电工电子综合课程设计-篮球24秒计时器课程设计.doc

学 号： 0121111360524课 程 设 计题 目篮球比赛24秒计时器设计 学 院自动化学院专 业自动化专业班 级ZY1102班姓 名指导教师2013年07月01日 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化zy1102 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 篮球比赛24秒计时器设计 初始条件：1 运用所学的模拟电路和数字电路等知识；2 用到的元件：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片或微处理器等。要求完成的主要任务: 1 电路具有时间显示功能；2 要求电路为24秒递减计时，每隔1秒钟，计时器减1；3 要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能；4 当计时器倒计时为零时，即定时时间倒，显示为零，同时发出声光报警信号。5 严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。时间安排：第1天 下达课程设计任务书，根据任务书查找资料；第24天 进行方案论证，软件模拟仿真并确定设计方案； 第5天 提交电路图，经审查后领取元器件；第68天 组装电路并调试，检查错误并提出问题；第911天 结果分析整理，撰写课程设计报告，验收调试结果；第1214天 补充完成课程设计报告和答辩。指导教师签名： 2013年 6月23日系主任（或责任教师）签名： 2013年 6月23日武汉理工大学电工电子综合课程设计引言 伴随着高科技日新月异的今天，社会对当今大学生的独立设计、创新以及实践能力也越来越重视。可以毫不夸张的说，设计、创新实践能力必将成为决定大学生未来发展的一个重要指标。而电工电子课程设计作为电子技术学习中非常重要的一个环节，则恰好给我们提供了这么一个自由探索的平台，对于提高大学生独立设计创新以及实践相关方面的能力更是有着莫大的帮助。作为一名专攻自动化的学生，数、模电在专业领域里占据着不可或缺的一席之地。学好数、模电无疑是给未来积累了一笔可观的财富。生活中我们会运用相关课程知识来解决许许多多的实际问题。其中计数器就是数电领域最常用的的工具。定时报警器、倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机等等都要借助计数器来实现完成。 本次课程设计为“篮球比赛24秒计时器设计”，此次设计成果主要可解决篮球比赛中，进攻方与防守方之间的时间控制问题。球员犯规、进攻24秒违例、在规定进攻时间内完成了进攻等都需要对时间进行控制。只有设计出符合实际的篮球比赛的24秒计时器，才能使设计成果有效的应用到相关领域。本次设计应满足以下功能：电路具有时间显示功能；要求电路为24秒递减计时，每隔1秒钟，计时器减1；要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能；当计时器倒计时为零时，即定时时间倒，显示为零，同时发出声光报警信号。 整个电路的设计结合了数字电路和模拟电路的相关理论知识设计出合理的理论方案图，并在proteus软件下下完成设计和进行仿真，成功达到了设计的预期功能。在实物连线的过程中，也克服了实际调试电路过程中遇到的问题，验证了实验方案的可行性。 目 录引言 1 设计任务及要求11.1 设计任务11.2 设计要求12 方案设计22.1 设计思路22.2 方案设计32.2.1个人设计原理电路图及优化电路32.2.2小组设计原理电路图52.3 方案比较63 部分电路设计7 3.1 计数器73.2 译码及显示电路单元83.3 脉冲输出电路103.4 开关控制电路说明113.5 报警电路124 调试与检测 134.1 调试中故障及解决办法 134.2 调试与运行结果.145 仿真操作步骤及使用说明 15结束语17参考文献18附录 电路图19本科生课程设计成绩评定表1 设计任务与要求1.1 设计任务运用所给的元器件，结合数字电路和模拟电路的相关理论知识，设计出一个篮球比赛24秒倒计时器的电路，要求此电路能完成一次篮球进攻的24秒倒计时功能，当计时结束应保持为清零状态。另外，此倒计时器还需能够手动复位、直接清零、启动计数、暂停/继续计数、计数定零时的的声光报警等功能。 所给的元器件有：实验板、电源、连接导线、74系列芯片、555芯片或微处理器等。1.2 设计要求1 电路具有时间显示功能；2 要求电路为24秒递减计时，每隔1秒钟，计时器减1；3 要有外部开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续计时功能；4 当计时器倒计时为零时，即定时时间倒，显示为零，同时发出声光报警信号。