篮球三十秒 计时电路倒计时器设计报告.docx

1、篮球三十秒 计时电路倒计时器设计报告前 言随着我国科学技术的不断发展和完善，以及教育体系的不断跟新，社会用人单位对高校人才培养模式提出了更高更新的要求。复合型、创新型、实用型人才日益受到用人单位的青睐。科学实验是近代科学发展的一个重要手段。电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。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是何其重要的。而典型的应用就是篮球竞赛

2、计时。在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒限制。一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。 本设计主要能完成：显示30秒倒计时功能；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；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为30秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。 篮球三十秒计时器和篮球二十四秒计时器如出一辙，不同之处在于置数部分。方案中应用双时钟加、减同步可逆计数器74LS192来实现倒计时功

3、能,在功能选择过程中选择减计数功能,芯片管脚选择中让DOWN处于工作状态。在显示零秒亮灯报警电路中，应用组合电路及二极管发光条件来实现该功能。显示电路用CD451和共阴数码管来实现，通过控制CD4511的灭灯输入信号（BL）来实现灭灯的功能。整个电路的设计借助于EWB5.12仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在EWB5.12下设计和进行仿真，得到了预期的结果。第一章 计数器概述1.1 计时器的特点及其应用随着社会文明的进步和科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代科学门类和技术领域占有不可或缺的核心地位。在我国现代化建设的发展进程中，数字电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广

4、泛。而计时器恰恰是数字电子技术的一个重要组成部分，计时器是一个用来实现技术功能的一个时序部件，它不仅仅可以用来计脉冲个数，还常常用来做数字系统的定时、分频，执行数字运算，以及其他特定的逻辑功能等等。计时器的种类很多。按构成计时器的各触发器是否使用同一个时钟脉冲源来分，可以分为同步计时器和异步计时器；根据计时制的不同，可以分为二进制、十进制和任意进制计时器；根据计时器的增减趋势，可以分为加法、减法和可逆计时器；还有可预置数和可编程序功能计时器等等。使用者只要借助于期间手册提供的功能表和工作波形图及管脚图排列，就能正确的使用这些器件。1.2 设计任务及要求：1.2.1 基本要求： （1）具有显示3

5、0秒计时功能；（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）在直接清零时，要求数码管显示器灭灯；（4）计时器为30秒递减计时，其计时间隔为1秒； （5）计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。1.2.2 设计任务及目标：（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） 进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求； （4） 写出完整、详细的课程设计报告。1.2.3主要参考器件 NE555 74LS92 74LS48 第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成 30秒计时器的总体参考

6、方案框如图21所示，它包括秒脉冲放声器、计数器译码器显示器电路报警电路和辅助时序控制电路（简单控制电路）等五个模块组成。其中计数器和控制电路的主要模块。计数器完成30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。 图21 30秒计时器系统设计框图秒脉冲发生器产生的信号是时间脉冲和定时标准，但本设计对此信号要求并不大高，古电路采用可采用555集成电路或由TTL与门的多振荡器构成。 译码显示电路由74LS48和宫阴极七段LED显示器组成。报警电路在实验中可用发光二极管代替。2.2设计思路定时电路主要由振荡器和计数器组成。该电路设计思路如

7、下：1设计一个秒脉冲发生器，这里采用555定时器来产生这个计时脉冲。2设计30秒递减计时电路，由秒脉冲发生器控制其计数，每隔1秒钟，计数器减1。3设计译码显示电路，显示器能显示计数器的即时计数数值。4设计报警电路，当计数器递减计时到零时（即定时时间到，显示器上显示00），发出报警信号。5设计外部操作开关控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续计时。23设计方案分析设计任务，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

8、直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。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“29”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。系统设计框图如图2-1所示。如果根据实验所提供的参考器件，还可在秒脉冲发生模块上做些变化，前者产生的脉冲周期直接是1秒；如果让其产生的秒脉冲频率为10Hz，触发脉冲输出的方波周期为0.1秒，再将该脉冲信号送到由74LS161构成的十分频器，由74LS161输出的脉冲周期为1秒，再将该信号送到计数器74LS19

9、2的CP减计数脉冲端。如此就可得到两个方案，由于两方案原理相同，故本设计只采用其一所述，即直接由555多谐振荡器产生脉冲周期为1秒的脉冲。 第三章 单元模块根据设计思路和原理框图，对各个单元电路进行分析，逐次设计出各个单元电路。3.1 秒脉冲发生器555定时器内部结构图如图3.1所示。3.1.1 555定时器电路的基本原理 由3.1图可以看出，555内部结构包括两个电压比较器C1和C2，一个基本RS触发器和一个集电极开路的放电三极管TD三部分构成。VI1是比较器C1的反相输入端，也称阈值端，用TH表示。VI2是比较器C2的同相输入端，也称触发端，用TR表示。VR1和VR2是C1和C2的基准电压

