1、 I目 录摘 要 .1第 1 章 绪论 .21.1 毕业设计背景 .21.2 设计任务及要求 .21.2.1 设计任务 .21.2.2 基本要求及目标 .2第 2 章 电路框图及工作原理 .32.1 设计方案 .32.2 电路框图 .3第 3 章 单元电路的设计 .53.1 24 进制计数器的设计 .53.2 数码显示电路的设计 .73.3 秒脉冲的设计 .93.4 控制开关电路的设计 .103.5 报警电路的设计 .113.6 整机工作原理 .11第 4 章 电路仿真 .13结 论 .17参考文献 .18附录 1 篮球竞赛 24 秒计时器总电路原理图 19附录 2 元器件清单 20第 1 页
2、摘 要随着电子技术的飞速发展，社会步入了信息时代，人们的生活水平在逐步提高，因而对电子产品提出了更高的要求。篮球竞赛 24 秒计时器可用于篮球比赛中对球员持球时间 24 秒限制。不仅能进行时间追踪，还具有直接清零、启动、暂停、连续以及光电报警功能，同时采用七段数码管来显示时间，可以方便的实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出报警信号。在社会生活中也具有广泛的应用价值。计时器主要是由计时电路、控制电路、以及译码显示电路 3 个部分组成。电路结构简单，功能方便、快捷。关键字 计时器；光电报警；七段数码管；电路第 2 页第 1 章 绪论1.1 设计意义随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发
3、挥这越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活中不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，定时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。例如，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。此次设计的“篮球竞赛 24 秒计时器”就可用于篮球比赛中，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。1.2 设计任务及要求1.2.1 设计任务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.计时器为 24 秒递减计时器，其计时间隔为 1 秒。4.递减计时到零时，显示器不
4、能灭灯，同时发出光电报警信号。1.2.2 基本要求及目标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.写出完整、详细的设计报告。第 3 页第 2 章 电路框图及工作原理2.1 设计方案方案一：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。方案二：采用单片机 AT89S51 作为核心部分
5、，编写程序。用 74LS48 和 7 段数码显示管组成显示电路。采用三个开关控制启动、暂停、清零、报警从而实现各种功能。在两个方案中，单片机价格比较贵，编写程序繁琐，原理说明性不够强，所以在本次设计采用方案一。2.2 电路框图24 秒倒计时计时器的方案框图如图 2-1 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
6、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 2-1 24 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控制电路计数器报警电路译码显示秒脉冲发生器第 4 页激计数器递减，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/连续秒脉冲，随之计数器和译码显示停止/连续工作。译码显示为零时触发报警电路产生报警。第 5 页第 3 章 单元电路的设计3.1 24 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
7、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） ，TC U 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 3-1 74LS192 的引脚排列74LS192 的功能表见表 3-1 所示。表 3-1 74LS192 功能表当 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，TC U 端发出进位下跳变脉冲；若时钟脉冲
8、加到输入 输出MR CU CD P0 P1 P2 P3 Q0 Q1 Q2 Q31 0 0 0 00 0 a b c d a b c d0 1 1 加计数0 1 1 减计数第 6 页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 3-2 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 ,
9、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。第 7 页图 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。Error! 为测试端，低电平有效，当E
10、rror! =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。Error!为灭零输入端 ,低电平有效。在Error! =1，Error! =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，在这里不多做介绍。74LS48 功能表见表 3-2。第 8 页表 3-2 74LS48 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
11、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、单稳输入 输出数字 Error!Error! A B C D BI/RBO a b c d e f g 字形012345678911111111111XXXXXXX
12、XX0 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 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第 9 页
