1、目录1 引言 12 方案的选定 22.1 设计任务及要求 22.2 计时器的特点及其应用 22.3 设计方案的比较与选定 23 电路设计原理与实验电路 .33.1 试验理论分析 .33.2 电路设计 .43.2.1 标准脉冲发生电路的设计 .43.2.2 计数器电路的设计 .53.2.3 单元译码显示电路的设计 .73.2.4 控制电路的设计 .83.2.5 报警电路的设计 .84 电源电路 .95 电路的仿真 .106 重要元器件引脚图及逻辑图 .126.1 74LS192 资料 126.2 74LS48 资料 13结束语 14参考文献 15附录 1 原件清单 .16附录 2 原理图 .17
2、致谢 18前言电子课程设计是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。 在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机、还可以用来做时间提醒设备等等，由此可见计时器在现代社会是何其重要的。篮球作为一项全民健身项目，已有一定的历史。在中国，篮球很盛行，篮球比赛也日趋职业化。篮球比赛中有一项违例时间要用倒计时器，目前多数采用的是 24 秒制，但随着篮球制度的改革将会采用 30 秒制。有需要就会有市场，因此设计一款 30 秒计时器是非常有必要也非常有前景的。该款计时
3、器是在原来的基础上把 24 秒制改为 30 秒制。该计时器要有递减计时及报警功能。因此符合比赛中违例判罚的需要。 在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过 30 秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛 30 秒计时器” ，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间 30 秒限制。一旦球员的持球时间超过了 30 秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。 本设计主要能完成：显示 30 秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器全部显示为“0” ；计时器为 30 秒递减计时其计时间隔为 0.1 秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同
4、时发出光电报警信号等。 整个电路的设计借助于 Multisim 10.0.1 仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在 Multisim 10.0.1 下设计和进行仿真，得到了预期的结果。 2 方案的选定2.1 设计任务及要求基本要求：设计一个计时器，要求具有显示 24 秒计时功能。设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能。在直接清零时，要求数码显示器灭灯。计时器为 24 秒递减计时，计时间隔为 1 秒。提高要求：计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。2.2 计时器的特点及其应用此篮球计时器操作方便，具有直接清零、启动和暂停/连续功能以及报警功能，
5、大量的运用在篮球比赛里。2.3 设计方案的比较与选定本设计的核心部分是要设计一个 24s 倒计数器，并且对计数结果进行实时显示，同时要实现设计任务中提到的各种控制要求，因此该系统包括秒脉冲发生电路，计数器电路，译码显示电路，控制电路和电路报警电路 5 部分。其中，计数器电路和控制电路时系统的主要部分。计数器电路完成 24s 倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动记数、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，数码显示器显示零。当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP
6、，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示 24S 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，出于保持状态；当暂停、连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。系统设计框图如（1） 、 （2） 。（1）方案 1：图 1 整体方框图一（2）方案 2：秒脉冲发生器计数器控制电路 报警电路译码显示外部操作开关图 2 整体方框图二方案一的控制电路对每一单元模块实行独立的控制，相对与方案 2 电路更具有稳定性，所以我们选择方案 1。秒脉冲发生器 计数器 译码显示控制电路报警电路外部操作开关3 电路设计原理与实验电路3.1 试验理论分析（1）8421BCD 码
7、24 进制数递减计数器是由 74LS192 构成的。74LS192 是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。在减计数时，当需要进行多级扩展连接时，只要将低位的 BO 端接到高位的 PD 端 ，因为只有当低位片的计数结果到零状态时，BO 才会有脉冲输出，且以低电平作为有效输出。只有当低位 BO 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 PD 端得输入时钟脉冲作用下，计数器进入下一轮循环减计数。此计数器预置数为 N=（00100100 ）=（24）10。.（2）辅助时序控制电路，由与非
8、门电路控制时钟信号 CP 的放行与禁止。（3）本设计要求计时的时间间隔为 1s，输出频率为 1HZ，所以脉冲频率要为10HZ。采用由 555 集成块组成的标准脉冲发生电路。3.2 电路设计此计数器由秒脉冲发生电路，计数器电路，译码显示电路，控制电路和电路报警电路 5 部分组成。3.2.1 标准脉冲发生电路的设计秒脉冲发生电路产生的信号是电路的时序脉冲和定时标准，本电路采用 555 集成电路构成。TRIG2OUT34CVOLT 5THOLD 6DISCHG 781RESET VCCGNDU6NE555R115kR268kC21uFC10.01uFR91KVCC图 3 标准秒脉冲发生电路标准脉冲电
