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篮球24s计时器课程设计.doc

发布时间:2024-03-29 18:37:57 影响了:

 数字电路课程设计报告

  课程设计名称 篮球比赛 s 24s 计时器设计

  指 指 导 老 师

 XXXXXX 学 学

  院

 水电学院

 专 专 业 班 级

 XXXXXXXXXXX1 班 姓 姓

  名

 XXXX

  学 学

  号

 XXXXXX

  联 系 电 话 XXXXXXX

 日期 2011-12-29

 河北工程大学

 数字电路课程设计

 11/10/2020

 2 摘

 要

  数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用,逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片各脚功能.555 定时器等. 随着计算机科学与技术突飞猛进地发展,用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。

 数字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路的简单应有,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,可以方便的实现断点计时功能,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应用价值。

 此计时器的设计采用模块化结构,主要有以下 3 个部分组成,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路两个部分。

 在本课程设计任务书中对篮球竞赛 24 秒计时器的功能以及它的原理做了介绍。

 关键字 :24 秒计时器

 七段数码管

 译码显示电路 控制电路

 报警电路

  一 计数器概述 1.1 篮球竞赛 24 秒计时器功能 数字电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用,在生活中有着各种各样的应用。因此课程设计是数字电子技术学习中非常重要的一个环节,它将学生的理论知识和实践能力统一起来,为以后的工作做好准备。

 在篮球比赛中,规定了球员的持球时间不能超过 24 秒,否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛 24 秒计时器”可用于篮球比赛中,用于对球员持球时间 24 秒限制。一旦球员的持球时间超过了 24 秒,它就自动报警从而判定此球员的犯规。

 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,有显示 24 秒倒计时的功能,同时系统设置外部操作开关,控制计时器的直

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 3 接清零、启动、暂停、连续功能。而在直接清零时,数码管显示器灭灯,计时器为 24秒递减计时其计时间间隔为 1 秒,计时器递减计时到零时,数码管显示器不灭灯,同时发出光电报警信号。

 1.2 设计任务及要求 1.2.1 基本要求 (1)显示 24 秒计时功能。

 (2)设置外部操作开关控制计时器直接清零、启动、暂停/连续功能。

 (3)在直接清零时,要求数码显示器灭灯。

 (4)计时器为 24 秒递减计时器,其计时间隔为 1 秒。

 (5)递减计时到零时,显示器不能灭灯,同时发出光电报警信号。

 (6)秒脉冲由 555 多谐振荡器给出。

 1.2.2 设计任务及目标 (1)根据原理图分析各单元电路的功能; (2)熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能; (3)进行电路的装接、调试、直到电路能达到规定的设计要求; (4)写出完整、详细的课程设计报告 1.2.3 主要参考器件 555 晶体定时器

 74 LS74 双 D 触发器

 74LS47 译码器 74192 双时钟十进制计数器

 二 电路设计原理与单元模块 2.1 设计原理 24 秒计时器的总体参考方案框图如图 2.1 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等五个模块组成。其中计数器和控制电路

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 4 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、定时时间到启动报警等功能。

 图 图 4 2.1

 24 秒计时器系统设计框图

 秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准,但是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其构成。

 译码显示电路由 74LS47(译码器)和共阴极七段 LED 显示器组成。报警电路在试验中可用发光二极管与蜂鸣器代替。

 2.2 设计方案 分析设计任务,计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成 24s 计时功能,而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。为了满足系统的设计要求,在设计控制电路时,应正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零开关时,要求计数器清零,数码显示器灭灯。

 当启动开关闭合时,控制电路应封锁时钟信号 CP,同时计数器完成置数功能,译码显示电路显示“24”字样;当启动开关断开时,计数器开始计数;当暂停/连续开关拨在暂停位置上时,计数器停止计数,处于保持状态;当暂停/连续开关拨在连续时,计数器继续递减计数。

