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光电报警；
七段数码管；
电路
第1章绪论
设计意义
随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥这越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活中不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，定时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。
例如，在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就犯规了。
此次设计的“篮球竞赛24秒计时器”就可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间24秒限制。
一旦球员的持球时间超过了24秒，它就自动报警从而判定此球员的犯规。
设计任务及要求
1.2.1设计任务
1.显示24秒计时功能。
2.设置外部操作开关控制计时器直接清零、启动、暂停/连续功能。
3.计时器为24秒递减计时器，其计时间隔为1秒。
4.递减计时到零时，显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。
1.2.2基本要求及目标
1.根据原理图分析各单元电路的功能；
2.熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能；
3.写出完整、详细的设计报告。
第2章电路框图及工作原理
设计方案
方案一：
采用计数器74LS192作为核心部分。
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，两个七段数码显示管进行显示。
采用555计时器制成的多谐振荡器，进行秒脉冲的输入。
因为我们需要对其进行暂停、清零、报警等控制，所以我们使用了两个开关来控制计数器的各功能的实现，从而实现各种功能。
方案二：
采用单片机AT89S51作为核心部分，编写程序。
用74LS48和7段数码显示管组成显示电路。
采用三个开关控制启动、暂停、清零、报警从而实现各种功能。
在两个方案中，单片机价格比较贵，编写程序繁琐，原理说明性不够强，所以在本次设计采用方案一。
电路框图
24秒倒计时计时器的方案框图如图2-1所示。
它是由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和控制电路等五个部分组成。
其中计数器和控制电路是系统的主要部分。
计数器完成24秒计时功能，控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数功能，译码显示电路完成数字显示功能，报警电路产生光电报警功能。
秒脉冲发生器产生时钟脉冲信号，这个信号作为电路的定时标准，其电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡其构成。
图2-124秒计时器系统设计框图
控制电路手动置数计数器，译码显示电路出现显示，秒脉冲发生器产生秒脉冲刺激计数器递减，随之译码显示电路递减。
暂停/连续时，控制电路控制秒脉冲发生器暂停/连续秒脉冲，随之计数器和译码显示停止/连续工作。
译码显示为零时触发报警电路产生报警。
第3章单元电路的设计
24进制计数器的设计
计数器选用集成电路74LS192进行设计较为简便，74LS192是十进制可编程同步加法计数器，它采用8421码十进制编码，并具有直接清零、置数、加减计数功能。
图3-1是74LS192引脚排列。
图中CU、CD分别是加计数、减计数的时钟脉冲输入端（上升沿有效）。
PL是异步并行置数控制端（低电平有效），TCU和TCD是进位、借位输出端（低电平有效），MR是异步清零端，P3-P0是并行数据输入端，Q3-Q0是输出端。
图3-174LS192的引脚排列
74LS192的功能表见表3-1所示。
表3-174LS192功能表
输入
输出
MR
CU
CD
P0
P1
P2
P3
Q0
Q1
Q2
Q3
1
×
a
b
c
d
↑
加计数
↓
减计数
当PL=1，MR=0时，若时钟脉冲加到端CU，且CD=1则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，TCU端发出进位下跳变脉冲；
若时钟脉冲加到CD端，且CU=1，则计数器在预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到0时，TCD端发出借位下跳变脉冲。
由74LS192构成的二十四进制递减计数器如下图3-2所示。
图3-28421BCD二十四递减计数器
其预置数为N=（00100100）=（24）10。
在CD端的输入时钟脉冲作用下，开始递减。
只有当低位TCD端发出借位脉冲时,高位计数器才作减计数。
当高、低位计数器处于全零,完成一个计数周期，然后手动置数PL=0,计数器完成置数,再次进入下一循环减计数。
数码显示电路的设计
