篮球竞赛30秒计时器Word文档格式.docx

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一、电子技术课程设计的目的与要求

1.课程设计目的：

课程设计作为数字电子技术课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养学生的实际动手能力以及分析、解决问题的能力。

按照本专业培养方案要求，学完专业基础课数字电子技术课程后，要进行课程设计，其目的是使学生更好地巩固和加深对基础知识的理解，初步掌握设计小型数字系统的方法，独立完成系统设计及调试，增强学生理论联系实际的能力，培养学生电路分析和逻辑设计能力。

通过动手实践教学，引导学生在已有的理论指导下有所创新，培养学生的发散思维，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。

2.课程设计要求：

（1）教学基本要求

要求学生独立完成选题设计，掌握数字系统设计方法；

完成系统的组装及调试工作；

在课程设计中注重培养工程质量意识，按要求写出课程设计报告。

（2）能力培养要求

1）通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。

2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

3）掌握常用仪器、设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。

4）综合应用课程中学到的理论知识独立地去完成一个设计任务。

5）培养认真细心的工作作风和严谨的科学态度。

二．课程设计的名称及设计要求

1.设计题目：

2.设计任务：

本课题要求设计一个实用的篮球竞赛30秒计时器。

适用于篮球竞赛计时使用。

3.设计要求：

（1）30秒计时器具有显示30秒的计时功能。

（2）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。

（3）计时器为30秒递减计时，其计时间隔为1秒。

（4）当计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，应发出光电报警信号。

三．系统框图及简要说明

1.系统框图：

如图1所示

图1系统框图

2.设计说明：

根据设计要求，30秒计时器需要计数并且是倒计时的减法计数，可以利用可逆计数器来实现减法的计数，由于是十进制的计数，所以采用74LS190芯片来设计。

因为是时序逻辑电路的设计，所以要用555定时器产生的时钟信号来驱动减法计数器。

然后，通过显示译码管进行数字显示。

四．方案选择与论证

1.设计方案：

方案的选择已在系统框图中显示出来，就是利用两片可逆计数器通过串行进位方式来实现30秒的倒计时。

2.方案论证：

首先，是利用555定时器来实现时钟信号的产生，555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成多谐振荡器，即能产生稳定的时钟信号，并且通过调节相关电阻的阻值和电容的容值，可以设计出不同频率的时钟信号。

其次，可逆计数器74LS190，可以实现加法或减法的计数，通过设定加/减控制信号U’/D=1可进行减法计数，由于芯片本身就带有异步的置数端LOAD且为低有效，通过设定置数信号LOAD=0可实现置数清零（清为30）的功能。

由于当置数端的信号为高有效并且在使能端CTEN=0时，当时钟的上升沿来临时可进行减法计数，所以通过设计置数信号LOAD=1可实现启动的功能。

另外，通过门电路可控制时钟的输入，从而实现暂停/连续的功能。

又由于30秒的倒计时需要用两片的74LS190芯片才能实现，个位芯片的串行时钟输出端CO是低有效的，当状态为0时，输出为CO=0，下一个状态变为9时，输出为CO=1，所以有一个上升沿的产生，这正可以作为十位芯片的时钟信号，从而采用串行借位方式来实现30秒的倒计时。

最后，BCD-七段显示译码管74LS248，可以实现将BCD代码译成数码管所需的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所表示的数值。

综上所述，就可以实现篮球竞赛30秒计时器设计的全部功能。

五．单元电路设计

定时器单元

（1）原理：

1）集成定时器电路习惯上称为555电路，这是因为内部参考电压使用了3个5k欧的电阻分压，故取此名。

555电路，这是一种数字和模拟的混合型的中规模集成电路，它能产生时间延迟和多种脉冲信号。

555定时器如图2所示：

图2555定时器的电路结构

它含有3个分压电阻和两个高、低电平比较C1、C2，一个基本RS触发器，一个放电开关T。

高电平比较器C1的同相输入端参考电平为2Vcc/3，低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为Vcc/3，C1与C2的输出端控制基本RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号自6管脚输入并超过2Vcc/3时，触发器置为0，定时器的输出端3管脚输出低电平，同时放电开关管导通；

