线性集成稳压电源实用电路.北京：
中国电力出版社，2006
5、周邦雄.实用电源技术手册.吉林：
电子出版社，2004
6、陈晓文《电子线路课程设计》，电子工业出版社，2006
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