武汉理工大学电工电子课程设计篮球24秒计时器

1、武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书摘要篮球24秒计时器是篮球比赛中的主要计时工具。本文设计的篮球24秒计时器主要由脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路、声光报警电路组成。以时基电路555定时器构成多谐振荡器组成为时钟脉冲信号源，以74LS192为主要计时部件，采用减计数方式，配合译码显示电路构成24秒计时器的主要部分。控制部分通过缓冲电路，防抖动电路开关实现，使之能对计时器进行计数、清零、启动、暂停等功能，从而使方案符合各项技术指标，成功完成任务。关键词：74LS192计时器 ；555定时器；防抖动电路；译码器篮球24秒计时器的设计与制作1 设计内容及要求11 设计目的1）强化专业理

2、论知识，巩固555多谐振荡器及74系列芯片功能；2）掌握各芯片功能之间的配合；3）训练动手能力，培养专业素养。12 基本任务与要求1）制作一个篮球24秒计时器，有计时显示功能；2）计时器为递减工作，间隔为1秒；3）递减到0时发出光电报警信号；4）设置外部开关，控制计时器的清零，启动暂停等功能；5）直流5V稳压电源供电。2 实验电路设计方案原理图及其论证实现篮球24秒计时器的电路图，可按功能分为六部分：时钟脉冲，控制电路，计数器，声光报警电路，译码器，显示电路。原理框图构建如下控制电路 计数器显示电路译码器时钟脉冲声光报警电路图1 24秒计时器原理框图21 方案一选取74LS192作为计数器。7

3、4LS192是十进制同步计数器，可以进行加计数和减计数。另外还有置数端和清零端，实现外部电路的启动，暂停以及清零等功能的控制。脉冲信号由555定时器组成的多谐振荡器产生，与开关及借位信号一起作为74LS192的时钟信号，由显示器显示计时状态。电路的具体原理图如下所示。图2 方案二原理图22 方案二与方案一类似，方案二也选用74LS192作为计数器，脉冲信号也由555定时器组成的多谐振荡器产生。不同的是在启动/暂停开关处增加了两个非门作为缓冲电路，在74LS10与74LS192之间接入反向器，并增加74LS373作为防抖动电路，具体电路图如下所示。图3 方案二原理图23 方案择优方案一能实现电路

4、的基本功能，具有计数，清零，启动以及暂停等功能。但是具体操作时开关电路易发生抖动，造成开关闭合后显示器跳动异常的现象。另外三个信号通过74LS10三输入与非门后直接接入74LS192的减计数端。控制开关断开后再闭合，这个过程在74LS10输入端看来是一个上升沿脉冲。这样极易在74LS192的减计数端产生一个上升沿脉冲，造成计数混乱，显示器跳动异常的现象。方案二在74LS10及74LS192之间接入一个74LS04非门电路，使该上升沿脉冲变成下降沿脉冲，这样就不会存在显示器计数混乱的现象。同时采用两个非门作为开关电路的输入缓冲级，很好地改变了跳动幅度过大的情况。再通过一个74LS373D触发器组

5、成的锁存器，使输入的信号更加地平稳，显示器抖动现象已几乎不存在，很好地解决了开关抖动的问题。因此，选取方案二作为本次篮球24秒计时器的主要设计方案。3 各单元电路的设计31 信号脉冲发生器的设计 利用555定时器构成多谐振荡器，产生单位脉冲信号。555定时器以其内部含有3个5K的分压电阻而得名，是一款模拟与数字信号混合型集成电路，在定时器，计时器以及其他功能区有着广泛的应用。其内部框图及引脚图如下所示。图4 555定时器内部组成框图及管脚图其各引脚使用功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路V

6、CC的范围为3 18V。一般用5V。3脚：输出端Vo。2脚：低触发端。6脚：TH高触发端。4脚：是直接清零端。当端接低电平，则实际电路不工作，此时不论 TH处于何种电平，实际电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防其他信号的干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 信号脉冲发生器电路如下。其中输出端V0接入74LS10的输入端。在电路中接入RC电路可以有助于获得较低的振荡频率，而且通过改变R，C的数值可以很容易实现对频率以及占空比的的调节。

7、振荡电路是计时器的核心部分，电容充放电的速度以及R1 .R2 .C的数值决定了电路的振荡频率。下面对该脉冲触发器进行参数计算。 图5 多谐振荡器电路计算公式：振荡周期T=1sT=0.7(R1+2R2)C 占空比q=（R1+R2）/（R1+2R2） 取C=10F 0.7(R1+2R2)x10x10-6=1 得R1+2R2=142857.14 取占空比q=0.57， 解得R1=20K R2=62K考虑到元器件的误差，R1用一个固定电阻R和一个电位器W代替，对振荡周期进行微调。其中固定电阻R取20K，电位器W取5K。C2为滤波电容，取0.01F。 3.2 计时器的设计计时器是整个电路的核心部件。计时

