24秒倒计时器的设计课程设计.docx
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24秒倒计时器的设计课程设计
目录
一、计时器概述1
1、计时器的特点及应用1
2、设计任务及要求1
二、电路设计原理及单元模块1
1、设计原理1
2、设计方案2
3、单元模块3
3.1、所用各个芯片功能3
3.2、各单元电路7
四、安装与调试11
1、电路的安装11
2、电路的调试12
五、结论与心得12
六、参考文献13
1、总电路图14
2、元件清单14
3、实物15
24秒倒计时器的设计和制作
一、计时器概述
1、计时器的特点及应用
在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会的应用是相当普遍的。
在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就违例了。
本课程设计“智能篮球比赛倒计时器的设计”，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，它自动的报警从而判定此球员的违例。
2、设计任务及要求
设计一个24秒倒计时器，具体功能要求如下：
1、用小规模集成电路设计24秒倒计时电路；
2、用555定时器产生1Hz的标准脉冲信号；
3、当计时器显示00，同时报警；
4、计时器应具有清零、启动、暂停/继续计时等控制功能。
二、电路设计原理及单元模块
1、设计原理
24秒计时器的总体参考方案框图如图1所示。
它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路（简称控制电路）等五个模块组成。
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、定时时间到报警等功能。
秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，但本设计对此信号要求并不太高，故电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡器构成。
译码显示电路由74LS48和共阴极七段LED显示器组成。
报警电路在实验中可用发光二极管和鸣蜂器代替。
主体电路：
24秒倒计时。
24秒计数芯片的置数端清零端共用一个开关，比赛开始后，24秒的置数端无效，24秒的倒数计时器的倒数计时器开始进行倒计时，逐秒倒计到零。
选取“00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号，让该信号与时钟脉冲信号通过一个与门将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。
2、设计方案
图1、电路框图
总体电路说明：
倒计时功能主要是利用192计数芯片来实现，同时利用反馈和置数实现进制的转换，以适合分和秒的不同需要。
由于该系统特殊的需要，到计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并发出蜂鸣警报。
3、单元模块
3.1、所用各个芯片功能
3.1.1、555定时器
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图如右图所示。
图2、555定时器内部结构
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
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，使输出为低电平。
表6—1555定时器的功能表
清零端
高触发端TH
低触发端TR
Q
放电管T
功能
0
×
×
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
1
截止
置1
1
0
0
1
截止
置1
1
1
1
0
导通
清零
表1555定时器的功能表
3.1.2、74LS48
7448是7段显示译码器,输出高电平有效的译码器。
工作电压为5V，用于驱动共阴极数码管，7448除了有实现8段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。
功能或数字输入输出显示字形
abcdefg
灭灯××××××00000000灭灯
试灯0×××××111111118
动态灭灯10000000000000灭灯
0110000111111100
11×0001101100001
21×0010111011012
31×0011111110013
41×0100101100114
51×0101110110115
61×0110100111116
71×0111111100007
81×1000111111118
91×1001111110119
101×101010001101无效输出
111×101110011001
121×110010100011
131×110111001011
141×111110001111
151×111110000000
表2、74LS48功能表
3.1.3、74LS192
74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数
等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：
图中：
为置数端，
为加计数端，
为减计数端，
为非同步进位输出端，
为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，
为
清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。
其功能表如下：
操作
×
×
×
1
清零
×
×
0
0
置数
↑
1
1
0
加计数
1
↑
1
0
减计数
1
1
1
0
保持
3.1.4、数码管
数码管也称LED数码管，晶美、光电、不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。
