桂电S篮球计数器论文

1、编号： 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： 学 号： 题目类型：¨理论研究 ¨实验研究 þ工程设计 ¨工程技术研究 ¨软件开发2012年12月30日目录绪 论21 设计任务31.1设计任务与要求31.2 设计方案比较41.3 基本设计原理43 电路设计原理及其设计过程53.1系统组成53.2 555振荡电路53.3 74LS48译码电路83.4 74LS192计数电路113.5 报警电路设计134电路仿真与调试144.1电路仿真144.2电路制作和

2、调试155心得体会16参考文献17附录1 系统原理图18附录2 系统PCB图19附录3 元器件明细表20 摘 要 篮球比赛及运动在人们的日常生活中越来越普遍，在篮球比赛中球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了，因而在篮球比赛中的倒计时的要求也越来越精确。本课程设计主要针对篮球竞赛中的30s倒计时而设计,主要分为五个基本模块构成：脉冲发生模块、计数模块、译码显示电路、控制电路和报警电路，脉冲发生模块采用555 作为振荡电路, 计时电路则由74LS192、74LS48 和七段共阴LED 数码管构成, 控制电路由若干逻辑门门元件和开关构成，直接控制篮球计数器定时、启动、暂停/继续、清零等功能。当

3、控制电路的置数开关闭合时，在数码管上显示数字为所设定的数值，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7时，发出预告信号，当计时器递减到0时，报警电路发出报警信号并停止计数。整个课程设计，在网上及图书馆查阅了大量资料，进行了多个方案比较。首先在Proteus仿真软件下实现了仿真实验；之后，在实验室完成整个电路的连接与功能测试，得到了预期的结果。关键词：计数器；30秒倒计； 译码显示电路； 控制电路 ；报警电路绪 论电子技术课程设计是数字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。 本课程设计是脉冲数字电

4、路的简单应用，设计了篮球竞赛30秒计时器。此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。本设计完成的计时功能，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实用价值。此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。在设计计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电

5、路两个部分。1 设计任务1.1设计任务与要求1设计一个篮球竞赛30S进攻时间限制计时器。2性能指标要求： （1）工作时间可在130S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。3.设计与测试按任务要求，设计电路，计算参数，选择元器件。根据所设计的电路和所选择的元器件制板，焊接安

6、装电路，并按照调试步骤进行调试。逐步排除故障最终达到设计要求4.成果要求(1)课程设计说明书一本。要求：内容完整，图表完备，字迹工整，条理清晰，分析有据(2)计算机图纸两张（原理图和PCB图）要求：布局合理，清晰完整，图形大小合适，图形和符号要规范。(3)所用元器件清单，(4)电路仿真和实体套。1.2 设计方案比较本次课程设计为两个人一组，在做实验的前期我们主要做的工作是网上搜集资料，比较各种设计方案的优劣，然后进行综合，采取最优方案。 方案一：用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波，再将该脉冲信号加到由74LS192构即周期为1秒，接

7、着将该信号送到计数器74LS192的CP减计数脉冲端,再通过译码器74LS48把输入的8421BCD码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接推成的十分频器上，这样由74LS161后输出的脉冲频率为1Hz，动LED，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，光电报警用发光二极管来代替，灯亮代表报警。 方案二： 用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为1Hz的脉冲，即输出周期为1秒的方波，再将该脉冲信号送到74LS192计数器的CP减计数脉冲端,再

8、通过译码器74LS48把输入的8421BCD码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接推成的十分频器上，推动LED显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，光电报警用发光二极管来代替，灯亮代表报警。 方案选择：通过原理分析和仿真实验等步骤比较后，采用方案一，更简洁、方便、易于实现和各个功能。1.3 基本设计原理82421BCD码30进制数递减计数器是由74LS192构成的。30进制数递减计数器的预置数为N=（0011 0000）8421BCD=（30）D。它的

9、计数原理是，每当低位计数器的BO端发出负跳变借位脉冲时，高位计数器减1计数。当高、低位计数器处于全0，同时在CP=0的期间，高位计数器BO=LD=0，计数器完成异步置数，之后BO=LD=1，计数器在CP时钟脉冲作用下，进入下一轮减计数。 辅助时序控制电路，由与非门电路控制时钟信号CP的放行与禁止。本实验设计要求最小计时间隔要为1/10s，所以其脉冲频率要为10Hz，则555时钟脉冲发生器输出的脉冲信号为10Hz。令电容C1为0.01uF，由555振荡电路公式 ，可令C=1uFR1=51K、R2=47K,则10Hz的脉冲信号经一个十进制的计数器后输出的频率为1Hz。3 电路设计原理及其设计过程3