2 方案设计2.1 设计思路 分析设计任务，不难发现，设计可分为5部分，即24秒倒计时的计时器电路、秒脉冲发生器电路、开关控制电路、译码以及显示电路和声光报警器电路。其系统框图如图2.1.1所示。声光报警电路译码驱动计数器十位显示译码驱动个位显示计数器控制电路秒脉冲发生器 图2.1.1 篮球比赛24秒计数器系统框图 根据系统框图进一步分析，其中秒脉冲发生器可由555振荡电路构成，计数器可由递减计数的74LS192级联构成，可通过反馈清零或反馈预置数方法实现24递减计数；译码及显示电路用七段-BCD数码管即可；声光报警电路由发光二级管和声音发生器及电阻构成，配合控制电路进行工作；控制电路通过开关控制电路的某些输入和输出来实现设计所要求的电路功能。2.2 方案设计2.2.1 个人设计电路原理图及优化电路1、 个人设计电路原理图（图2.2.1（1）图2.2.1（1）2、 工作原理 由555定时器输出秒脉冲经过与门输入到计数器U3的DOWN端，作为减法计数器（74LS192)脉冲。当计数器U3计数计到“0”时，U3的13脚（BO）输出借位脉冲使十位计数器U2开始计数。当两计数器计数到“00”时应该使计数器保持为“00”不变同时声光报警器工作。利用个位和十位同时显示“0”即输出“00000000”通过两个4输入或门和一个与门去触发RS触发器使电路翻转，给74LS192的14脚（MR）输入低电平使计数器保持为“0”。由于计数器开始状态便为“0“，因此需要用开关D来控制清零端，开始状态D接低电平，使得四输入或门不工作，当开始计数时，再搬动开关D使得四输入或门的反馈清零端导通。扳动开关A到低电平，RS触发器翻转，计数器开始计数。扳动开关C到低电平时计数器立即复位，扳动开关C到高电平时计数器又开始计数。若需要暂停时，扳动开关B到低电平，振荡器继续振荡，但输出的脉冲经与门运算后为低电平0，74LS192脉冲输入端没有脉冲信号，从而使计数器保持不变；扳动开关B到高电平后，计数器继续计数。2、 优化电路 考虑到篮球比赛的具体情况，很多时候需要时间的更为细致的划分，例如0.1秒准绝杀时刻的判定，这就需要我们用更精确的电子秒表技术显示器。 优化电路的设计正是基于此点，通过精确时间的最小计量单位来更好地解决这个问题。其工作原理与前面大体一致，同样具有计数器的直接清零、暂停/连续、复位等功能，但其精确度却是达到了0.01秒。考虑到芯片占用问题，这里的清零反馈用到的是“00”变“99”时瞬间反馈变异步清零，因此也导致了声光报警器的断断续续工作，若要实现状态为“0”不变的同时声光报警器持续工作则需要更多芯片（可参照小组方案的定零方法，不再赘述）。优化电路图如图2.2.1(2) 优化电路 图2.2.1（2） 2.2.2 小组设计原理电路图1、 小组设计原理电路图（图2.2.2） 小组设计原理图 图2.2.22、 工作原理 秒脉冲发生器、声光报警器、译码显示电路、24秒计数器以及开光控制电路所实现的功能与试验所要求的功能一致。其中除去开关控制电路的其他模块工作原理和前面均相同。这里的开关控制电路未用到RS触发器，其声光报警器工作功能的实现通过计数器U1和U2的8路输出求或非来实现。当计数器输出为00时，8路或非门输出为高，声光报警器工作。计数器“0”状态的保持通过8路与非门输出和脉冲信号求或来实现。当计数器为“00”时，或门U4输出为高，计数器不再递减计数。而清零开关和反馈预置数开关则通过分别控制计数器的MR和PL端实现。2.3 方案比较与小组方案相比，个人设计的最大不同点便是RS触发器的应用，由此也导致了部分开关控制电路实现功能的途径不同。而相比个人原理设计电路，优化电路则是很好地解决了篮球比赛中的绝杀、违例等的判定，但其定零时候的声光报警功能还有待改善。个人设计中定零时运用的是8路输出求或，通过RS触发器，来反馈到计数器192的MR端，RS触发器的另一端输入用来控制计数的进行以及报警器的正常工作（比赛的开始）。倒计时暂停连续功能的实现是通过控制各位显示器的时钟输入信号DN端实现的，具体方法为用一高低电平可调的单刀双掷开关和连续脉冲信号求或，输出送到DN端。当开关接低电平时，正常递减计数；当开关接高电平时，暂停计数。考虑到预置数电平不可为不定态，于是把RS的一输出端(此输出端除去“00”态一直为高电平）和置数开关求与反馈到了预置数端，双掷开关可自由选择是否进行置数。清零功能则是通过一单刀双掷开关来控制MR来实现。优化电路的清零与复位功能的实现均是通过单刀双掷开关自由选择电位高低来实现，暂停连续功能与个人原理电路也一样，定零开关则是把秒十位和秒各位的“9”求与再和清零开关求或来实现，即只有当计数器从“00”变为“99”的瞬间定零功能才实现，其他时刻的清零由清零开关控制。