篮球竞赛24秒计时器设计简洁版讲解.docx
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篮球竞赛24秒计时器设计简洁版讲解
数字电子技术课程设计说明书
篮球竞赛24秒计时器设计
系、部:
电气与信息工程学院
学生姓名:
杨浩明
指导教师:
邹彬
专业:
电气信息
班级:
电自1102
完成时间:
2013-12-7
设计题目
篮球比赛24秒倒计时器的设计
课程论文
要求
设计制作一个篮球竞赛计时系统,具有进攻方24秒倒计时功能,具体设计要求如下:
1、具有显示24s倒计时功能:
用两个共阴数码管显示,其计时间隔为1s。
2、分别设置启动键和暂停/继续键,控制两个计时器的直接启动计数,暂停/继续计数功能。
3、设置复位键:
按复位键可随时返回初始状态,即进攻方计时器返回到24s。
4、计时器递减计数到“00”时,计时器跳回“24”停止工作,并给出声音和发光提示,即直流振荡器发出声响和发光二极管发光。
目 录
第1章电路方案的选择及电路框图
1.1设计方案
方案:
采用计数器74LS192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,所以我们使用了两个开关来控制计数器的各功能的实现,从而实现各种功能。
1.2电路框图
24秒倒计时计时器的方案框图如图1-1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。
图1-124秒计时器系统设计框图
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/连续秒
第2章设计思路及其工作原理的介绍
2.1设计思路
本课程设计是脉冲数字电路的简单应用,设计了篮球竞赛24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。
本设计完成的中途计时功能,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。
篮球竞赛记时系统的主要功能包括:
进攻方24秒倒计时和计时结束警报提示。
攻方24秒倒计时,当比赛准备开始时,屏幕上显示24秒字样,当比赛开始后,倒计时从24逐秒倒数到00。
这一模块主要是利用双向计数器74LS192来实现;警报提示:
当计数器计时到零时,给出提示音。
这部分电路主要通过移位寄存器和一些门电路来实现。
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。
在设计此计时器时,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、报警为主要功能,在此结构的基础上,构造主体电路和辅助电路两个部分。
2.2基本原理
24秒计时器的总体参考方案框图如图1所示。
它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路(简称控制电路)等五个模块组成。
其中计数器和控制电路是系统的主要模块。
计数器完成24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。
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。
24秒计数芯片的置数端清零端共用一个开关,比赛开始后,24秒的置数端无效,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在与门中将时钟截断,使计时器在计数到零时停住。
第3章单元电路的设计
3.124进制计数器的设计
计数器选用集成电路74LS192进行设计较为简便,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。
图3-1是74LS192引脚排列。
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3-174LS192的引脚排列
74LS192的功能表见表3-1所示。
表3-174LS192功能表
输入
输出
MR
CU
CD
P0
P1
P2
P3
Q0
Q1
Q2
Q3
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
a
b
c
d
a
b
c
d
0
1
↑
1
×
×
×
×
加计数
0
1
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3-28421BCD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,计数器完成置数,再次进入下一循环减计数。
3.2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3-3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3-3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。
——LT为测试端,低电平有效,当——LT=0时,无论输入端A、B、C、D为何值,a~g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。
———RBI为灭零输入端,低电平有效。
在——LT=1,———RBI=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。
BI\RBI是一个特殊的端口,有时作用于输入,有时作用于输出,在这里不多做介绍。
74LS48功能表见表3-2。
输入
输出
字形
数字
——LT
———RBI
ABCD
BI/RBO
abcdefg
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
X
X
X
X
X
X
X
X
X
0000
1000
0100
1100
0010
1010
0110
1110
0001
1001
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1111110
1100000
1101101
1111001
0110011
1011011
1011111
1110000
1111111
1111011
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
消隐
脉冲消隐
灯测试
X
1
0
X
0
X
XXXX
0000
XXXX
0
0
1
0000000
0000000
1111111
8
表3-274LS48的功能表
七短数码管的引脚图如图3-4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3-4七短数码显示管的引脚图
3.3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定时器是一种中规模集成电路,外形为双列直插8脚结构,体积很小,使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件,就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。