根据设计的要求采用74LS48译码器来驱动共阴极数码显示管。
74LS48芯片是一种常用的七段数码管驱动器，常用在各种数字电路和系统的显示系统中。
74LS48和共阴极七段LED显示器如图3-3连接。
这样连接74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需像CC4511外接限流电阻。
图3-3显示电路
74LS48输入信号为BCD码，输出端为a、b、c、d、e、f、g共7线，另有3条控制线。
——LT为测试端，低电平有效，当——LT=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，a～g输出全为高电平，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,低电平有效。
在——LT=1，———RBI=0，且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭。
但当译码输入不全为0时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。
BI\RBI是一个特殊的端口，有时作用于输入，有时作用于输出，在这里不多做介绍。
74LS48功能表见表3-2。
字形
数字
——LT
———RBI
ABCD
BI/RBO
abcdefg
2
3
4
5
6
7
8
9
X
0000
1000
0100
1100
0010
1010
0110
1110
0001
1001
1111110
1100000
1101101
1111001
0110011
1011011
1011111
1110000
1111111
1111011
消隐
脉冲消隐
灯测试
XXXX
0000000
表3-274LS48的功能表
七短数码管的引脚图如图3-4所示，在使用时要注意是共阳还是共阴，其中3脚和8脚相连为公共端，因为此次设计是使用的共阴极数码管，所以在电路中接地，6脚为小数点引脚，在设计中没要求不需要对其处理。
图3-4七短数码显示管的引脚图
秒脉冲的设计
根据设计要求，电路需要产生间隔为一秒的时间脉冲，完成正确的计数功能。
所以选择NE555定时器来设计此电路。
从而产生标准的秒脉冲。
NE555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。
它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
引脚功能：
TH：
高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，——TR低电平触发端，简称低触发端，CVO：
控制电压端，OUT：
输出端。
DIS：
放电端，RES：
复位端。
工作原理见表3-3
表3-3555定时器控制功能表
输入
输出
TH
RES
OUT
DIS
L
导通
<
VCC
H
截止
>
不变
用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供脉冲，如图3-5所示。
R2、R5和C1为外接定时元件，高、低电平触发输入端项链并接到定时电容C1上，R1和R2的节点与放电端相连，电压控制端不用，通常接电容C2。
接通电源后，VCC通过R2、R5对C1充电，DIS上升。
开始时DIS<
VCC，即高电平触发端TH<
VCC，低电平触发——TR<
VCC，定时器置位，放电管截止。
随后DIS越充越高，当DIS>
VCC，高电平触发端TH>
VCC，低电平触发端——TR>
VCC，定时器复位，放电管饱和导通，C1通过R5放电，DIS下降。
当DIS<
VCC时，又回到高电平触发端TH<
VCC，定时器又置位，放电管截止，C1停止放电而重新充电。
如此反复，形成振荡波形提供脉冲。
公式：
Tw1=（R2+R5）C1Tw2=2C
振荡周期计算公式：
T=（R2+2R5）C1≈1s
图3-5
控制开关电路的设计
在本次设计中需实现计数器的暂停、复位和启动控制，为了简单，我们只需用一个开关来控制启动和复位功能。
启动复位开关和74192的11脚相连即可。
在这里，主要介绍暂停/连续开关的设计，因为555产生秒脉冲全靠给C1充放电产生，所以只需中断C1的充放电即可，所以在C1的另一端用一个开关控制接地，这就形成了暂停/连续开关。
报警电路的设计
根据设计要求，要产生光电报警，我们采用5个或门组成一个选择电路，一个发光二极管产生光亮，一个蜂鸣器发出报警。
如图3-6所示
图3-6
或门OR1的输入与高位74LS192的低两位输出端相连，OR2、OR3与低位74LS192输出端相连。
当输出端全部为低电平时OR5的输出才为低电平，此时导通发光二极管和蜂鸣器，产生光电报警信号。
整机工作原理
篮球竞赛24秒计时器主要是由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路组成。
控制电路直接控制计数器启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。
由附录1可见图中有SW1和SW2两个开关，SW1为置数，SW2为暂停。