小组方案的定零功能是通过控制秒个位计数器的时钟脉冲DN端来实现的，具体操作为计数器8路输出和连续脉冲求或，输出送到DN端。暂停继续开关是通过控制连续脉冲实现。清零功能则是通过控制MR端电平高低来实现的。3 部分电路设计3.1计数器由于是要做递减技术的24秒计数器，这里我们选用计数方式可逆并且具有置数功能的74LS192芯片,其引脚图见下图3.1.1 74LS192引脚图 图3.1.174LS192的逻辑功能表如下： CPU CPD LD CR 操作 0 0 置数 1 1 0 加计数 1 1 0 减计数 1 清零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，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。因为复位时应显示“24”，所以选用置数端LOAD来进行预置数。连续脉冲通过一或门才送给个位（低位）的DN端，即当停止控制电路送来停止信号时，截断时钟脉冲，从而实现电路的停止功能。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。两片计数器具体接法（见下图3.1.2） 计数器部分 图3.1.2（此图只是显示了电路的部分功能）3.2 译码及显示单元 本次设计译码及显示单元选用七段-BCD数码管74LS48，其引脚图见下图3.2.1 74LS48引脚图 图3.2.174LS48功能表如下：功能或数字输入输出显示字形abcdefg灭灯00000000灭灯试灯0111111118动态灭灯10000000000000灭灯0110000111111100110001101100001210010111011012310011111110013410100101100114510101110110115610110100111116710111111100007811000111111118911001111110119101101010001101无效输出111101110011001121110010100011131110111001011141111110001111151111110000000由功能表可以看出，74LS48输入信号为BCD码，输入高电平的条件下，即时，无论输入端A、B、C、D为何值，ag输出全为高电平，此时7段显示器件显示“8”字型。RBI端为灭零输入端。在，条件下，当输入A、B、C、D=0000时，输出ag全为低电平，可使共阴LED显示器熄灭。但当输入A、B、C、D不全为零时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。RBO端为消隐输入端。该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入端为何值，输出端ag均为低电平，这可使共阴显示器熄灭。另外，该端还有第二功能灭零信号输出端。当该位输入的A、B、C、D=0000时，此时输出低电平；若该位输入的A、B、C、D不等于零，则输出高电平。若将与配合使用，很容易实现多位数码显示时的灭零控制。3.3 秒脉冲输出电路 用555定时器构成多谐振荡器电路如下图3.3.1 秒脉冲输出电路 图3.3.1 本电路没有稳态，只存在两个暂稳态，不需要外加触发信号，利用电源VCC通过R2和R3向电容C1充电，使UC逐渐升高，升到三分之二VCC时，Q跳变到低电平，放电端导通，这时，电容器C通过电阻R3放电，使Uc1下降，降到三分之一VCC时，Q跳变到高电平，电源VCC又通过R2和R3向电容C1充电。如此循环，振荡不停，电容器C1在1/3VCC和2/3VCC之间充电和放。输出波形Q端的振荡周期可用过渡过程公式计算： 、当时， 把代入三要素方程。于是可解出: 、 、当时，代入公式,于是可解出：振荡周期 于是为了产生周期为1秒的脉冲，可以使、3.4 开关控制电路说明参照个人原理图电路图2.2.1（1）开关KEY=A：启动开关；主要利用RS触发器来实现，开始时复位端先复位后置高，启动开关接高电平，计数器递减计数到零时，控制电路发出声、光报警信号，计数器保持“00”状态不变；当A处于低电平时，只是进行递减计数，此时声光报警器和定零功能不能实现。开关KEY=B：暂停/连续开关。主要利用可自由选择高低电平的开关和时钟脉冲求或来实现。开关KEY=C：手动复位开关，通过可自由选择电平的一单刀双掷开关来实现。当C接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即计数器状态保持为“24”；当开关C接高电平时，计数器从24开始计数。开关KEY=D：开机时置低电平，定零功能。