 2.3 各单元电路的设计 2.3.1 24 进制计数器的设计

 冲 秒脉冲 器 发生器 减 递减 器 计数器 码 译码 示 显示 制 控制 路 电路 警 报警 路 电路 启动 码 译码 示 显示 减 递减 器 计数器 暂停/连续 清除 到 定时到

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 5 本设计中计数器是由两片 74192 的 8421BCD 码递减计数器构成。如图 2.2 所示。

 图 2.2

 74192 双时钟十进制计数器

 74192 是十进制同步加/减法计数器,采用 8421BCD 码编码,具有直接清零、异步制数的功能,且有进位CO和借位BO输出端。当需要进行多级扩展连接时,只要将前级的CO端接到下一级的 CP+端,BO端接到下一级的 CP-端即可。详见下页的功能表。

 表 2.3

 74192 的功能表 输

  入 输

 出 R

 LD

  CP+

 CP-

  D0

 D1

 D2

 D3 Q0

 Q1

 Q2

 Q3 1

  X

 X

 X

  X

  X

  X

  X 0

  0

 X

 X

  I0

  I1

  I2

 I3 0

  1

 ↑

  1

  X

  X

  X

  X 0

  1

 1

  1

  X

  X

  X

  X 0

  1

 1

  1

  X

  X

  X

  X 0

 0

 0

 0 I0

  I1

  I2

 I3 加计数 减计数 保持

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 6 由功能表可以看出,当 LD =1,CR=0,CPD=1 时,如果时钟脉冲加到 CPU 端,则计数器在预置数的基础上进行加法计数,当计数到 9(1001)时,CO端输出进位下降沿跳变脉冲;当 LD =1,CR=0,CPD=1 时,如果有时钟脉冲加到 CPD 端,则计数器在预置数的基础上进行减法计数器。只有当低位 1 端发出借位脉冲,高位计数器才做减计数。当高,低位计数器全为零时,且 CPD 为 0 时,置数端 2,计数器完成并行置数,在 CPD 端的输入时钟脉冲作用下,计数器进入下一轮循环减计数。

  2.3.2 数码显示译码器的设计 在本设计中,根据设计的要求,我使用 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译码器驱动器,常用在各种数字电路和系统的显示系统中,下面我就给大家介绍一下这个元件的一些参数与应用技术等资料。74LS47 的引脚图和功能表分别如图 2.4 和表 2.5 所示。

 图 2.4 74ls47 引脚图

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 7 输

 入 输

 出 字

 形 数字

  A3 A2 A1 A0 BI/RBO a

 b

 c

 d

 e

 f

 g 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 0

 0

 0

 0 0

 0

 0

 1 0

 0

 1

 0 0

 0

 1

 1 0

 1

 0

 0 0

 1

 0

 1 0

 1

 1

 0 0

 1

 1

 1 1

 0

 0

 0 1

 0

 0

 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

 0

 0

 0

 0

 0

 1 0

 0

 1

 1

 1

 1

 1 0

 0

 1

 0

 0

 1

 0 0

 0

 0

 0

 1

 1

 0 1

 0

 0

 1

 1

 0

 0 0

 1

 0

 0

 1

 0

 0 0

 1

 0

 0

 0

 0

 0 0

 0

 0

 1

 1

 1

 1 0

 0

 0

 0

 0

 0

 0 0

 0

 0

 0

 1

 0

 0 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 X

 X

 X X 0

 0

 0

 0 X

 X

 X X 0 0 1 0

 0

 0

 0

 0

 0

 0 0

 0

 0

 0

 0

 0

 0 1

 1

 1

 1

 1

 1

 1

 8 表 2.5

  74LS47 的功能表

 七段译码显示原理图如图 2.6(a)所示,图 2.6(b)给出了七段显示笔画与 0~15 共16 个数字的对应关系

 图 2.6

 七段数码显示管的引脚图

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 8 2.3.3 秒脉冲的设计 根据设计要求,本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 555 定时器来设计此模块。从而产生标准的秒脉冲。