10、，VCO是控制电压输入端，当VCO悬空时，VR1=2/3VCC，VR2= 1/3VCC。若VCO接固定电压时，VR1=VCO， VR2=1/2VCO 。/RD是清零端，当/RD=0时，VO=0；当/RD=1时，电路处于工作状态。555定时器的逻辑功能主要取决于比较器C1、C2的工作状态，分析如下，在无外加控制电压VCO的情况下：1、当VI1VR1，VI2VR2时，比较器输出VCl=0，VC2=1，触发器置0，使得定时器输出VO=0，同时TD导通。2、当VI1VR1，VI2VR2时，比较器输出VC1=1，VC2=0，触发器置1，使得定时器输出VO=1，同时TD截止。3、当VI1VR2时，比较器输

11、出VCl=1，VC2=1，触发器维持原状态不变。根据以上分析，可得到555集成定时器功能状态表，如表3.1所示。表3.1 555定时器控制功能表输 入输 出THVODisVCCVCCVCCLHHHLH不变L导通截止不变导通 为了提高电路的负载能力，在输出端接缓冲器G4。TD与/R接成的反相输出端VO与VO在高、低电平状态上完全相同。3.1.2 秒脉冲发生器电路设计555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路， 可产生各种脉冲,为了给计数器74LS192提供一个时序脉冲信号,使其进行减计数,本设计采用555构成的多谐振荡电路(即脉冲产生电路),其基本电路如图3.3示.其中5

12、55管脚图如上图3.2示.由555工作特性和其输出周期计算公式可知,其产生的脉冲周期为: T=0.7(R1+2R2)C 。 因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取15k欧姆,R2取65k欧姆,电容取C为10uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲,且其输出周期为1秒.图3.3 555多谐振荡电路图3.28421BCD码递减计数器模块计数器选用中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是十进制可编程同步加/减计数器，它采用8421码二一十进制编码，并具有直接清零、置数、加/减计数功能。74LS192的功能表如表3.2所示。表3.2 74LS192功能表输 入输 出CR LD CPU

13、 CPD D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q31 X X X X X X X0 0 X X I0 I1I2 I30 1 1 X X X X0 1 1 X X X X0 1 1 1 X X X X0 0 0 0I0 I1 I2 I3加计数减计数保持3.2.1 74LS192的工作原理当/LD= 1，CR=0时，若时钟脉冲加入到CPu端，且CPd=l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，/CO端发出进位下跳变脉冲；若时钟脉冲加入到端CPd，且CPu=1，则计数器在预置数基础上完成减计数功能，当计数减到0时，/BO端发出借位跳变脉冲。由74LS192构成的三十进制递减计数器

14、如图3.4所示。图3.4 三十进制递减计数器图中CPU、CPD分别是加计数、减计数的时钟脉冲输入端（上升沿有效）。/LD是异步并行置数控制端（低电平有效）。/CO、/BO分别是进位、借位输出端（低电平有效）。CR是异步清零端，D3D0是并行数据输入端，Q3Q0是输出端。3.2.2 计数器单元电路74LS192的计数原理是：只有当借位/BO1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，且CPd为0时，置数/LD2端等于0，计数器完成并行置数，在CPd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。计数器单元电路如图3.5所示。3.5 计数器单元电路该电路图上的两个74

15、192的输出端分别接译码器7447的ABCD端作为译码输入，计数器预置数为30，但计数器减为00时，高位的计数器/BO端输出报警信号报警电路报警。3.3 译码显示电路 此模块主要是由74LS48译码器和共阴极七段LED显示器组成，通过计数器加到译码器，从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数显示功能。3.3.1 74LS48七段显示译码器其管脚图如下图3.6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

16、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。如数据0034.50可显示为34.5；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RBOBI/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。 图3.6 74LS48管脚图74LS48功能表：输 入输 出显 示 字 型LT RBI BI/RBO D C B Ag f e d c b a0 X 1 X X X X1 01

17、 0 0 0 0X X0 X X X X1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 08灭灭1 11 0 0 0 0 1X1 0 0 0 11 X10 0 1 01X 1 0 0 1 11X 1 0 1 0 01 X10 1 0 11X1 0 1 1 01X10 1 1 11X1 1 0 0 01X 1 1 0 0 10 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 01 0 1 1 0 1 11 0 0 1 1 1 11 1 0 1 1 0 11 1 0 1 1 0 11 1 1 1 1 0 00 0 0 0 1 1 11 1 1 1 1 1 11 1 0 0