8、器的使用方式直接决定了计时器的计时方式。74LS192是双时钟方式的可逆十进制计数器。其引脚图与功能表如下所示图6 74LS192的引脚图表1 74LS192功能表输入输出MRPLCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01xXXXXXX000000XXdcbadcba011XXXX加计数011XXXX减计数各引脚使用功能如下：1）CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端；2）LD为预置输入控制端，低电平有效，异步预置；3）CR为复位输入端，高电平有效，异步清除；4）CO为进位输出，1001状态后为下降沿脉冲输出；5）BO为借位输出，0000状态后为下降沿脉冲输出。在本电路中，74

9、LS192采用减计数，两个74LS192级联分别作为十位和个位的计数器。个位的74LS192的借位端输入十位74LS192的时钟信号CPD端。当个位计数到0000时，再来一个上升沿脉冲后，借位端产生一个下降沿脉冲，之后因借位信号消除重新产生一个上升沿脉冲，触发十位的时钟信号，从而使电路正常工作。十位的借位端分别接入光电报警电路以及74LS10，完成后续控制电路的功能。输出端接译码显示电路，显示电路的计时情况。33 译码显示电路的设计331 译码器在数字电路中，常常需要把运算结果用十进制显示出来，这就要用显示译码器。74或4000系列的器件能作十进制BCD码译码器，常用的BCD对七段显示器译码器

10、有TTL 之7446、7447、7448、7449 与CMOS 之4511 等等。其中7446、7447 必须使用共阳极七段显示器，7448、7449、4511等则使用共阴极七段显示器。这里选取74LS48作为译码器。7段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器，除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，74LS48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。其引脚图和真值表如下所示。 图7 74LS48引脚图表2 74LS48功能表十进制或功能输入BIRBO输出显示数字L

11、TRBIDCBAabcdefg0HHLLLLHHHHHHHL01HXLLLHHLHHLLLL12HXLLHLHHHLHHLH23HXLLHHHHHHHLLH34HXLHLLHLHHLLHH45HXLHLHHHLHHLHH56HXLHHLHLLHHHHH67HXLHHHHHHHLLLL78HXHLLLHHHHHHHH89HXHLLHHHHHLLHH974LS48所具有的逻辑功能如下：（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经74LS48译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。（2）消隐功能（BI=

12、0）此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA是什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。（3）灯测试功能（LT = 0）此时BI/RBO端作为输出端，该端输入低电平信号时，无论DCBA输入状态，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）此时BI/RBO端作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA不为0时，则对显示无

13、影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。332 数码显示管一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点.小型数码管(0.5寸和0.36寸)每段发光二极管的正向压降,随显示光(通常为红,绿,黄,橙色)的颜色不同略有差别,通常约为22.5V,每个发光二极管的点亮电流在510mA.LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,该译码器不但要完成译码功能,还要有相当的驱动能力。由于译码器采用的是74LS48共阴极显示器，因此数码管采用共阴型数码管。一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点，如下图所示。本电路中的两个数码管显示为19。图8

14、 数码管管脚图34 元器件控制部分341 启动/暂停功能该功能的实现由一个开关控制即可，该开关连接于电源与缓冲电路之间。当开关断开时，在74LS10中输入为低电平，此时74LS192输出恒为高电平，经非门后为低电平，没有时钟脉冲信号存在，此时74LS192不工作，计数暂停。反之，开关闭合，74LS192的输出由555定时器产生的脉冲信号决定，因有时钟脉冲信号的输入，故74LS192继续进行计数工作。缓冲电路主要由两个非门组成，可对信号起到缓冲的作用，防止了开关抖动造成计数跳动异常的现象。此外还增设74LS373D触发器部分，将开关信号寄存，使输入信号更稳定。经过这两个部件，开关信号已能很平稳地

15、控制74LS192的计数状况，成功实现电路的启动和暂停功能。342 清零功能将两个74LS192的清零端连一开关后直接接入电源（高电平）。当开关闭合时，便可对两74LS192进行清零工作。因清零端具有强制性，因此无需接入缓冲电路。35 声光报警电路声光报警电路由74LS04反向器，发光二极管，限流电阻和蜂鸣器组成，接在十位74LS192借位端和接地端之间。当十位74LS192计数到0000时，再来一个触发脉冲后，产生一个低电平的借位信号，经反向器后成高电平状态，此时发光二极管发光，蜂鸣器发出报警声音。具体电路图如下。图9 声光报警电路4 24秒计时器的整体调试41 仿真软件调试利用仿真软件Mu

