篮球24秒计时器的设计与制作Word文档下载推荐.docx
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(7)总结(收获及体会)
(8)参考资料
(9)附录:
器件表,芯片资料
2方案选择和论证
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和灭灯、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和蜂鸣器组成,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单元电路设计和说明
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和下一级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。
和非门、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和地短接,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和三输入和非门之间接入一个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.