篮球24秒课程设计

1、学 号： 课 程 设 计题 目篮球24秒计时器学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级电气12姓 名指导教师翁显耀2104年7月1日34课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 翁显耀 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 篮球24秒记时器的设计与制作初始条件：（1） 具备显示24秒记时功能（2） 计时器为递减工作，间隔为1S（3） 递减到0时发声光报警信号（4） 设置外部开关，控制计时器的清0，启动及暂停要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 设计任务及要求（2） 方案比较及认证（3） 系统框图，原理说明（4） 硬件原理，完整电路

2、图，采用器件的功能说明（5） 调试记录及结果分析（6） 对成果的评价及改进方法（7） 总结（收获及体会）（8） 参考资料（9） 附录：器件表，芯片资料时间安排：7月1日7月3日：明确课题，收集资料，方案确定7月3日7月5日：整体设计，硬件电路调试7月5日7月7日；报告撰写，交设计报告，答辩指导教师签名： 2014年 7月 日目录摘要11设计任务和要求22方案选择与论证32.1 两种方案32.2 方案选择33原理图4 3.1原理框图4 3.2电路图54单元电路的设计6 4.1进制计数器的设计6 4.2数码显示电路的设计7 4.3秒脉冲的设计9 4.4控制开关电路的设计.11 4.5报警电路的设计

3、11 4.6整机工作原理125电路仿真13 5.1计时预备阶段13 5.2计时阶段.145.3暂停连续功能的实现.145.4电路报警156电路调试16 6.1安装及调试166.2故障分析和解决166.3电路的改进167收获与体会17参考文献18附录1篮球竞赛24秒计时器总电路原理图附录2元器件清单附录3本科生课程设计成绩评定表摘要 此篮球24秒计时器主要由五个模块构成：秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路，主要采用555 作为振荡电路, 由74LS192、74LS48 和七段共阴LED 数码管构成计时显示电路, 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

4、、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。当控制电路的置数开关闭合时，在数码管上显示数字24，每当一个秒脉信号输入到计数器时，数码管上的数字就会自动减1，当计时器递减到零时报警电路发出光电报警号。篮球24秒计时器1 设计任务和要求要求设计一个篮球24秒计时器，其要求如下：（1） 具备显示24秒记时功能（2） 计时器为递减工作，间隔为1S（3） 递减到0时发声光报警信号（4） 设置外部开关，控制计时器的清0，启动及暂停其任务如下:(1)设计任务及要求(2)方案比较及认证(3)系统框图，原理说明(4)硬件原

5、理，完整电路图，采用器件的功能说明(5)调试记录及结果分析(6)对成果的评价及改进方法(7)总结（收获及体会）（8）参考资料（9）附录：器件表，芯片资料 2方案选择与论证2.1 两种方案方案一：该方案的计数部分是由具有十进制加计数器功能的74LS90芯片和具有十六进制加计数功能的74LS161芯片组成的减计数器，由555多谐振荡电路发出秒脉冲，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7段数码显示管进行显示，从而实验各功能。方案二：该方案由两片74LS192加减计数器作为核心部分。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

6、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，所以我们使用了三个开关来控制计数器的各功能的实现，从而实现各种功能。2.2 方案选择两个方案的脉冲发生部分都是由555多谐振荡电路组成，没有多大区别，主要区别在于计数部分，方案一采用加计数器，方案二采用减计数器，从电路结构看，方案一用到了异或门和7个非门，较方案二复杂的多。在功能实现方面，方案二满足实验要求，而方案一中的低位有74LS161和非门组成，显示数为161输出二进制数反码所对应的数，0即二进制0000对应1111，74LS161不能实现，因而不能实现清零功能，所以选择方案二。3

7、原理图 3.1原理框图篮球24秒倒计时计时器的方案框图如图所示。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。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。图

8、3.1 24秒计时器系统设计框图3.2电路图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。比赛开始前，利用置数开关将其置数24，比赛开始后，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通过传输门将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。 图3.2 总体电路图4单元电路的设计 4.1进制计数器

9、的设计计数器选用集成电路74LS192进行设计，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。 其引脚图如图4.1，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4.1 74LS192的引脚排列74LS192的功能表见表4.1所示。表 4.1 74LS192功能表输入输出MRCUCDP0P1P2P3Q0Q1Q2Q31000000abcdabcd011加计数01

10、1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4.2 8421BCD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

11、数器完成置数 ,再次进入下一循环减计数。 4.2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4.3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4.3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。为测试端，低电平有效，当=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，ag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。为灭零输入端,低

12、电平有效。在=1， =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。BIRBI是一个特殊的端口，有时作用于输入，有时作用于输出。74LS48功能表见表4.2。输入输出字形数字A B C DBI/RBOa b c d e f g012345678911111111111XXXXXXXXX0 0 0 01 0 0 00 1 0 01 1 0 00 0 1 01 0 1 00 1 1 01 1 1 00 0 0 11 0 0 111111111111 1 1 1 1 1 01 1 0 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1

