1、 10 课程 设计报告 【课程 设计题目】 篮球 比赛 进攻 24秒倒计时电路设计 【 摘要】 该设计能进行 24秒倒计时。 主电路部分 用 三个 自复位按钮实现开始、暂停、复位 操作 ， 用 施密特反相器和 RC充放电电路组成 按键 输入 消抖电路， 用 两个 74ls192 组成模为 24的 减 计数器 ，用 555定时器实现 1HZ的秒脉冲输出功能， 用两只数码管和两个 74ls48组成显示电路 。 【关键词 】 倒计时 74ls192 计数器 题目 解析 题目 ： 篮球比赛进攻 24秒倒计时 电路 ： 篮球 比赛中， 一旦 进攻超过 24秒， 电路见自动结束 本轮 进攻 ； 按下自复位
2、 按钮 A表示 本轮进攻开始 ， 用两只数码管表示 显示 倒计时的时间 ； 计数 小于 10s后 需要 对十位的 0进行消 隐显示 ； 计数 时间到 24秒 后 ，个位 仍需要显示 0，并 产生一个一个 电平点亮 LED； 在 24 秒 之 内 ， 按下 自复位按钮 B 表示进攻 过程结束 ，数码管 自动 恢复为 24的初始 状态； 系统 还需要 自恢复 按键 C 构成 暂停键 ， 以随时 暂停 倒计时 ， 再次按下 C从 刚才暂停的 时间 点 继续 倒计时。 题目 理解： 题目 要求设计一个倒计时电路， 基本功能 是实现 24秒 倒计时，并 用三个自复位按键 分别 实现开始 、 暂停 和 继
3、续、复位的 功能 ，高位 计时 到 0后需要 进行消 隐 。 由题目可 以将设计整体 分为 电源、 外部 按键、控制电路、 秒 脉冲发生电路、计数 电路、 译码和 显示电路、高位消隐电路等部分 。系统流程 如图 1所示。 11 控制电路按键输入及消抖译码器 显示电源计数器秒脉冲 高位消隐电源图 1 系统 流程图 解析 题目 知 道 该题目主要任务为 24 秒 倒计时的 实现，其他功能为 实现 主任务的情况下附加的功能。 所以 接下来对主任务做方案 设计 论证，并分别根据其他功能设计功能电路。 主功能 方案论证与选择 方案一 ： 电路如图 2，该方案的计数部分是由具有十进制加计数功能的 74LS
4、90 芯片和具有十六进制加计数功能的 74LS161芯片等组成的减计数电路。 接通电源后，打开 555 多谐振荡电路发出秒脉冲。 J1 置于“置数”位置时74LS90立刻置 9，此时十位显示器显示数字 2，而当脉冲上升沿输入 74LS161时，该芯片第一次置数“ 11”，由于反向器作用，显示器显示 ”4”。将 J1拨向“计时”，电路开始倒计时。当个位显示 9后， LD 的输入变为高电平，使 161自动第二次置数 15，个位显示 0，同时 74LS90计数加一，十位显示减一。十位上的译码器的接线，使其只能在 0， 1， 2之间循环。当显示变为 00时，自动停止计数。 12 图 2 方案一电路图
5、方案二 电路如图 3，该方案计数部分有两片 74LS192 十进制可编程加 /减计数器等组成。它的计数原理是：只有当低位 BO1 端发出借位脉冲时，高位计数器才作减计数。当高低位计数器全处于零，且低位没有脉冲输入时，置数端 LD=0, 计数器完成并行置数，在低位有时钟输入的情况下，计数器再进行下一次减计数。 按键 A 实现连续 /暂停 ,按键 B 实现置数 /计数功能。当显示减为 00 时高位BO端发出借位脉冲，使低位芯片无脉冲输入，电路停止计数。 13 图 3 方案二 电路图 方案选择 两方案的秒脉冲发生部分都是有 555 多谐振荡电路组成，基本无多大区别。主要区别在于计数部分，方案一采用加