16、ltisim进行仿真。Multisim包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。连接电路图前应先熟悉软件的使用环境，然后按照连出电路图进行仿真。首先将555定时器按计算的参数接好，先不接控制部分，将555构成的多谐振荡器输出接到个位的74LS192脉冲输入端CPD，将两片74LS192级联好，接译码显示器及数码管，观察计数情况。若正常计数，则再连接控制部分。最后再整体调试。42 硬件调试在所给的面包板上接实物。首先要明确面包板的功能，总结电路分为六个部分，脉冲的产生部分、计数部分、译码部分、显示部分、控制部分和声光报警部分，分开进行调试。由于实验电路中使用器

17、件较多，实验前必须合理安排各器件在实验装置上的位置，使电路逻辑清楚，接线较短。在实验时，应按照实验任务的次序，将各单元电路逐个进行接线和调试，即分别测试D触发器、脉冲发生器及计数器等器件的逻辑功能，待各单元电路工作正常后，再将有关电路逐级连接起来进行测试，直到测试24秒计时器整个电路的功能。421 555定时器的测试按照实验电路图接线，之后用示波器观察输出波形的情况。若示波器显示脉冲周期为1s，则表明该555定时器工作良好。422 计数器与显示器的测试将计数器74LS192取出单独接入测试电路，并接显示电路观察计数情况。若显示计数情况良好，则表明计时器工作正常。423 24秒计时器的整体测试部

18、分电路测试好后，再整体进行调试。先让清零开关不清零，然后控制启动/计数、暂停开关，观察显示器是否按照计数、暂停进行工作，若工作正常，可在正常计数时，让清零开关清零。若正常则正确，若有偏差，反复调试几次即可。43 实际操作与理论分析比较 实际操作中，需要检测各接线是否良好，独立检查各芯片是否能正常工作，比起仿真情况要复杂一些。作品完成后效果不如仿真情况，偶尔发生显示电路异常情况，经检查属导线接触不良缘故。总体而言，能实现所有要求的功能，与理论分析相差较小，总体实验成功。44 调试问题分析1）在硬件调试过程中，555定时器产生的脉冲信号不稳定，显示电路跳动较快，经检查电阻R1和R2接反位置。发现问

19、题后，改变电阻接线，脉冲信号正常。2）使用单刀单掷作为控制开关时，控制电路较为麻烦且不好控制，使用单刀双掷开关情况改善很多。3）在接译码显示器时，发现显示其亮度太暗，主要原因是限流电阻过大。更换较小的电阻后，显示亮度适中。5 方案评价51 方案总结511 方案优缺点分析 优点：本方案原理简单，制作方便，易于调试，符合计时、清零、启动、暂停等各项技术指标。缓冲电路以及防抖动电路使整体电路更为完善。 缺点：在观察计数情况时，十位显示器相比个位显示器慢了一点，同步性能不是很理想。究其原因，是因为当个位74LS192计数到0000时，再来一个上升沿脉冲后，借位端产生一个下降沿脉冲，之后因借位信号消除重

20、新产生一个上升沿脉冲，触发十位的时钟信号，这样便使得十位的变化落后于个位半个脉冲时间。512 方案改进办法在两计数器74LS192之间接一个反向器。反向器工作及其快速，能将原下降沿脉冲在极短时间内变成上升沿脉冲，这样十位的计数情况基本与个位计数情况一样，十位与个位具有了更好的同步性能，解决了原电路同步性不理想的情况。52 课题核心及其使用价值篮球在中国极其流行。作为篮球比赛的计时工具，24秒计时器当然必不可缺。通过几个简单芯片的连接便可组装成篮球24秒计时器，能实现所有正规比赛的计时功能（包括计时，清零，启动，暂停），无疑是一个巨大的市场商机。如何采用更为廉价的元器件，生产出更为精密，功能更为

21、强大的计时器，将是各生产公司亟待解决的问题。本方案原理简单，原材料价格低廉，制作简单，是具有市场竞争力的一款电子产品。53 设计展望本方案只解决24秒计时器的秒计数，还不能做到更高位的计数，无法精确到0.1秒。从本方案进一步深究，可以更改555定时器的参数值，使其产生更高频率的脉冲信号，使电路精度进一步提高。此外，以手动操控单刀双掷开关，存在人的反应时间误差，可以选用声控信号作为开关。当裁判吹哨子时开关便自动断开或闭合，将使产品具有更高的使用价值。6 收获及体会课程设计是一门强调动手能力的学科。不仅要学实际电路的连线测试，还需要学会仿真软件。在课程设计进行前，我们所学课程（包括电路基础、模拟电子技术基础和数字电子技术基础）均为理论课程，无法将理论知识与实际情况联系起来，学得尤为艰涩，并且记忆效果不理想，极易遗忘。通过本次电工电子课程设计，深化了以上三门学科的基本知识，学会了设计电路的一般方法，特别是数字电子方面，学会了不少数字电子器件的使用。从设计电路图，进行仿真分析，到购买元器件芯片，再到