当输入自2管脚输入并低于Vcc/3时，触发器置为1，定时器的输出端3管脚输出高电平，同时放电开关管截止。

RD’是直接复位端，当RD’=0时，定时器输出低电平。

平时RD’端开路。

VC是外接控制电压输入端（5管脚），当VC外接一个输入电压Uvc时，则改变比较器的参考电压（UT+=Uvc,UT-=Uvc/2）；

不外接电压时，通常接一个的电容器到地，起滤波作用，以消除干扰，确保参考电平稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于7管脚的电容器提供放电通路。

2）多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲，即能产生时钟脉冲。

利用555定时器接成多谐振荡器，只要将555定时器的VI1（TH）和VI2（TR’）连在一起，然后再将VO经RC积分电路接回输入端就可以了。

如图3所示：

产生的时钟脉冲的周期T等于电容C的充电时间T1与放电时间T2之和，即T=T1+T2。

其中T1=（R1+R2）Cln（Vcc-VT-）/（Vcc-VT+）=（R1+R2）Cln2T2=R2*Cln（0-VT+）/（0-VT-）=R2*Cln2

所以T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2

图3用555接成的多谐振荡器

（2）芯片的型号

NE555芯片，管脚如图4所示:

图4NE555管脚图

（3）参数计算

根据要求，设计的时钟脉冲的周期为1s,所以根据上述公式，T=（R1+2R2）Cln2=1

设占空比q=（R1+R2）/（R1+2R2）=2/3,可得R1=R2，取C=10uf,则代入上式得到

3R1*Cln2=1，R1=R2=1/3*Cln2=1/3**=48k欧

由于实验室的电阻只有51k与47k,而且误差不是很大，计算（51+47*2）**=

所以，取R1=51k,R2=47k。

如图5所示：

图5时钟脉冲为1HZ的多谐振荡器

秒减法计数单元

1）74LS190的原理

表174LS190功能表

74LS190是同步十进制可逆计数器，它是靠加/减控制端来实现加法计数和减法计数的。

其引脚排列如图6，功能表如表1所示。

输入

输出

CPD0D1D2D3

Q0Q1Q2Q3

0×

×

d0d1d2d3

100↑×

101↑×

11×

d0d1d2d3

加计数

减计数

保持

图674LS190集成芯片管脚图

引脚说明：

D0～D3：

数据输入端

CT’：

使能控制端（低电平有效）

CP：

时钟输入端

LD’：

异步预置数控制端（低电平有效）

U’/D：

加/减计数方式控制端

C/B：

进位输出/借位输出端

Q0～Q3：

数据输出端

CO：

串行时钟输出端（低电平有效）

74LS190的预置是异步的。

当预置数控制端LD’为低电平时，不管时钟端CP状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（D0～D3）相一致的状态。

74LS190的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。

当使能控制端CT’为低电平时，在CP上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。

当计数方式控制端U’/D为低电平时进行加计数；

当U’/D为高电平时进行减计数。

74LS190有超前进位功能。

当计数上溢或下溢时，进位/借位输出端C/B输出一个宽度约等于CP脉冲周期的高电平脉冲；

串行时钟输出端CO输出一个宽度等于CP低电平部分的低电平脉冲。

2）30秒倒计时的原理

30秒的倒计时需要用两片的74LS190芯片才能实现。

根据上述74LS190的功能，个位芯片的串行时钟输出端CO是低有效的，当状态为0时，输出为CO=0，下一个状态变为9时，输出为CO=1，所以有一个上升沿的产生，这正可以作为十位芯片的时钟信号，从而采用串行借位方式来实现30秒的倒计时。

