电力电子课设.docx
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电力电子课设
编号：
电子技术课程设计
报告书
课题：
具有数字显示的篮球
竞赛30s计时器
院（系）：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
陈荣
学号：
0800120209
指导教师：
黄知超
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2011年1月9日
前言
本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，要求设计一个篮球竞赛30S进攻时间限制计时器。
此计时器功能齐全，工作时间可在1～30S内任意设定，是递减计时器，间隔为1S。
能用LED数码管显示剩余工作时间，还能显示到1/10秒。
即当计时开始时显示出所设定的总时间，每当计时10个1/10S，显示器的数字立即减1。
减1计时到7S时，发出三声低音预告信号。
减1计时到零时（工作时间到），发出三声高声，并自动停止计时。
此外，还具有暂停/继续工作、清零复位和启动计时功能。
本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的应用价值。
此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下4个组成，即秒脉冲发生器、计数电路模块、控制电路模块、以及报警电路模块。
本设计在原有的数字电路的基础上，通过查阅图书馆和互联网络的资料，初步确定主体电路，然后用仿真软件protues边仿真边设计电路，把其他功能补全，优化电路。
仿真电路完全成功后用PROTEL99SE根据仿真成功的电路图做电气图和PCB。
PCB图完成后打印、腐蚀、钻孔，最后安装和调试成功。
目录
前 言2
1设计要求4
1.1性能指标要求4
1.2总体方框图4
2电路设计原理与仿真分析5
2.1时钟脉冲电路原理5
2.2计数电路6
2.3控制电路7
2.4报警电路8
3仿真与分析12
3.1整机电路设计与开关设置12
3.2仿真流程12
3.3仿真结果12
4电路的安装与调试14
4.1电路的安装13
4.2电路的调试13
5结束语14
谢辞15
参考文献15
附录16
1设计要求
1.1性能指标要求：
（1）工作时间可在1—30S内任意设定。
（2）30S计时器是递减计时器，间隔为1S。
能用LED数码管显示剩余工作时间，还能显示到1/10秒。
即当计时开始时显示出所设定的总时间，每当计时10个1/10S，显示器的数字立即减1。
（3）减1计时到7S时，发出三声低音预告信号。
（4）减1计时到零时（工作时间到），发出三声高声，并自动停止计时。
（5）具有暂停/继续工作、清零复位和启动计时功能。
1.2 总体方框图
电路原理框架图
图
（1）原理框图
通过外部控制开关可以实现设计所要求的暂停/继续、清零、复位和启动等功能。
2电路设计原理与仿真分析
2.1时钟脉冲电路原理
用ＮＥ555组成多谐振荡电路为系统提供周期为0.1s的脉冲信号。
用555实现多谐振荡，需要外接电阻R1，R2和电容C1，C2。
据所用电阻R1=470K,R2=470K，C2＝0.1uF而需要的频率为10HZ，根据公式
T1=0.7*C1*（R1＋R2）
T2=0.7*C1*R2
T1+T2=0.1
算出C1应取10uF。
并外接+5V的直流电源。
只需在+Ucc端接上+5V的电源，就能在3脚产生周期性的方波。
仿真电路图
2.2计数电路
计数与译码显示电路选用三片中规模集成电路74LS192和74LS48进行设计，两片74LS192构成可预置数的三十进制递减计数器，计数器十位接成三进制，计数器个位接成十进制，置数端A、B、C、D通过开关接低电平，若接高电平可进行其他置数；1片74LS192构成0.1s减计数电路。
74LS192的计数原理是：
使加计数脉冲信号引脚CPU=l，计数脉冲加入0.1s74LS192引脚CPD脚，当减计数到零时，0.1s74LS192的TCd端发出借位脉冲，使个位计数器减计数；当个位计数器减计数至零时，个位74LS192的TCd端发出借位脉冲，使十位计数器减计数，当高、低位计数器处于全零时，CPd（DN）为0，使置数PL端=0，计数器完成并进行重新置数。
在0.1s74LS192CPd（DN）端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下一循环减计数，计数信号经译码后送数码管显示，电路图如图2-7所示。
图2-7计数译码显示电路
2.2.274LS192芯片简介
74LS192为可预置的十进制同步加/减计数器（双时钟），其清除端是异步的。
当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能；预置是异步的，当置入控制端（PL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（P0～P3）相一致的状态；计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。