 1.器件特性 555 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。

 集成 555 定时器有双极性型和 CMOS 型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是 555,CMOS 型产品型号的最后四位数都是 7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为 4.5~12V,最大输出电流 200mA 以内,并能与 TTL、CMOS 逻辑电平相兼容。

 引脚功能:

 Vi1(TH):高电平触发端,简称高触发端,又称阈值端,标志为 TH。

 Vi2( TR ):低电平触发端,简称低触发端,标志为 TR 。

 VCO:控制电压端。

 VO:输出端。

 Dis:放电端。

 Rd :复位端。

 555 定时器内含一个由三个阻值相同的电阻 R 组成的分压网络,产生31VCC 和32VCC两个基准电压;两个电压比较器 C1、C2;一个由与非门 G1、G2 组成的基本 RS 触发器(低电平触发);放电三极管 T 和输出反相缓冲器 G3。

 Rd 是复位端,低电平有效。复位后, 基本 RS 触发器的 Q 端为 1(高电平),经反相缓冲器后,输出为 0(低电平)。

 分析图 2.2.3.1 的电路:在 555 定时器的 VCC 端和地之间加上电压,并让 VCO 悬空,则比较器 C1 的同相输入端接参考电压32VCC,比较器 C2 反相输入端接参考电压31VCC ,为了学习方便,我们规定:

 当 TH 端的电压>32VCC 时,写为 VTH=1,当 TH 端的电压<32VCC 时,写为 VTH=0。

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 9 当 TR 端的电压>31VCC 时,写为 VTR=1,当 TR 端的电压<31VCC 时,写为 VTR=0。

 低触发:当输入电压 Vi2<31VCC 且 Vi1<32VCC 时,VTR=0,VTH=0,比较器 C2 输出为低电平,C1 输出为高电平,基本 RS 触发器的输入端 S =0、 R =1,使 Q=1, Q =0,经输出反相缓冲器后,VO=1,T 截止。这时称 555 定时器“低触发”; 保持:若 Vi2>31VCC 且 Vi1<32VCC,则 VTR=1,VTH=0, S = R =1,基本 RS 触发器保持,VO 和 T 状态不变,这时称 555 定时器“保持”。

 高触发:若 Vi1>32VCC,则 VTH=1,比较器 C1 输出为低电平,无论 C2 输出何种电平,基本 RS 触发器因 R =0,使 Q =1,经输出反相缓冲器后,VO=0;T 导通。这时称555 定时器“高触发”。

 VCO 为控制电压端,在 VCO 端加入电压,可改变两比较器 C1、C2 的参考电压。正常工作时,要在 VCO 和地之间接 0.01μF(电容量标记为 103)电容。放电管 Tl 的输出端 Dis 为集电极开路输出。根据 555 定时器的控制功能,可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路。此次设计中,采用多谐振荡器来设计。

 2.自激多谐振荡器 图 2.7 所示为自激多谐振荡器电路和波形图。自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。电路采用电阻、电容组成 RC 定时电路,用于设定脉冲的周期和宽度。调节 RW 或电容 C,可得到不同的时间常数;还可产生周期和脉宽可变的方波输出。

 脉冲宽度计算公式:Tw1=0.7 (R1 +R2) C

 Tw2=0.7R2 C 振荡周期计算公式:T=0.7 (R1 +2R2) C≈1s

  图 2.7 自激多谐振荡器电路和波形图

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 10 分析方法与单稳态电路相似,但电容器C的充电电阻是R1 +R2 ,放电电阻是R2 。当VC是低电平时,555定时器低触发,VO为高电平,放电管T截止,电容器经(R1 +R2)充电,当充电至VC=VTH>32VCC时,电路高触发,输出VO变为低电平,放电管T导通,电容器经R2放电,当放电至VC=VTR<31VCC时,电路又进入低触发,VO变为高电平,如此周而复始,循环不止,输出连续脉冲信号。