SW1闭合，74LS192被置数，显示电路出现数字24。
完成置数后断开SW1，启动计时。
若此时秒脉冲电路的SW2为断开，则产生连续秒脉信号输入到计数器，数码管上的数字就会自动减1，闭合SW2，秒脉冲暂停，计数递减暂停，断开SW2又恢复计数递减，这就实现了暂停/连续功能。
在计数递减的同时，74LS192的8个输出端也随之产生高低电平变化来控制报警电路5个或门的高低电平的变化。
由附录1可见，5个或门的排列必须当74LS192的8个输出全为低电平时，换而言之，就是计数到零时，或门最后一个输出的才是低电平，从而触发发光二极管和蜂鸣器，产生亮光和警报声，达到了光电报警的。
第4章电路仿真
本次设计采用的是protues软件仿真，它是一种功能强大的电子设计自动化软件，提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。
其不仅可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等，而且可以仿真嵌入式系统的实验。
Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。
在编译方面，它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。
现在我们用Proteus进行仿真，仿真结果如下
1.计时预备阶段如图4-1
图4-1计时预备阶段
闭合SW1，断开SW2启动仿真软件，此时74LS192开始工作，高位74LS192输入0010，低位74LS192输入0100，通过74LS48译码，数码管显示出了24秒的字样，进入计时预备阶段。
2.计时阶段如图4-2
图4-2计时阶段
断开SW1进入计时阶段，由555产生秒脉冲，从Q端传送到低位74LS192的DN端。
个位数码管从4开始递减，当个位递减0时又通过低位74LS192的TCD端传送到高位74LS192的DN端，十位的数字减1。
如此周而复始的循环形成倒计时。
3.暂停\连续功能的实现如图4-3
图4-3暂停/连续功能实现
在计时阶段中，由SW2来控制暂停/连续,闭合SW2，555秒脉冲暂停，低位74LS192停止工作，数码管递减停止，反之又闭合SW2,555秒脉冲继续进行，低位74LS192继续工作，数码管重新开始递减，又进入计时。
4.电路报警如图4-4
图4-4电路报警
计数到零时高位和低位74LS192的八个输出端为低电平，传输到或门组成的选择电路。
因为全部为低电平所以或门的最后输出为低电平，于是LED灯、蜂鸣器导通，产生光电报警信号。
结论
本设计主要通过电路板块的思想，逐步实现设计所需达到的功能要求；
时钟模块为减计数提供一个频率为1HZ的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为1秒钟；
计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；
报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；
控制模块主要是为了实现计时器的启动、置数、暂停/连续功能，其中启动、置数由SW1开关来完成，通过SW2开关从而实现断定计时功能。
至此，本设计完成所有任务及要求。
结束语
此次毕业设计让我获益匪浅，使我尝到了将所学的知识用于实践的喜悦和成就感。
我将课本理论知识与实际应用联系起来，按照书本上的知识和老师讲授的方法，首先分析研究此次毕业设计的任务和要求，然后分析选出方案做出设计，再进一步完善设计。
在其中遇到一些不解和疑惑的问题时首先自己分析，再认真向老师询问请教，和老师一起探讨解决，最终完成了此次设计。
此设计制作的篮球竞赛24秒计时器是一个实用性设计。
设计的成功不仅为所学的专业课程打下了坚实的基础，提高了我们对分析与解决问题的能力，也在研究与电子爱好追求上做了一个很好的起步。
在这个设计中，我学到了学习理论时学不到的东西，不但锻炼我的动手能力而且巩固我们所学的理论知识，这样实践与理论相结合就可以更快而有效地掌握知识。
同时非常的感谢在设计与制作的过程中热心指导与帮助我的老师和同学们。
参考文献
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8.朱清慧、张凤蕊主编《Proteus教程》清华大学出版社2008
附录1篮球竞赛24秒计时器总电路原理图
附录2实验元器件清单
篮球竞赛34秒计时器元器件
项目代号
名称
规格
数量
备注
更改
U1、U2
译码器
74LS48
U3、U4
计时器
74LS192
U5
定时器
NE555
C1
电容
10uf
C2
R1
电阻
50
R2
20k
R3
R4
1K
R5
62K
OR1~5
或门
74LS32
D1
发光二极管
LED-RED
SW1、SW2
开关
K
BUZ
DS1、DS2
7段数码管
共阴
旧底图总号
标记
单号
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日期
底图总号
拟制
曾伟
音频双声道功率放大器设计
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