13、 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 11 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 10123456789消隐脉冲消隐灯测试X10X0XXXXX0 0 0 0XXXX0010 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 18表4.2 74LS48的功能表七短数码管的引脚图如图4.4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4.4 七短数码显示管的引脚图 4.3

14、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引脚功能： TH：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，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4.3表4.3 555定时器控制功能表输 入输 出THRESOUTDISLL导通VCCVCCHH截止 VCCH不变不变VCCHL导通用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供脉冲，如图4.5 所示。R1、R2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

15、R2的节点与放电端相连，电压控制端不用，通常接10nF电容C2。接通电源后，VCC通过R1，R2对C1充电，DIS上升。开始时DISVCC，即高电平触发端THVCC，低电平触发VCC，高电平触发端THVCC，低电平触发端VCC，定时器复位，放电管饱和导通，C1通过R5放电，DIS下降。当DISVCC时，又回到高电平触发端THVCC，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=0.7 (R1 +R2) C1 Tw2=0.7R2 C1振荡周期计算公式：T=0.7 (R1 +2R2) C11s 4.4控制开关电路的设计 在本次设计中需实现计数器的暂

16、停、复位和启动控制，启动置数开关和74192的11脚相连即可，置零开关与74192的14脚相连即可。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。4.5报警电路的设计根据设计要求，要产生光电报警，我们采用八输入或非门4078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4.6所示图 4.6报警电路设计或非门4078的输入与两个74LS192的八个输出端相连，当输出端全部为低电平时4078的输出才为高电平，此时导通发光二极管和蜂鸣器，产生光电报警信号。4.6整机工作原理篮球竞赛24秒计时

17、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可见图中有三个开关，中间开关为置数，右边开关为暂停，左边开关为清零。中间开关闭合，74LS192被置数，显示电路出现数字24。完成置数后断开中间开关，启动计时。若此时秒脉冲电路的右边开关为断开，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，闭合右边开关，秒脉冲暂停，计数递减暂停，断开右边开关又恢复计数递减，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4078输出端高低电

18、平的变化。由附录1可见，当74LS192的8个输出全为低电平时，换而言之，就是计数到零时，4078输出高电平，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。5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。其仿真结果如下: 5.1计时预备阶段 闭合中间开关，断开右边开关，启动仿真软件，此时74LS192开始工作，高位74LS192输入0010，低

19、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。 5.2计时阶段断开中间开关进入计时阶段，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。5.3暂停连续功能的实现在计时阶段中，由右边开关来控制暂停/连续,闭合右边开关，555秒脉冲暂停，低位74LS192停止工作，数码管递减停止，反之,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5.4电路报警计数到

20、零时高位和低位74LS192的八个输出端为低电平，则4078输出高电平，于是LED灯、蜂鸣器导通，产生光电报警信号。6电路调试 6.1安装及调试1.按照PCB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。2.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。3.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。4.确定各元器件是否能正常工作。 5.整体综合连接，测试整体性能。6.2故障分析和解决 1.计数过程中出现乱码。原因就是74LS192芯片的CP端出现接触不良，也就是导线扰动，解决的方法就是断掉电

21、源重新加载。2.计数周期多于一秒。原因就是555定时器设置的参数不正确，解决方法就是重新设置好电阻R、电容C的参数。另外，周期不准确也可能是外加电压大于5V，工作时间久了电容、电阻发热造成。3.24到00后接着计数到99.原因是清零端没接上反馈。解决的方法就是加一个反馈请零端或者加一个开关来控制，这里就用了后一种方法。6.3电路的改进用此电路图在面包板上连接出来的电路板能实现功能，但是电路不很稳定，有可能会出现各种问题，若焊接在电路板上，会更好的实现各种功能。此电路当数码管显示到“00”时，能亮灯，没有时间误差，相比较而言，我觉得我的电路是较完美的电路图，能很好的实现计数器的直接清零、启动计数

22、、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。7.收获与体会要做好本次课程设计，扎实的理论基础是前提，其次，需要进行大量的资料查阅工作以便确定一个正确的思路。之后便是电路的设计，这不仅要考虑方案的可行性，还需要顾及材料的使用，选出一个最佳方案。在完成电路的设计后便是电路的安装，这需要我们极其的耐心、谨慎。因为每一个微小的失误都会导致最后的失败。本次课程设计，从理论设计到电路软件仿真，再到方案的确定，电路的连接，及最后的调试完成，都需要我们用所学的知识进行思考、论证。可以说，这一次课程设计是对以前所学知识的一次综合运用。通过此次电路设计，我们加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。也对数字电子技术有了更