在CPD、CPU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。
当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。
当计数上溢出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。
当把TCD和TCU分别连接后一级的CPD、CPU，即可进行级联。
其引脚图如图2-3所示。
图2-374LS192芯片功能引脚图
2.3控制电路
控制电路是30s倒计时设计的核心，电路如图2-8（a）（b）（c）所示。
图（a）中，用2个与非门组成基本RS触发器，开关SW1控制计数器的置数，当SW1闭合时，触发器置低电平，送至74LS192的PL端和UP端，计数器的PL=0，计数器预置数，反之，计数器启动处于计数工作状态；图（b）开关SW2控制计数器的暂停／计数。
当SW2为“1”时（下合），触发器输出低电平，与十位74LS192的13脚TCD端输出的高电平和555定时器输出的时钟脉冲一起通过三与门，使得三与门输出低电平，送至0.1s74LS192的4脚DN端，令计数器停止工作，显示器上保持原来的数不变；当SW2为“0”时（上合），74LS11门电路打开，脉冲信号送入计数器的减脉冲输入端，计数器继续累计计数；图（c）中，开关SW3控制计数器清零，SW3=“1”（上合）时，接高电平输出送至74LS192集成电路MR端，计数器清零，反之，正常计数。
（a）置数/工作电路
（b）暂停/继续工作电路
（c）清零/工作电路
图2-8控制电路图
2.4报警电路
低音预告信号电路，采用555的脉冲发生器，并与74LS04送来的高电平相与后，经74163三与门输出跳变信号，促使蜂呜器发出三声低音。
高音告警的电路原理与低音相同，低音告警电路图2-9所示。
图2-9低音预告信号电路
74LS48芯片简介
74LS48是七段显示译码器，其管脚图如下图2-4所示。
现将各管脚功能介绍一下：
A、B、C、D是BCD码的输入端；
a,b,c,d,e,f,g是输出端；
试灯输入端
：
低电平有效。
当
＝0时，
数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。
本输入端用于测试数码管的好坏；
动态灭零输入端
：
低电平有效。
当
＝1、
＝0、且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。
本输入端用于消隐无效的0。
灭灯输入/动态灭零输出端
：
这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。
当
作为输入使用，且
＝0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。
当
作为输出使用时，受控于
和
：
当
＝1且
＝0时，
＝0；其它情况下
＝1。
本端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。
本设计将
、
、
都置高电平。
图2-474LS48芯片功能引脚图
74LS163芯片简介
74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图如图2-5所示。
/CR:
清零端，低电平有效，其为异步清零，即该输入为低电平时，无论当时的时钟状态及其他输入状态如何，其输出端全变为零，即Q3Q2Q1Q0=0000;/LD：
置数端，低电平有效，其同步置数，即使该输入为低电平，其输入的状态并不反映到输出端，而是等到CP上升沿时输出才发生变化；Q3Q2Q1Q0:
计数器的输出端，其中Q3为最高位，Q0为最低位；D3D2D1D0:
计数器预置输入，通过置端可将其输入状态反映在输入端；Co：
进位输出，当计数计满一个周期其输出一个高电平；CP:
时钟输入端，其为上升沿效；CTP,CTT:
为两个功能扩展使能端，可能合理设置这两个输入端的状态，实现各种计数器功能的扩展。
图2-574LS163芯片功能引脚图
共阴极七段LED显示器简介
共阴极七段LED显示器是较常用的显示数码管，但在使用时要注意的是：
看清楚自己用的数码管是共阴极还是共阳极的，最好在使用前用万电用表测一下它的极性，其管脚图如下图2-6所示，如果为共阴极的，其管脚COM端接地；如果为共阳极的，起管脚COM段要接高电平。
图2-6共阴极七段LED显示器管脚图
设计方案
本实验的核心部分是要设计一个30s计数器，并且对计数结果进行实时显示，同时要实现设计任务中提到的各种控制要求，因此该系统包括秒脉冲发生器、计数器、控制电路和报警电路等4个部分构成。
其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。
计数器完成30s计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停、连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。
为了满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。
在操作直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器显示零。