通过8路输出控制RS触发器，进而控制报警电路，同时反馈到清零端，进而实现本次24秒篮球计数器的定零报警功能。开关C和D：同时作用实现直接清零功能。将开关C接低电平，D接高电平时，计数器可完成清零。3.5 报警电路 由发光二级管和蜂鸣器构成的报警电路如图3.5.1（未涉及其他模块） 报警电路 图3.5.1LED=D1：发光二极管。 起光信号报警功能，当计数器为零的同时，LED灯变亮。LS1=E1：喇叭。 起声音报警功能，当计数器为零的同时，喇叭发出声音。当个人原理电路图的技术状态由“01” 到“00”时，RS触发器会输出低电平，而蜂鸣器和LED1的正极已经接了高电平，故这时由于两端存在电压差，所以蜂鸣器和LED1均能正常工作。从而发出报警信号。4 调试与检测4.1 调试中故障及解决方法1 开关接口的不定态问题：使用单刀开关实现清零、置数功能是，存在当开关断开时，接口的不定态问题使得计数器无法正常工作。解决方法：所有的单刀开关均改用可自由选择电位的单刀双掷开关。使得开关不论拨向哪一边均不存在电位高低不能确定的情况。2 脉冲周期的不准确问题：电阻、电容的不恰当选取，使得秒脉冲输出电路的输出波形并非严格的周期为1s的方波幸好，使得数码管显示节奏不对。解决方法：严格根据秒脉冲输出电路的周期计算公式，选取合适的电阻、电容值，尽可能地使秒脉冲输出设计所需要的周期波形。3 数码管显示有误的问题：不恰当的把计数器的输出连接到七段-BCD数码显示管上，会导致数码管显示的数字及其变化状态与设计预期不一致。 解决办法：严格按照计数器和数码管的引脚分布图进行接线，使得二者之间的高低电平一一对应，从而解决显示问题。4 定零功能的反馈问题：不恰当的选取门电路来当做计数器8路输出的输入端，会导致本次篮球计数器的定零功能和声光报警功能无法正常实现。 解决办法：本次设计通过不断调试，最终决定用或门输入来连接计数器8路输出端，或门的输出来连接RS触发器的一输入端口，再通过RS触发器来实现计数器的定零和声光报警功能。4.2 调试与运行结果1、个人原理电路图调试结果（图4.2.1） 个人原理电路图运行结果 图4.2.12、 优化电路图调试结果（图 4.2.2） 优化电路调试结果 图4.2.23、 小组方案调试结果（图4.2.3） 小组方案调试结果 图4.2.35 仿真操作步骤及使用说明一各部件说明：开关KEY=A：启动开关；A处于高电平时，当计数器递减计数到零时，控制电路发出声、光报警信号，计数器保持“24”状态不变，处于等待状态；当A处于低电平时，进行递减计数。开关KEY=B：暂停/连续开关。当开关接低电平时，计数器处于“暂停”状态，显示器保持不变；当开关接高电平时，计数器继续递减计数。开关KEY=C：配合开关A工作，为手动复位开关。当C接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”；当开关C接高电平时，计数器从24开始计数。开关KEY=D：开机时置低电平，定零功能。在计数器开始递减计数时，开关D接高电平，当计时器倒计时为零时，即定时时间倒，显示为零。计数器要想再次工作需将开关D接低电平（取消定零），再接高电平（准备下次定零）。LED=D1：发光二极管。 起光信号报警功能，当计数器为零的同时，LED灯变亮。LS1=E1：喇叭。 起声音报警功能，当计数器为零的同时，喇叭发出声音。开关C和D：直接清零功能。将开关C接低电平，D接高电平时，计数器可完成清零。二操作说明1、开始时A、C和D均置于低电平，B为高电平，此时计数器显示为“24”，表示进攻还未开始。2、开关A和C接高电平，计数器开始进行递减计数，同时开关D接高电平，准备24秒定零；3、期间若有选手犯规则，开关B接低电平进行停表，继续比赛只需把B再接为高电平；4、若进攻方用完24秒还未完成进攻，则声光报警器同时工作暗示进攻方24秒违例。5、若进攻在24秒内完成，开关D要先进行取消本次定零操作（置为低电平），然后开关 C接低电平进行复位操作。此时计数器重新显示“24”，开关D要再次置为高电平，即准备下次24秒定零，开关C置于高电平，表示下次进攻开始。结束语小组贡献在一周多的时间内，我们组成功的完成了本次篮球24秒计时器的设计任务，并且出色的完成了实物电路的搭建（本次设计实物部分用单片机来实现），首先，这离不了小组里每个成员的努力。在设计工程中，在按期完成自己个人方案仿真以及课程报告书的撰写以外，我还帮助小组成员胡亚清同学完成了proteus软件的安装以及教给了他简单的元器件放置和连线的相关操作，另外在他的原方案存在问题的时候，我们还相互交流，让他完满解决了其方案计数器的复位、定零的功能。另外，我还和小组组长赵磊和其他两位同学相互交流，共同拟定除了本次设计的小组方案，并且通过实际的电路来验证了本次小组方案的可行性。心得体会在为期两周的课程设计过程中，我们小组成员之间相互交流