让两个芯片的使能端CT’=0，加/减计数方式控制端U’/D=1，同时让个位芯片的数据输入端（D0～D3）=0000，十位芯片的数据输入端（D0～D3）=0011，当置数信号LD’=0，输出为30，当置数信号LD’=1，当时钟CP的上升沿来临时，开始30秒倒计时计数。

3.译码显示单元

（1）74LS248的逻辑图和管脚图如图7所示，半导体数码管的管脚图如图8所示。

图774LS248逻辑图和管脚图

（2）74LS248的工作原理：

1）74LS248真值表，如表2所示

表274LS248真值表

2）附加控制端功能：

灯测试输入LT’=0时，七段同时点亮；

LT’=1时，处于正常工作状态。

灭零输入RBI’=0时，应显示的0被熄灭；

RBI’=1时，0可以正常显示。

灭灯输入BI’/灭零输出RBO’：

复合控制端口

灭灯输入BI’：

=0时，各段同时熄灭，不显示数字；

灭零输出RBO’：

当A3A2A1A0=0000，且RBI’=0时，RBO’=0，表示显示的0被熄灭。

3）正常译码显示：

只要灭灯输入信号BI’，灯测试输入信号LT’和灭灯输入BI’/灭零输出RBO’为高电平，就可对输入为十进制数0～15的二进制码（0000～1111）进行译码，产生显示0～15所需的七段显示码（其中10～15用特殊符号显示）。

（3）半导体数码管

1）半导体数码管的管脚图和等效电路，如图8所示：

2）半导体数码管：

工作电压低、体积小、寿命长、可

靠性高、亮度高、响应速度快。

工作电流大，一般

为10mA左右。

只要让8或3管脚接地，然后把译码

器的输出端接到数码管相应的端口，就可以显示出数

字来

图8半导体数码管的管脚图和等效电路

（4）用74LS248驱动半导体数码管，如图9所示

图9用74LS248驱动半导体数码管的连接图

4.控制单元

让74LS190的两个芯片的使能端CT’=0，加/减计数方式控制端U’/D=1，通过门电路控制置数信号LD’=0可实现清零（清为30）的功能；

控制置数端LD’=1，当时钟CP的上升沿来临时，可进行减法计数，可实现启动的功能。

另外，通过控制时钟CP的输入与否，从而实现暂停/连续的功能，如图10。

1）当十位和个位的输出不为0时，C/B端都为0，当输出为0时，C/B端都为1，只要把两个C/B端利用非门74LS04取反作为或非门的输入，或非门74LS02输出端接一个发光二极管，同时或非门输出与555产生的1HZ脉冲信号作为另一个或非门的输入，则当十位和个位的输出都为0时，第一个或非门的输出为1，这时发光二极管亮，同时时钟的输入无效，则十位和个位保持为0，达到30秒倒计时到0时停止并发出信号（二极管变亮）。

2）通过按钮A来控制用JK触发器连成的T触发器的输出状态的转换，将74LS190的两个芯片的置数端接到触发器的输出端Q’上，来实现清零（清为30）与启动的功能。

在正常计数的情况下，Q为低电频，按按钮A第一下，触发器的输出端状态发生转换，Q为高电频，Q’为低电频，此时十位和个位的置数端都为低电平，把十位的3和个位的0置入，即两个74LS190的输出分别为3与0，达到清零的功能；

然后再按按钮A第二下，使触发器的输出端状态发生转换，Q为低电频，Q’为高电频，此时十位和个位的置数端都为高电平，则开始正常计数，既满足启动的功能。

3）通过按钮B来控制用JK触发器连成的T触发器的输出状态的转换，将控制单元中运用到的第三个或非门的一个输入端连接到触发器的输出端Q上，来实现暂停与连续的功能。

在正常计数的情况下，Q为低电频，按按钮B第一下，触发器的输出端状态发生转换，Q为高电频，这就使第三个或非门的输出始终为0，时钟信号没有起作用，则给个位的时钟信号始终在高电平，74LS190的输出保持不变，达到暂停的功能，然后再按按钮B第二下，使触发器的输出端状态发生转换，Q为低电频，则时钟信号能传给个位的时钟输入端，则开始正常计数，达到连续的功能。