10、.1系统组成该系统主要包括秒脉冲发生电路、计数电路、数码显示电路、报警电路和控制电路5个部分构成。秒脉冲发生器是由555定时器构成，计数电路则由计数器组成，控制电路是由各外部操作开关组成，。其设计原理构图如下：电路五部分组成, 如图3-1所示。图3-1 参考原理构图3.2 555振荡电路产生的信号是电路的时序脉冲和定时标准，但本设计对此信号的要求并不是太高，所以电路可以采用555集成电路构成。用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供时钟。集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使

11、用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压VCC+5V+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3+18V，555管脚如图3-2所示。 图3-2 555引脚图(1) 构成单稳态触发器如图3-3所示 图3-3 单稳态触发器暂稳态的持续时间决定于外接元件R、C值的大小。 1.1RC，通过改变

12、R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化(2) 构成多谐振荡器如图3-4所示图3-4 多谐振荡器， 555电路要求R1 与R2 均应大于或等于1K ，但R1R2应小于或等于3.3M。 由NE555构成的多谐振振荡器。接通电源后，电容C2被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时V0为低电平，电容C通过R5和T放电，使Vc下降，当下降至1/3Vcc时，触发器又被置位，V0翻转为高电平。当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R5和Rw、R4向电容器充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波

13、，其频率为：f=1/(t1+t2)，f=1.44/(R1+2R2)C在这里我们选择R5=68K，C2=10uf，只要调节Rw 7K即可输出1HZ，达到要求。（3）施密特触发器如图3-5所示图3-5施密特触发器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。具体电路设计如图3-6所示。图3-6 555多谐振荡电路3.3 74LS48译码电路（1）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蜂鸣器代替。主体电路，30秒倒计时。30秒计数芯片的置数端清零端共用一

14、个开关，比赛开始后，30秒的置数端无效，30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在与门中将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。 如前所述，分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。因此，为了使数码管能将数码所代表的显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使a、b、c、d、g各段点亮。即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出端有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。译码器74LS48如图3-7所示。

15、图3-7 74LS48引脚图七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。它有3上辅助控制端LT、RBI、BI/RBO现简要说明如图3-8所示。图3-8 74LS48功能表灭灯输入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI=0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0，所以字形熄灭。试灯输入LT 当LT=0时，BI/RBO是输出端，且此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字型8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。动态灭零输入RBI当LT=1，

16、RBI=0且输入代码DCBA=0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=0与RBI=0可以实现某个一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。动态灭零输出RBOBI/RBO作为输出使用时，受控于LT=1且RBI=0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0：若LT=0或者LT=1且RBI=1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器间的连接。从功能表还可以看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，面对其它输入代码仅要求LT=1，这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入BCD决定的，并且满足显示字形的要求。

17、（2）74LS48译码电路如图3-9所示图3-9 译码模块电路图3.4 74LS192计数电路（1）计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它不仅可用来计脉冲数，还常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能。计数器种类很多。按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分，有同步计数器和异步计数器。根据计数制的不同，分为二进制计数器，十进制计数器和任意进制计数器。根据计数的增减趋势，又分为加法、减法和可逆计数器。还有可预置数和可编程序功能计数器等等。74LS192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图3-10所示。 图3-

18、10 74LS192引脚图 LD置数端 CPU加计数端CPD 减计数端 CO非同步进位输出端 BO非同步借位输出端 D0、D1、D2、D3 计数器输入端 Q0、Q1、Q2、Q3 数据输出端 CR清除端 74LS192同步十进制逻辑功能表：输入输出CR LD CPU CPD D3 D2 D1 DOQ3 Q2 Q1 Q01 X X X X X X X0 0 X X d c b a0 1 X X X X0 1 1 X X X X0 1 1 1 X X X X0 0 0 0d c b a加计数减计数保持当清除端CR为高电平“1”时，计数器直接清零；CR置低电平则执行其它功能。当CR为低电平，置数端LD

19、也为低电平时，数据直接从置数端D0、D1、D2、D3 置入计数器。 当CR为低电平，LD为高电平时，执行计数功能。执行加计数时，减计数端CPD 接高电平，计数脉冲由CPU 输入；在计数脉冲上升沿进行 8421 码十进制加法计数。执行减计数时，加计数端CPU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD 输入.此实验我们用到计数器由两片74LS192 同步十进制可逆计数器构成。利用减计数RD= 0, LD= 0, CPD=1, 实现计数器按8421 码递减进行减计数。利用借位输出端BO 与下一级的CPD 连接, 实现计数器之间的级联。利用预置数LD 端实现异步置数。当RD= 0, 且LD= 0 时, 不管C