18、 1 1 101234567891 X11 0 1 01 X 11 1 1 11 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0无效输出3.4 辅助控制电路为了保证系统的设计要求 , 在设计控制电路时 , 应正确处理各个信号之间的时序关系。从系统的设计要求可知 , 控制电路要完成以下四项功能 : 操作“清零”开关，要求计数器清零；闭合启动，减计时器进入计数状态。闭合 “启动” 开关时 , 计数器应完成置数功能 , 显示器显示 30 秒字样 ; 断开“启动”开关时 , 计数器开始进行递减计数。 当 “暂停 / 连续”开关处于 “暂停”位置时 ,控制电路封锁时钟脉冲信号 CP , 计数器暂停计数

19、 , 显示器上保持原来的数不“暂停 / 连续” 开关处于“连续”位置时 , 计数器继续累计计数。 当计数器递减计数到零 ( 即定时时间到 ) 时 , 控制电路应发出报警信号 , 使计数器保持零状态不变 , 同时报警电路工作。3.4.1 报警电路报警电路用二极管设计。报警电路如图3.8所示。图3.8 报警电路 当计数到零时,两计数器借位端输出多为低（0）,故本设计将高位片借位反馈到二极管负极性端,此时+5V电源经1k电阻使发光二极管发出光电报警信号,完成报警功能,而在递减计数时,端输出为高（1）,二极管不报警.3.4.2 暂停/连续电路（时钟信号控制电路）暂停/连续电路如图3.9所示。 图 3.

20、9 暂停/工作电路（时钟信号控制电路）同时应注意的是，如图可以知道两个与非门构成的基本RS触发器，构成去抖动电路，防止产生机械开关的毛刺现象，并控制输入信号的输入从而达到，暂停计时和继续计时。控制电路中SR锁存器功能表：SRQQ锁存器状态00不变不变不确定01010101011100 保持 接 74LS192 的预置数控制端, 当开关 合上时 , =0,74LS192 进行置数 ; 当 断开时, =1,74LS192 处于计数工作状态 , 从而实现功能的要求，当然本设计只要将启动信号直接加到置数端。图3.9是时钟脉冲信号 CP 的控制电路 ,控制 CP 的放行与禁止。当定时时间未到时 ,74L

21、S192 的借位输出信号路 , =1, 则 CP 信号受 “暂停 / 连 续” 开关的控制 , 当处于“暂停” 位置时 ,门 输出 0, 门 关闭 , 封锁 CP 信号 , 计数器暂停计数 ; 当 处于 “连续”位置时 , 门 输出 1, 门 打开 , 放行 CP 信号 , 计数器在 CP 作用下 , 继续累计计数。 当定时时间到时 =0, 门 G2 关闭, 封锁 CP 信号, 计数器保持零状态不变。从而实现了功能、的要求。注意 ,是脉冲信号 , 只有在 保持为低电平时,输出的低电平才能保持不变。至于功能的要求, 可通过控制 74LS192 的异步清零端CR 实现 ( 图中未画出 ) 。3.4

22、.3置数/工作电路由于置数为“29”，所以要将高、低电平加在两片74LS192组成的30进制计数器的输入端D、C、B、A的相应端。第一片74LS192的C端接高电平，DBA端接低电平；第二片74LS192的AD端接高电平；BC端接低电平；两片74LS192的/LOAD端均接高电平。当开关闭合时，计数器置数，数码管显示“29”字样；当开关断开时，计数器开始进行计数。3.4.4清零/工作电路 清零/工作电路由单刀双掷开关与电阻组成。当开关打到清零端，即接高电平时，输出高电平至74192的CLR端，计数器清零；当开关打到工作端，即接地，输出低电平至74192的CLR端，清零端无效，计数器处在工作状态

23、。3.5 总电路图注：此处用数码管代替了译码显示管与七段显示管第四章 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、先装耐焊的等；2. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；3. 最好分模块安装等等。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。在期间出现过如下故障及改进：故障一：通电后导线发热并冒烟分析

24、：该故障比较严重要及时断电防止烧坏芯片与元件，最有可能是出现短路，重点检查接地是否良好，加的是否错接高电压。故障二：芯片不能正常工作分析：1芯片本身就是坏的；2未给芯片通电，接电源和接地处的导线出现断路； 3芯片未插好，在安装芯片过程中将管脚折断或扭曲；4接线错误，如将输入端和输出端接反故障三: 数码管灯不亮分析：1数码管原本就是坏的；2通电情况不好，电源未接通，接地未接好； 3接线错误，接线过程中出现短路、断路故障四：数码管能显示但输入脉冲后不能倒计时分析：1连接脉冲输入的导线出现断路；2脉冲未接在芯片74192的4号管脚；3芯片74192的5号管脚未接高电平、11号管脚的连线未接好故障五：