6、计数器，方案二采用减计数器。由电路结构来看，方案一用到了异或门和七个非门，较方案二复杂的多。在功能实现方面，方案二满足设 计要求。 方案一在接通电源时若将置数键 置于计数位置， 74LS161将从 0000开始加计数对应反码 1111 无法显示，而方案二不会出现该问题。综合分析，采用方案二。 功能 电路 模块 的 设计与实现 1. 秒 脉冲 电路 的设计 该设计 中需要进行 24 秒 倒计时就需要一个时钟源，这儿采用常用的 555 定时器 够成 多谐振荡器 ，用 Multisim 的 电路 向导 使 555 定时器 输出 1HZ的脉冲 ，当 生成电路后， R1 和 R2 为 非标准电阻，将其换
7、为与其相差最小的标准电阻即可，该设计中 最后 得到的脉冲周期为 991.453ms， 具体仿真电路 见图 4。 14 图 4 秒 脉冲发生电路 2. 计数 电路模块设计 计数 用两块 74ls192双向 可逆计数器实现 减 计数， 置 数 时 低位置 4高位 置 2。低 位减计数脉冲端口接 1HZ 时钟 源，高位 减 计数端口接低位借数端口 ，当 低位从 0 跳 变到 9 时向 高位借 1 位 ，高位减 1 位 。 用 一个 三输入 与门 分别连接按键A、 时钟源、高位借位 端 实现暂停和计数到 0停止功能 。 仿真 图见图 5。 图 5 计数 模块 15 3. 按键 消抖电路 由于 实际中的
8、按键在按下和弹起时会产生 很高 频率的抖动脉冲， 该 脉冲会影响电路的性能， 出现按键 按一次电路跳动多 次 的现象，因此需要进行 消抖 来消除这种 影响，消抖的方法很多，这里采用 RC充放电 电路和斯密特触发器进行消抖，电路图见图 6。 当 按键 A按下时 ，电容 C1两端 的电压不会突变， 所以需要 等一段 放电时间 ， 才能 降到斯密特触发器的门限电压，斯密特触发器才会发生反转，而此时按键按下产生的电路抖动已经消除 。同理当 按键弹起时也能消除抖动。 图 6 按键 消抖电路 4. 译码 显示及高位消隐 电路 该设计 中显示用两块 共 阴 7段 数码管作为显示 ， 为 防止 数码管 烧毁，
9、 每 段数码管接 330 欧姆 的限流电阻。 用两块 74ls48 作为 数码管的显示译码器， 电路 图如图 7所示 。 该设计 还进行了高位消隐显示设计，当高位计数到 0时 即进行消隐显示 ， 这样可以使功耗降低。 进行 消隐只需要将共阴数码管所有端接低电平就行了。 查 询74ls48真 值表（ 见 表 1） 知道 ， 当 74ls48的使 能端口 LT、 BI/RBO端口均为 高的时候正常译码 ， 当 LT 接 高电平， RBI、 BI/RBO接 低电平时，实现 RBI功能 ， 即所有输出口均 输出 低电平。 24秒 倒计时中，高位总是为 0、 1、 2中 的数 值 ，转换为 2 进制分别
10、 为 0000， 0001， 0010， 所以只需要将 74ls48 的 高位输出的最低两位 相 或后输 出 与 高位 74ls48 的 RBI 和 BI/RBO 端口 相连 即 可实现 高位 消隐的功能。此时 当 高位为 1、 2 时或 门输出高电平，正常显示 ；当 高位为 0 时 ，或 门 输16 出为 低 电平，高位数码管 不显示 。 表 1 74ls48 真 值表 图 7 译码 显示及高位消隐电路 17 5. 控制 电路 题 中要求的用 三个 自复位按钮，而 设计中 暂停等功能需要一个 电平跳变 后持续，不能是一个脉冲， 这就 需要 有 一个用脉冲控制的电平跳变电路。这儿 使用 边沿敏
11、感 JK触发器 组成边沿敏感 T触发器 ， 按键 按下弹起所产生的脉冲作为 T触发器 的时钟脉冲，这样就可以 构成 一个用脉冲控制的电平跳变电路。电路 仿真 图如图 8所示 。 T触发器的 输出既可以作为控制 计数器 的置数、暂停等输入。 图 8 脉冲 控制的电平跳转电路 6. 小结 功能 模块设计与 实现 中遇到过很多问题，当最后都一一 解决 ，最后组合在一起后能 完成 设计要求 。 这儿总结 一个 仿真 中遇到的 棘手 的问题，在构成秒脉冲发生电路时，如果将555定时器 的输出与示波器相连接观察波形， Multisim的仿真会变得特别 慢 ，即现实 中过了几分钟，仿真才过几秒钟，如图 9所