20、PU 和CPD 时钟输入端的状态如何, 将使计数器的输出等于并行输入数据, 即Q3Q2Q1Q0= D3D2D1D0。 （2）计时模块电路如图3-11所示。图3-11 计数模块电路图3.5 报警电路设计根据设计任务，要求计时器在减1计时到7S时，发出三声低音预告信号并且减1计时到零时(工作时间到)，发出三声高声，并自动停止计时，这些要求可结合计数器的工作特点利用逻辑门和振荡电路来实现。根据74LS192工作原理可知，当减1计时到0S时，计数器的借位输出端TCD低电平有效，其值为0。当减1计时到7S时，其输出端Q0 Q1 Q2 Q3分别为1 1 1 0。提示音声音的高低可用两块NE555芯片产生不

21、同的频率和两块74LS192芯片产生。根据这两个特点可用逻辑门来实现报警。而报警电路由蜂鸣器构成，利用三极管来驱动，以获得足够的电流。其硬件电路如图3-12所示。图3-12 报警模块电路图4电路仿真与调试4.1电路仿真在这一周的课程设计中，前三天时间主要是查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案。在确立方案的过程中，我们对各种预选方案都经过了仿真实验，采用仿真软件Proteus仿真。Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器

22、件的工具。由于本系统所涉及的内容完全可以在Proteus中实现在仿真过程中，我们发现有些方案虽然在理论上可行，但在仿真运行时却得不出结果，因此在确立方案时不得换了又换，最后在仿真实验运行成功后才确立最终方案。仿真结果如图4.1所示。图4.1 系统整体仿真结果图4.2电路制作和调试在花费了两天的前期准备工作之后便开始了制作电路板。由于前期的方案选择、仿真实验做得比较成功，因此在做电路板时，整个过程进行的比较顺利，但也存在并碰到了不少小问题。 按照已经设计好的原理在画图软件Altium Designer 09上画好了原理图和PCB图，经过一天的制作后开始第一次上电测试计数器的功能，启动时

23、发现译码显示能显示30字样，但是倒计时控制开关却失效，不能按照每1s的时间间隔递减。首先用示波器检查555振荡电路是否有脉冲输出，发现脉冲输出正常。于是接着找跟启动计时开关有关的电路，经过仔细检查发现是由于脉冲传输过程中的一个反相器74LS04的1号管脚坏了，更换一块新的74LS04后，电路的计时部分能够实现。然而，当倒计时到7S和0S时系统并未按照设计发出提示音，于是首先检查蜂鸣器，发现时由于粗心大意将蜂鸣器极性接反引起的，将其拆下来变更极性方向后，整个系统都能正常工作。5心得体会此次电子课程设计是理论与实践相结合的最好形式。在课题的完成过程中要求制作者要有坚实的理论基础和很强的动手能力。在

24、设计过程中，通过自主查找数据和其他资料，接触到了很多新鲜的东西。 经过这次课程设计，才明白自己要做一个电子产品是件不容易的事。整个过程要求我们要非常细心，不仅要有较强的动手能力，还要有灵活应用芯片理论的功底，为此我们需要阅读大量关于这方面的书籍。除了查阅了不少芯片手册，还得阅读了有关数字电路设计的资料，有这些都是制作电路必须的理论准备，可以为你的设计添砖铺瓦，并减少很多盲目的查找。本次的课程设计从设计、仿真再到实验都是我们我学知识的检验。通过亲身体验说明有些在仿真软件中能行的痛的方案在实际操作电路中并不一定能行。所以在设计时就要考虑方案的可行性，最好是要有备用的方案。在经过各种比较后选出最佳方案。 整个过程中，调试也是相当重要的一部分。当电路不能得到正确的结果时，要知道怎样进行排错和调试，以得到正确的结果。一般情况下，应该先检查电路是否连对，芯片管脚是否对错；若电路连接正确，则用万用表通过电压、电阻的测量来找出电路中的问题，并加以改正。 做完本次课题后，发现本设计中所用电路比较简单，所用元器件也比较常用，工作原理易懂，操作简单，也很适合一般人动手制作。做整体电路的检测，各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现要求中的启动、暂停、清零、连续功能，完成了此次课程设计的任务。电子技术发展呈现出系统集成化，自动化，设计自动化，用户专业化和