图10门电路实现的控制单元

图1174LS73管脚图

六．总体电路

通过上述各个单元的分析，得到的总体电路如图12：

图12总体电路

七．实验过程

仿真过程

（1）审题

在仔细认真阅读《数字电子技术课程设计指导书2009》之后，决定设计篮球竞赛30秒计时器。

首先，我觉得要制作就要制作使用的东西，否则只需要仿真即可没有必要做出实体，而通过审视篮球计时器是所有题目中实用性最强的，也是最贴近同学们生活的。

其次，由于在同等进行课程设计的情况下，篮球竞赛30秒计时器设计的分数比较高。

再次，认真看了设计要求之后，有了基本的思路，并且有相关参考书查阅，所以认为以自己的能力可以把它设计出来。

最后，决定数字电子课程设计的设计题目为——篮球竞赛30秒计时器。

（2）设计方案

在了解设计要求之后，认真思考了方案。

首先，思考如何实现30秒的倒计时，要实现倒计时就意味着要进行减法，这时想到了利用可逆计数器来设计。

而可逆计数器常用的有十六进制的和十进制的两种，由于30秒是十进制，则选用十进制的74LS190来设计。

然后，74LS190需要时钟信号来驱动，要如何得到一个1HZ的始终信号，根据老师的提醒，用555定时器可以很容易的构成多谢振荡器，即可以产生时钟脉冲。

最后，如何显示计时状态，这个别无选择只能是用显示译码管来实现显示的功能。

（3）查看资料

有了基本的设计思路之后，需要知道所有要用到的芯片的功能及各个管脚的意义，以及连接的方法。

于是通过查找资料，把每个芯片的有关要点都进行了初步了解，然后在运用的过程中达到熟悉真值表的程度。

（4）开始设计

通过以上的准备，开始进入设计。

首先，进行驱动源的设计，即时钟脉冲的产生。

把555定时器接成周期为1s的多谢振荡器，可通过公式求出所需的电阻与电容的大小，按照计算结果连接电路，并用示波器观察波形，进行验证，确保其可以产生1HZ的震荡信号。