12、示 （现实 中过了 14S， 仿真 才 才走 1S） 。 解决 该问题 时在网 上找了很久资料最后才找到解决办法。 需要将 Multisim的 交互 仿真设置中 初始 条件 设置 为 0，最大 时间 步 长修 设置 为 2S，初始时间 步长设置为 1S（ 如图 10所示） ，便能够 加快 仿真速度。 18 图 9 Multisim 仿真 变慢 图 10 Multisim 交互仿真设置 实际 电路设计 功能 模块设计完成后，还需要将 各 模块有机的组合在一起构成完整的电路，完整 电路 仿真图见附件 1. 仿真 电路 没有 问题后，再 按照 仿真电路图在 AD中 绘制原理图 （见 附件 2） ，绘
13、制 时 为便于检查和修 整 ，也将其按 功能 模块绘制 （见 附件 3） 。 19 待 原理图全部绘制完成 后 ，便可在 AD 中 绘制 PCB 电路板（ PCB 及其各层见附件 4） 。 当 PCB绘制完成检查没有问题后，便可 打 样开板 。（由 电路图 列出 元器件清单 见 附件 5） 。 PCB实物 图见图 11。 图 11 PCB 实物 图 电路 的焊接、装配与调试 焊接 对照 原理图和 PCB板 将需要用到的元器件找齐并分类放好 。 20 进行 焊接：先焊电容和电阻等较小 、 较矮的 器件 ，再焊芯片插座和排针等较大 、较高的器件。 焊接 时才发现实验室现有 的自复位按钮和 之前 P
14、CB 上 的自复位按钮的封装并不完全一样， 最后 将现有的自复位按钮插脚弄弯后进行 强 耦合 。除了 不是很美观外并不影响性能。 全部 焊好后再检查一遍，看是否存在 漏 焊虚焊等情况。 装配 检查 完毕 后 将 芯片 和 数码管 按照原理图和 PCB 稳当 的插 在 对应位置，此时应当注意 芯片 的引脚要和 PCB上 的相对应。具体 办法 为 看 芯片和 PCB上 芯片 的小 “U”槽 对应。 待 全部 安装完成后， 再 检查一遍 有无 安装错误和安装松动等，如有 及时 改正 。 待 检查完毕，确认无误后即可开始 进行 硬件测试。 调试 测试 时， 为 防止直接短路烧毁电源和引发火灾等情况，
15、应 先 用万用表欧姆档放在电源接头 端 测试一下 输入 电阻，如果输入电阻很小的话不 能 接通电源 防止 短路 。 如果输入电阻很大， 再 接通 电源 进行 测试。 该设计 中 焊接 装配完成后测试输入电阻 很大 ，接近断路状态。 通入 额定电源， 查看 现象。 该设计 中 最开始 接通电源后，只有高位数码管显示 2， 低位不显示。将 数码管 拆下 换过位置后低位正常显示 4， 高位不显示 。 最后 确定为 其中一只数码管坏了或 用 错了，经用 万用 表测试后发现 这只 数码管是共阳的， 最后 查证为 商家发错货了， 最后 换成两只 共 阴的数码管，接通电源后两只数码管均正常显示，显示值为 2
16、4。 证明 硬件 电路并无重大错误。 点击 开始按钮，电路开始进行 倒计时 ，而且按键按下和弹起时并无闪烁 和 跳变 情况 ， 说明消抖电路如期正常工作。 但是 倒计时频率很快，说明电路还有 问题 。电路 中 涉及 到频率的就只有 555定时器 组成的时钟源，说明时钟源 处 有问题 。 而一般影响频率的就是电阻和电容，经过排查，发现一个电阻焊错了，一个 47k欧姆 的电阻焊成了 200欧姆 的电阻 。 拆下 重新焊接后 解决 了该问题，倒计时周期约为 1S。 测试 暂停 、继续、复位功能均能达到要求。 至此 整个 设计 和制作过程基本 完 结 。 最后 的 硬件电路能很好的 实现 设计 要求。实物 图如图 12所示 。 21 图 11 硬件 实物图