当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；当暂停、连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停、连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。
3仿真与分析
3.1整机电路设计与开关设置
根据设计思路，利用Proteus绘制原理图如图2-10所示。
图2-10整机电路图
3.2仿真流程
本设计的仿真主要包括脉冲信号的仿真、控制电路仿真、报警电路仿真及整体电路仿真。
脉冲信号仿真可用来检查555线路连接是否良好，555定时器构成的多谐振荡器是否起振。
在Proteus软件工作界面里，点击仿真开关。
整体电路仿真流程图如图2-11所示。
图2-11仿真流程图
3.3仿真结果
在Proteus软件ISIS电路图中，点击左下角仿真开关。
此时计数器不工作，数码管显示“00”；点击SW1开关，可对计数器预先置数，置数时点击十位置数切换开关SW4、SW5及个位置数切换开关SW6～SW9可进行39～00之间的任意值置数，这里预置数为30；再次点击SW1按钮开关，则计数器便开始实现30s倒计时，此时若按下SW2清零或SW3暂停开关，计数器将清零或暂停，清零后需重按SW1预置数后重新计数，暂停后按下SW3,计数器继续计数。
当计数器倒计时到7s时发出一声低音告警；当计数器倒计时到0时，发出高音告警及光电报警，可借助计算机外部扬声器可听取“嘟～嘟～嘟”的报警声，直至点击SW10，停止告警，数码显示000，进入下一个循环；图2-12所示为在Proteus界面截取的仿真图。
图2-12“篮球竞赛30s”的整体仿真电路图
基于Proteus设计的“篮球竞赛30s”计时器，仿真时计数器在计数过程中，功能相当稳定，不会出现乱码或不显示的现象，且显示清晰，并能听到清脆的告警声音。
4电路的安装与调试
4.1电路的安装
电路安装要注意几个原则：
（1）先装矮后装高、先装小后装大；
（2）布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边；
（3）最好分模块安装等等。
此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久。
4.2电路的调试
调试时应小心谨慎，电路安装完毕后，首先应检查电路各部分的接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路，器件有无接错。
再接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。
如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。
接上电源后，数码管正常显示，发现记数时发光二极管不停的闪烁而到记到7秒的时候却暗下来，分析认为信号没控制好。
按图索骥，从发光二极管开始往回查，最后发现7秒的反馈信号漏接了一个反相器。
后来，发现零秒时刻蜂鸣器并不响，初步认为专用来报警的161不能正常工作。
测试161的每个管脚电平，发现预置端LOAD｀没始终为零，致使161在零时刻不能计数。
问题发现后，沿着反馈线路检查发现借位输出端的与非门少了一根跳线。
那跳线在做PCB图时忘了加上焊盘导致漏焊。
5结束语
经过本次课程设计，我了解了从电路设计到实物安装调试的整个过程，加深了对数电知识的掌握，学会了如何用Proteus和PROTEL实现电路的设计及制作。
在设计及制作过程中，发现了许多错误，体会到了理论与实际的差距，懂得了如何使用理论引导实际。
学会了与同伴的合作设计，让我体会到设计电路艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。
在本次课程设计中，激发了我们的积极性，提高了我们的设计和动手能力。
同时让我们知道团队的合作精神.
谢辞
首先感谢学院提供这么一个平台，让我们享受电子制造的乐趣，其次，感谢在课设制作过程中辅导过我们的黄知超老师以及帮助过我们的同学，在电路的安装与调试的过程中，得到了大家的帮助，。
最后祝愿老师们在新的一年了工作顺利、心情快乐。
参考文献
[1].姚福安.电子电路设计与实践.山东科学技术出版社
[2].毕满清.电子技术实验与课程设计.机械工业出版社•2006年
[3].陈明义.电子技术课程设计实用教程.中南大学出版社
[4].《中国集成电路大全》编写委员会.中国集成电路大全TTL集成电路
附录
元器件清单
元件名称
型号
数量
555
1
共阴数码管
3
74LS192
3
74LS48
3
按键
1
开关
单刀单掷开关
1
单刀双掷开关
2
74LS10
1
74LS00
2
74LS02
1
74LS04
3
74163
2
LED
1
CAP
0.1UF
1
0.01UF
1
电阻
5.1K
2
1K
4
470K
2
蜂鸣器
1
LED
发光二级管
1
附图：
电路原理图：
生成的pcb图：
分为2个模块制作。
555脉冲和控制模块：
显示模块：
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