其次，设计30秒的倒计时，在了解74LS190的原理之后，决定采用串行借位方式实现30秒的倒计时，芯片的端口按照原理来进行设计使用。

最后，显示译码管的使用。

在Multisim中，直接可以把74LS190的输出端接到4输入的显示译码管的输入端，就可以显示出数字。

而在实际中，必须要通过译码器来驱动半导体数码管，才能显示出数字来。

所以，也要了解显示译码器74LS48的原理，然后再把74LS190的输出端接到74LS48的输入端，经过译码之后，把输出接到半导体数码管的输入端，才可显示数字。

（5）仿真验证

在Multisim软件中设计电路，设计完之后，经过仿真，来验证是否达到预期的结果。

刚开始，仿真不出预期的结果。

于是，我依据问题的所在对电路进行模块化检查。

首先，在555震荡电路模块的输出端接上一个发光二极管，看二极管是否产生闪烁的效果，以检查555震荡电路是否可以产生震荡信号。

果然，此模块没有产生震荡信号，所以整个电路不能正常工作。

经过仔细的检查后，查出问题的所在，在修改555模块后，整个电路的仿真达到了预期的效果。

2.实践过程

（1）连接电路

按照电路图来连接电路，首先，检查芯片是否完好，通过简单的测试，看是否符合逻辑功能。

例如：

在检查非门的芯片中，输入为1/0时,输出是否为0/1。

其次，在连线的过程中，要首先注意两个关键的点，Vcc与地。

每个芯片都要接Vcc与地，所以在连接某个芯片时，我非常注意芯片是否已接上了Vcc与地。

同时，用导线连接时，检查导线是否完好，才用来连接。

最后，只要小心翼翼、坚持不懈地去连接每一条导线，最终会完成连接的。

（2）验证功能

连接好电路之后，通过接通电源，来检测是否正确。

在第一次检查的过程中，发现数码管显示的数字有时候是乱码，有时候是正常数字，前一个数与后一个数之间没有连续性，没能显示30的倒计时，但是清零和暂停的功能都正常。

经过我仔细观察数码管的跳变数字的规律，才发现原来是74LS190的输出端在与74LS248的输入端相连时，端口对应出错了。

在仔细阅读两个芯片的管脚图和真值表后，修改了电路的连接，然后再次接通电源检测，电路实现了30的正常倒计时。

最终，完成了整个设计的过程。

八．心得体会

通过数字电子课程设计，我体会到了学习《数字电子技术基础》这门课的用处，正因为有了数字电子技术的基础，才能完成本次的课程设计。

在这两周的课程设计中，我尝试到了：

由刚开始的信心，到灰心，再到耐心和最后的开心，每一种感触都非常的深刻，也许这就是这门课程设计的意义吧。

拿到设计题目与要求时，通过审题之后，因为实用性，我选择设计篮球竞赛30秒，但是更主要的因素是，我有信心自己能够完成设计并做出实体。

我的信心来之于我学习《数字电子技术基础》时学到的知识以及我对课程设计的兴趣，认为自己的知识储备可以应对这次的考验。

只要我一想到，我把它设计出来后，看着数码管在按照预定的方案跳动时，我的心情是多么的开心。

所以，在这两种动力之下，我很有信心能完成设计。

做任何事情难免总会碰到困难，会有灰心的时候。

当我在Multisim软件中设计时，我尝试到了多次的失败。

在我多次修改后，数码管仍然不能正常工作，使我很有挫败感，我由刚开始的信心满满，瞬间失去了信心，甚至是无比的灰心。

但是，我没有放弃，因为我知道，我必须面对挑战，我没有退路，没有时间让路，我不能退缩。

于是，我寻回自己的耐心，对电路进行模块化检测。

首先检查各个芯片是否都是完好无损的，高低电频是否接入。

然后检测驱动源——555震荡电路，在确定此模块正常工作的情况下，接上电源对整个系统进行检测。

系统仍不能正常运行，在对74LS190模块的电路对着管脚图细细地进行检查，如此循环下去，直到每个模块都被查过一次。

经过一次大检查后，我自信电路应该可以正常工作了。

但是情况并不如我所愿，数码管显示了一连串的乱码。

再仔细观察与分析后，发现还是在连接74LS190和74LS248的时候出现了问题。

于是，为确保正确性，我先在纸上画出正确的连接方式，再按照图细心地修改自己面包板上的电路连接。

终于，30秒的倒计时实现了，这也代表着，课程设计几乎完成了，同时，我的信心也找回来了。

通过数字电子课程设计，不仅是对我学习的考验，更加是对我们能力的培养，使我增添了许多知识，大大提高了实验的能力，这些都是无比珍贵的财富。

所以，感谢开设课程设计的老师们，是你们提供了让我们成长的机会，提供了与电路板亲密接触的机会，正因为这机会，我们将理论和实践相结合，对数字电子电路有了更深入的认识和理解。

总原理图

图12总原理图

元器件清单

电路所需的元器件清单，如表3所示：

表3元器件清单

器件名称

数量

六反相器74LS04

1个

2输入端四或非门74LS02

BCD同步加/减计数器74LS190

2个

双JK触发器74LS73

BCD七段数码管译码器74LS248

共阴数码管

555定时器ne555

电阻

51k1个

47k1个

2个

电容

10uf1个

10nf1个

发光二极管

按钮

参考文献

1．清华大学电子学教研组编、阎石主编的《数字电子技术基础》•第五版•高等教育出版社•第179-186、286、291-294、489-497页。

2.北京电子科技学院电子技术实验室编的《数字电子技术实验指导书》•11-12、24-26页。