25、数码管能正常工作但出现乱跳现象分析:1芯片74192输出端Q0Q1Q2Q3未接好，导线接触不良;2重点检查芯片74192的4号、5号、11号、13号管脚的连线是否正确；3芯片74LS04的管脚是否连接正确故障六：不能正常进位和借位分析：1没给进位/借位信号；2连接在74192和74160的输入端的连线接触不良4.3安装步骤：a. 将各种芯片领来以后，进行测试。测试每一块芯片是否是好的；b.将面包板安装到调试箱上，固定好，并测试各点是否接触好；c.将调试箱的电源接通，对导线进行测试，将好的导线 挑选出来备用，导线测试好以后，切断调试箱的电源；d.将测试过的芯片按照合理的布局安装到面包板上；e.按

26、照已经设计并仿真出来的设计图进行按模块接线，每接好一个模块就要进行调试，调试结果正确后在接下一个模块；f.把线全部接好以后，将调试箱的电源接通，调试看结果是否和顺序控制器的功能相同，如相同则能正常工作。如不相同，看哪个模块有问题，再对其进行接线，再调试。4.4调试步骤：a.检查是否有导线接错或接触不良和相互影响；b.检查芯片是否接触良好；c.不断重复以上两步直到显示器正确显示。 第五章 故障分析与电路改进故 障 一：显示器不工作，显示为0，不能进行递加置数，也不能递减。故障分析：出现这种情况的原因，原因就是芯片安装不到位，进位端BO到另外一个计数器芯片的脉冲输入端DOWN的连接线接触不良。 电

27、路改进：将芯片安装到位，将导线接牢。故 障 二：一触摸面包板上的局部的接线，数字显示管显示不稳定。故障分析：某根导线的接触不良，或者导线因插拔太多，造成引脚处松动。电路改进：查出具体的导线，把线固定好。 故 障 三：倒计时器计数错误。 故障分析：置数模块线路接触不良，被置数的192芯片没有收到置数信号。电路改进：根据仿真图排查错误根源，一个一个排查导线和插槽第六章 总结与设计调试体会光阴似箭，时光如梭，转眼间，为期两周的实习就要告一段落。尽管中途碰上了中秋与国庆假期，途中碰见了一些问题，不过通过大家的共同努力，牺牲了一些休息时间，我们的课题也算是基本完成。在此期间，虽然设计与连线的时候感觉有点

28、累，但当看到自己设计的原理图能顺利通过仿真而且正确之后那种心情是不能用言语所表达的。特别是在试验箱里每每排出故障的那种心情更是愉悦，令人遗憾的是最开始没引起重视，以为这个简单，到后来遇到很多的问题才发现自己错了，导致后面时间很紧，故障没有完全解决。拿到自己的任务，通过老师的引导、讲解与提示。下来之后通过思考、商量与摸索，我们确定了用四个大模块（秒脉冲发生器、递减计数模块、译码显示电路、辅助控制电路）来组合整个系统的思路。有了这个总体思想，就开始设计单元电路，首先遇到的就是器件选择问题，通过查阅资料和请教老师与同学，把元器件给领了回来，通过老师的提醒，而且还多领了一两个，结果证明老师的话是对的，

29、有些器件是坏的，本身就不能用。再后来就是在ewb上作图的问题，由于软件不熟和全英文，给我们造成了不小的麻烦，后来通过老师发的软件介绍、查阅资料和自己的实践，最终还是被我弄懂了。在给老师看我们仿真时，老师又给我们指出了一个看似很不打眼的严重问题，那就是篮球三十秒计数器一共三十秒，应该从二十九到零，而我们恰恰是从三十开始计的，共三十一秒。严重违背了课题定义，幸好老师及时提醒。最后通过改变输入的高地电平，才得以正确，通过了老师的检验。原理图设计好之后，接下来就是过后就是接线与调式部分了，这是更考人耐性的时候，刚开始我们是按照图上所画，一次性接好，因为我还是比较相信自己的细心程度的，总相信自己能一次性成功。但天不随人愿，结果却没有我想象的那么美好，第一次没有成功（老师说没脉冲信号，所以根本不跳动）。然后再一次次的复查，也没有查出毛病，最后想起了老师的教诲，一块一块的接，然后又把我们的接线再另一块板子上试验，结果就有了脉冲信号，在最后的关头才知道了自己的板子才是这个主要的问题，但后来经老师的帮助，度过了这一难关。