它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
引脚功能:
TH:
高电平触发端,简称高触发端,又称阈值端,——TR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3-3
表3-3555定时器控制功能表
输入
输出
TH
RES
OUT
DIS
×
×
L
L
导通
<
VCC
<
VCC
H
H
截止
<
VCC
>
VCC
H
不变
不变
>
VCC
×
H
L
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3-5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R2的节点与放电端相连,电压控制端不用,通常接0.01uF电容C2。
接通电源后,VCC通过R1,R2对C1充电,DIS上升。
开始时DIS<
VCC,即高电平触发端TH<
VCC,低电平触发——TR<
VCC,定时器置位,放电管截止。
随后DIS越充越高,当DIS>
VCC,高电平触发端TH>
VCC,低电平触发端——TR>
VCC,定时器复位,放电管饱和导通,C1通过R5放电,DIS下降。
当DIS<
VCC时,又回到高电平触发端TH<
VCC,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(R2+R5)C1Tw2=0.7R2C1
振荡周期计算公式:
T=0.7(R2+2R5)C1≈1s
图3-5
3.4控制开关电路的设计
在本次设计中需实现计数器的暂停、复位和启动控制,为了简单,我们只需用一个开关来控制启动和复位功能。
启动复位开关和74192的11脚相连即可。
在这里,主要介绍暂停/连续开关的设计,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。
3.5报警电路的设计
根据设计要求,要产生声光报警新号,我们采用5个或门组成一个选择电路,一个发光二极管产生光亮,喇叭产生报警。
如图3-6所示
图3-6报警电路设计
或门OR1的输入与高位74LS192的低两位输出端相连,OR2、OR3与低位74LS192输出端相连。
当输出端全部为低电平时OR5的输出才为低电平,此时导通发光二极管和喇叭,产生光电报警信号。
3.6整机工作原理
篮球竞赛24秒计时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SW2和SW3两个开关,SW2为置数,SW3为暂停。
SW2闭合,74LS192被置数,显示电路出现数字24。
完成置数后断开SW2,启动计时。
若此时秒脉冲电路的SW3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SW3,秒脉冲暂停,计数递减暂停,断开SW3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5个或门的高低电平的变化。
由附录1可见,5个或门的排列必须当74LS192的8个输出全为低电平时,换而言之,就是计数到零时,或门最后一个输出的才是低电平,从而触发发光二极管和蜂鸣器,产生亮光和警报声,达到了光电报警的。
第4章电路仿真
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。
Proteus提供了大量的元件库v拜拜吧,有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。
在编译方面,它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。
现在我们用Proteus进行仿真,仿真结果如下
4.1.计时预备阶段如图4-1
图4-1计时预备阶段
闭合SW2,断开SW3启动仿真软件,此时74LS192开始工作,高位74LS192输入0010,低位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。
4.2.计时阶段如图4-2
图4-2计时阶段
断开SW2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。
4.3.暂停\连续功能的实现如图4-3
图4-3暂停/连续功能实现
在计时阶段中,由SW3来控制暂停/连续,闭合SW3,555秒脉冲暂停,低位74LS192停止工作,数码管递减停止,反之又闭合SW3,555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。
4.4.电路报警如图4-4
图4-4电路报警
计数到零时高位和低位74LS192的八个输出端为低电平,传输到或门组成的选择电路。
因为全部为低电平所以或门的最后输出为低电平,于是LED灯、蜂鸣器导通,产生光电报警信号
第6章故障分析与电路改进
6.1故障的分析和解决
在实际连线过程中,出现故障几乎是不可避免的。
其中接线错误就是第一个一个难以避免的困难。
另外一个让人头疼的原因是实验板与芯片接触不良,导致形成软型故障,难以准确找出故障点。
最后,我个人认为还有一个细节也不能忽视,就是实物图和电脑仿真上的芯片接法并不完全一样,电脑仿真上的芯片许多管脚已经默认接地或接电源了,这些我们在实物图上就必须实际地接上,否则就会得到错误的结果。
在查找故障时,首先要有耐心和细心。
同时要开动脑筋,进行认真的分析和判断。
在不通电的情况下,通过目测,对照电路原理图和装配图,检查每一块片是否正确,极性有无接反,管脚有无损坏,连线有无接错(包括漏错线、短路和)通电后,通过类比法,高低电平比较法等方法逐一找出故障点。
6.2电路的改进
尽管用本电路图所焊接出来的电路板能实现功能,而且电路也很稳定。
这也是对本电路的肯定。
但从使用的过程中,其实还是有值得改进的地方。
比如当数码管显示到“00”时,能亮灯,那应该是更完美的。
但是本电路只有在从“00”转到“24”是才能亮灯及报警,也就是说报警器慢了1秒钟报警。
实际的电路改进:
可以先在两个74LS192的输出端接上接二个四输入端与非门。
并且接到触发器的输入端,这样能实现当数码管显示到“00”时,LED发光且鸣蜂器发出声音,实现报警功能。
但是,这样的代价就是使电路更加的复杂,所带来的工作量也随之增大。
结束语
在此次课程设计中,我们将课本理论知识与实际应用联系起来。
按照书本上的知识和老师讲授的方法,首先和同学一起分析研究此次电路设计任务和要求,然后按照分析的结果进行实际连接操作,检测和校正,再进一步完善电路。
在其中遇到一些不解和疑惑的地方,还有出现的一些未知问题,我们都认真分析讨论,然后对讨论出的结果进行实际检测校正,对一些疑难问题我们也认真向相关老师询问请教,和老师一起探讨解决。
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深的认识。
感谢老师的细心教导,感谢团队的积极合作,团队的力量是无限的。
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- 篮球 竞赛 24 计时器 设计 简洁 讲解
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