数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，也就是多一个小数点（DP）这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个（8）可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管。
按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
LED数码管引脚定义
3.2、各单元电路
3.2.1、秒脉冲发生电路
秒脉冲的产生由555定时器所组成的多谐振荡电路完成。
电路图如下图所示。
当开关断开时，两电阻阻值设置为20K与62K，使得555定时器产生周期为1s的脉冲；当开关闭合时，电路不能输出信号，于是没有脉冲输入74LS192中，故74LS192在保持状态，即实现暂停功能。
3.2.2、倒计时电路
24秒倒计时电路。
这部分电路的主体部分在时钟脉冲的输入情况下工作，下面进行具体分析。
计数器的倒计时功能。
用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，将低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲，同时将外界时钟脉冲信号输入到个位（低位）的down端，实现电路的倒计时功能。
将两片芯片的置数输入端分别置为“2”与“4”，当控制电路给予两芯片置数端低电平（有效电平）时，能使其置为“24”。
同时将清零端接地。
下图为倒计时电路的具体电路
3.2.3、控制电路
停止：
我采用十位（高位）的借位输出端作为停止电路的信号，当数码管显示为“00”，即十位（高位）输出均为低电平时，此时其借位输出由高电平变为低电平，将其与秒脉冲信号发生电路的输出端通过一个与逻辑，再通到个位（低位）的down端，此方法截断了秒脉冲信号，实现了停在“00”的功能。
另外，当计数器正常计数时，十位（高位）借位输出端始终保持高电平，当其与秒脉冲信号发生电路的输出端通过一个与逻辑，再通到个位（低位）的down端，并不影响秒脉冲的输入。
置数：
利用一个开关，及一个与非门，与非门一端接高电平，另一端通过一个1k电阻再接高电平，同时接开关一段，开关另一端接地。
与非门输出端与两块74LS192的置数端LOAD相连。
如图当开关J2断开时，置数端为“1”，置数端无效，能正常计数，当开关J2闭合时，置数端为“0”，置数端有效，能置为“24”。
3.2.4、报警电路
当电路显示为“00”时，利用十位（高位）的借位输出端为“0”实现发光二极管及蜂鸣器的工作，同时，由于蜂鸣器的导通电压有些大，不能与发光二极管并联，因此通过一个与非门与其相连。
如图
3.3、总电路图
由555定时器输出秒脉冲与十位（高位）的借位输出端经过一个与逻辑输入到计数器U3的down端，作为减计数脉冲。
当计数器计数计到0时，U3的（13）脚输出借位脉冲使十位计数器U2开始计数。
当计数器计数到“00”时，U2的（13）脚输出借位脉冲输出一个低电平，与555定时器输出秒脉冲通过一个与门，从而截断秒脉冲，使其停在“00”，同时，报警电路工作，发光二极管亮，蜂鸣器响。
当J2断开时，U2、U3置数端有效，实现复位功能，再将J2闭合时，U2、U3置数端无效，开始正常计数。
在计数过程中，J1闭合时，使555定时器放电端接地，其输出端无脉冲输入，从而实现暂停功能，当J1断开时，又开始正常计数。
此外，可连上一个电源总开关，实现电源通断。
3、仿真过程与仿真结果
利用Mustisim电路仿真软件，连好电路，进行仿真。
仿真结果符合实验要求。
四、安装与调试
1、电路的安装
按照万能板的规格，设定好各集成芯片的排放位置、测试各芯片是否与面板接触良好。
用异步可逆双时钟BCD计数器74LS192及相关门实现定时倒计时电路。
当检测出问题后分析其原因，是元器件本身原因还是接线错误，更换元件或重新正确接线，保证电路的正确运行。
2、电路的调试
我在连接电路时，采用部分单元电路检测的方法，在逐步连接，先检测秒脉冲信号发生电路是否能正常输出1s脉冲，再连接检测倒计时电路是否正常计数，最后连上控制电路与报警电路。
在连上报警电路时，由于仿真结果与实际上会有一些出入，从而导致不能实现电路正常工作。
即当蜂鸣器与发光二极管和电阻并联时，电路不能停止在“00”时刻，而在仿真中却是可行的。
在实际中拿掉蜂鸣器后却是可行的，于是估计是由于蜂鸣器工作后，使其两端电压十分接近，以至于不能区分高低电平，于是，我在蜂鸣器支路上也串联一个330欧姆的电阻，此时，电路能停在“00”时刻，可蜂鸣器不工作，估计是加上电阻后达不到蜂鸣器的工作电压。
最后，我另加一个与非门将蜂鸣器独立出来，此时电路能实现功能。
五、结论与心得
课程设计是一个很好的学习平台，在本次电子技术课程设计中，能够利用所学的知识设计一个实际有用的电子实物，十分具有意义，能够做到学以致用，将理论与实践结合起来，很好的提升了自我能力。
在整个过程中，基本掌握了电路仿真软件Multisim的使用，能够在该软件上设计一些常用的电路。
2、学会了查阅芯片手册，掌握一些常用芯片的功能，
3、对排版、焊接技术有了新的见解，我的排版、焊接技术有了新的提高。
4、提高了自己的动手能力与实践。
5、在设计过程中，有效的运用所学知识，认真思考以及通过查阅，讨论，
请教老师等方式解决了一个个问题，
6、在检测电路的过程中，学到了不少东西，能够把握住一些常见的故障并做修改。
7、通过同学之间的相互交流，讨论，能够学到很多。
六、参考文献
[1]康华光.电子技术基础数字部分.北京：
高等教育出版社，2006
[2]阎石.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2006
[3]程勇.实例讲解Multisim10电路仿真.北京：
人民邮电出版社，2010
[4]陆应华.电子系统设计教程.北京：
国防工业出版社，2005
[5]李忠波等.电子技术仿真与实践.北京：
机械工业出版社，2004
七、附件
1、总电路图
2、元件清单
NE555
1个
电容10uF
1个
74LS48
2个
固定电阻
14个
74LS192
2个
固定电阻1k
14个
74LS00
1个
开关
3个
可调电阻62K
1个
蜂鸣器
1个
固定电阻20K
1个
发光二极管
1个
电容0.1uF
1个
LED数码显示管
2个
万能板一块、芯片底座五个及一段导线
3、实物
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