 2.3.4 时序控制电路

  完成计数器的复位、启动计数、暂停/ 继续计数、声光报警等功能。控制电路由IC5 组成。IC5B 受计数器的控制。IC5C、IC5D 组成RS 触发器, 实现计数器的复位、计数和保持“24”、以及声、光报警的功能。操作“清零”开关时,计数器清零。闭合“启动”开关时,计数器完成置数,显示器显示24断开“启动”开关,计数器开始进行递计数。电路图中,当开关S1合上时, =0,74LS192进行置数;当S1断开时, =1,74LS192处于计数工作状态。开关S2是时钟脉冲信号CP的控制电路。当定时时间未到时,74LS192的借位输出信号 2=1,则CP信号受“暂停/连续”开关S2的控制,当S2处于“暂停”位置时,门G3输出为0,门G2关闭,封锁CP 信号,计数器暂停计数;当S2处于连续位置时,门G3输出1,门G2打开,放行CP信号,计数器在CP作用下,继续累计计数。当定时时间到时, 2=0,门G2关闭,封锁CP信号,计数器保持零状态不变。

 (1) K1: 启动按钮。K1 按下后处于断开位置时, 计数器从“24”递减计数到“00”同时控制电路发出声、光报警信号, 计数器保持“00”状态不变, 处于等待状态。当K1 再次闭合时, 计数器开始计数。

 (2) K2: 手动复位按钮。当按下K2 时, 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“00”。

 (3) K3:消隐按钮。按下K3时计数器断电并消除所有计数。

 (4) K4: 暂停按钮。当“暂停/ 连续”开关处于“暂停”时, 计数器暂停计数, 显示器保持不变, 当此开关处于“连续”开关, 计数器继续累计计数。控制电路开关如图所示:

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 图 2.8

 控制电路开关图

 三 数字电路的仿真与调试 3.1 Protues 仿真 首先在 Protues 中选好元器件,然后连好线,检查线路是否存在错误,如无,则进入了调试的正式阶段,启动调试,观察系统运行的状况是否良好,然后观察现系统的效果是否达到预期的要求,如无,则停止仿真,分析电路中存在的缺陷与错误,改正后再次启动调试,然后再次观察仿真效果是否达到预期的效果,如此循环下去,直到得到满意的仿真效果。到此调试仿真过程结束。以下是本设计的系统仿真结果图:

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 图 3.1

  系统仿真结果图 四 结束语 此次电子线路课程设计让我获益匪浅,使我尝到了将所学的知识用于实践的喜悦和成就感。

 此课程设计所设计制作的篮球竞赛 24 秒计时器是一个实用性设计。此次设计的成不仅为所学的专业课程打下了坚实的基础,提高了我们对分析与解决问题的能力,也在研究与电子爱好追求上做了一个很好的起步。

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 13 在这个设计中,我学到了学习理论时学不到的东西,不但锻炼我的动手能力而且巩固我们所学的理论知识,这样实践与理论相结合就可以更快而有效地掌握知识。

 本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西,那就是如何从理论到实践的转化,怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识,而我们应把所学的用到我们现实的生活中去,此次的电子时钟设计给我奠定了一个实践基础,我会在以后的学习、生活中磨练自己,使自己适应于以后的竞争,同时在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识,在和同学协作过程中增进同学间的友谊,使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。

 最后,感谢老师对我的细心的指导,正是由于老师的细心的辅导和他提供给我们的参考资料,使得我的课程设计能够顺利的完成,同时在课程设计过程中,我们巩固和学习了我们的电子技术知识。相信这对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助!

  五 参考文献 [1] 谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].华中科技大学出版社,2001 [2]杨志忠.数字电子技术[M].高等教育出版社,2000

 [3]白中英.数字逻辑与数字系统[M].科学出版社,2002 [4] ] 朱余钊.电子材料与元件[M].西安电子科技大学出版社,2002

 [5] 温如坤、高志敏.数字电子技术基础实验[M].湖北汽车工业学院,2004

 [6] ]阎石.电子技术基础(数字部分)[M].高等教育出版社,2006

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