13、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， Error!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 3-3 555 定时器控制功能表输 入 输 出TH TRRES OUT DIS L L 导通VCC13 H 不变 不变 VCC23 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。R2、R5 和 C1 为外接定时元件，高、低电
14、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，V CC 通过 R2、R5 对 C1 充电，DIS 上升。开始时 DIS VCC，高电平触发端 TH VCC，低电平触发端Error! VCC，定时23 23 13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13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，23形成振荡波形提供脉冲。公式：Tw1=0.7 (R2 +R5) C1 Tw2=0.7R2 C1振荡周期计算公式
15、：T=0.7 (R2 +2R5) C11s第 10 页图 3-53.4 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，要产生光电报警，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，一个蜂鸣器发出报警。如图 3-6 所示第 11 页图 3-
16、6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蜂鸣器，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 SW1 和 SW2 两个开关，SW1 为置数，SW2 为暂停。SW1 闭合，74LS192 被置数，显示电路出现数字 24。完成置数后断开 SW1，启动计时。若此时秒脉冲电路的
17、 SW2 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 SW2，秒脉冲暂停，计数递减暂停，断开 SW2 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 12 页第 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
18、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，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1.计时预备阶段如图 4-1图 4-1 计时预备阶段闭合 SW1，断开 SW2 启动仿真软件，此时 74LS192 开始工作，高位
19、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。第 13 页2.计时阶段如图 4-2图 4-2 计时阶段 断开 SW1 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。第 14 页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 SW2 来控制暂停/
20、连续,闭合 SW2，555 秒脉冲暂停，低位74LS192 停止工作，数码管递减停止，反之又闭合 SW2,555 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。第 15 页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 16 页结 论本设计主要通过电路板块的思想，逐步实现设计所需达到的功能要求；时钟模块为减计数提供一个频率为 1HZ 的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为1 秒钟；计数、译
21、码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；控制模块主要是为了实现计时器的启动、置数、暂停/连续功能，其中启动、置数由 SW1 开关来完成，通过 SW2 开关从而实现断定计时功能。至此，本设计完成所有任务及要求。结束语此次毕业设计让我获益匪浅，使我尝到了将所学的知识用于实践的喜悦和成就感。我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，首先分析研究此次毕业设计的任务和要求，然后分析选出方案做出设计，再进一步完善设计。在其中遇到一些不解和疑惑的问题时首先自己分析，再认真向老师询问请教，和老师一起探讨解决，最终完成了此次设计。此
22、设计制作的篮球竞赛 24 秒计时器是一个实用性设计。设计的成功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。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。同时非常的感谢在设计与制作的过程中热心指导与帮助我的老师和同学们。第 17 页参考文献1.温如坤、高志敏主编数字电子技术基础实验 湖北汽车工业学院 20042.阎石主编电子技术基础（数字部分） 高等教育出版社 20063.白中英主编数字逻辑与数字系统 科学出版社 20024.谢自
23、美主编电子线路设计.实验.测试 华中科技大学出版社 20015.朱余钊主编电子材料与元件 西安电子科技大学出版社 20026.杨志忠主编 数字电子技术 高等教育出版社 20007.王彦平主编PROTEL99 电路设计指南 清华大学出版社 20008.朱清慧、张凤蕊主编Proteus 教程 清华大学出版社 2008第 18 页附录 1 篮球竞赛 24 秒计时器总电路原理图第 19 页附录 2 实验元器件清单 篮球竞赛 34 秒计时器元器件项目代号 名称 规格 数量 备注 更改U1、U2 译码器 74LS48 2U3、U4 计时器 74LS192 2U5 定时器 NE555 1 C1 电容 10uf 1C2 电容 0.01uf 1R1 电阻 50 1R2 电阻 20k 1R3 电阻 0.2K 1R4 电阻 1K 1R5 电阻 62K 1OR15 或门 74LS32 5D1 发光二极管 LED-RED 1SW1、SW2 开关 K 2BUZ 电容 4.7uF 1DS1、DS2 7 段数码管 共阴 2 旧底图总号更改标记数量更改单号签名 日期底图总号 拟 制 曾伟审 校 曾伟日期 签名 等级标记 第 1 张 共 2 张标准化批 准音频双声道功率放大器设计