9、路如上图所示 1，它由555定时器组成的多谐振荡器，为系统提供时钟秒脉冲。555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通V CC通过电阻R 1和R 2向电容C 2充电，其上电压按指数规律上升，当U C上升至2/3V CC，使3脚输出为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C 2通过R 2和T放电，2脚处电压下降，当2脚处电压下降到V CC/3时，3脚处电压翻转为高电平，电容C 2放电所需的时间为CRtpL227.0ln（1）当放电结束时，T截止，V CC将通过R 1，R 2向电容C 2充电，2处电压由V CC上升到2/3VCC所需时间为tpH）（ 21217.0ln)(（2）当U C上升到2/3
10、V CC时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到了一个周期性的矩形波。定时元件 为15k、 为68k、C为10F ，产生1Hz的标准脉冲信号，振荡器振1R2荡频率计算公式CRtfpHL)2(43.1（3）3.2.2 计数器电路的设计89 10U1C74LS00CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7U474LS192CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7U574LS192VCCBI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U77
11、4LS48BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U274LS4876421910abcdefg5 dp3abfcgdedp8DS2JM-S05011B76421910abcdefg5 dp3abfcgdedp8DS1JM-S05011BS2SW-SPDTR61KR71KC310uFVCCVCCS3SW SPST信信信信图 4 计数器及译码显示电路计数器采用 74LS192 同步可逆双时钟计数器 5，其管脚引线排列图如图 4 所示。74LS192 的 UP/ DOWN 端分别是加/减计数器的时钟输入端。在置数控制端 LOAD=1. 清零端 CLR=0
12、 的情况下，若 DOWN=1，计数脉冲加入到 UP 端，则计数器在预置数的基础上完成加计数，CO 端发出进位负脉冲，若 UP=1，计数脉冲加入到 DOWN 端，则计数器在预置数的基础上完成减计数，当减计数到 0 时，BO 借位输出端发出借位负跳变脉冲。LOAD 为异步并行置数端，当 LOAD=0 时，计数器置数，LOAD=1 时，计数器处于计数状态.计数器及译码显示电路如图 4 所示。用两片 74LS192 设计成二十四进制减法计数器，由 74LS48 译码，7 端码显示器显示计时时间。计数器个位接成四进制，置数端 A.C .D 均接低电平“0”,计数器十位接成二进制，A. B 两置数端接高电
13、平“1” ，C.D 端接低电平“0” 。计数脉冲信号接入个位计数器的 DOWN 减脉冲输入端（UP 端接高电平） 。根据设计要求，计数器计数到零时停止计数，为此，将十位计数器的 BO 借位端与脉冲信号源通过与门连接，使计数到零时，BO=0 ，封锁 CP 信号，计数器保持零状态不变，控制电路发出报警声信号，使报警电路工作，信号灯亮。3.2.3 单元译码显示电路的设计BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U774LS48BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U274LS4876421910abcdefg5d
14、p3abfcgdedp8DS2JM-S05011B76421910abcdefg5dp3abfcgdedp8DS1JM-S05011BVCCVCC图 5 单元译码显示电路用 74LS48 和共阴极 LED 显示器组成，如图 7 所示，74LS48 输入信号为 BCD 码，输出端为 a、 b、c 、d、e、f、g 共七线，另有 3 条控制线。LT 端为测试端。在 LT 端接高电平的条件下，无论输入端 A、B、C、D 为何值，ag 输出全部为高电平，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。在 BI/RBO=1 的条件下，当输入 A、B、C 、D 不全为零时，仍
15、能正常译码输出，使显示器正常显示。BI/RBO 端为消隐输入端。该输入端具有最高级别的控制权，当该端为低电平时，不管其他输入端为何值，输出端 ag 均为低电平，这可使共阴显示器熄灭。另外，该端还有第二个功能灭零信号输出端，当该位输入的 A、B、C、D=0000 时，此时输出低电平；若该位输入的 A、B、C 、D 不等于零，则输出高电平。若将 RBI 与 BI/RBO 配合使用，很容易实现多位数码显示时的灭零控制。74LS48 可直接驱动共阴极 LED 数码管而不需要外界限流电阻。此处要是保持数码管不黑屏就将 BI/RB0，RBI 置 1 就可以了，LT 是检查数码管的好坏的，如果不需要的话直接
16、接高电平。其他端口按照 abcdefg 的对应关系连接好以保证显示正确，确保接地成功。此处将 BI/RB0、RBO 、LT 全部接高电压，是为了让数码管正常工作，这三端只在焊接电路板时对数码管进行好坏的检测时使用。3.2.4 控制电路的设计1 2 1312U3A74LS10S1SW-SPDTR41K R31KVCC VCC1 23U1A74LS004 56U1B74LS0089 10U1C74LS00R5510D1LED0VCCVCCS2SW-SPDTR61KR71KC310uF S3SW SPSTVCCCLRLOAD信信信信DOWN图 6 控制电路篮球竞赛 24 秒计时器功能控制由外部开关控
17、制实现，如图 8 所示 S1 控制计数器的暂停/ 计数控制。S1 为“1”时（左合） ，秒脉冲发生器发出的脉冲信号被封锁，计数器暂停计数，当 S1 为“0” 时（右合） ，控制门电路打开，秒脉冲信号送到计数器的减脉冲输入端，开关 S3 控制 LOAD 的异步并行置数控制端，当 S3 闭合时，LOAD=0，计数器预置数，S3 断开时， LOAD=1，计数器处于计数工作状态。计数器清零由 S2 开关控制，CLR=1 时计数器清零， CLR=0 时，计数器正常计数。3.2.5 报警电路的设计R 55 1 0D 1LE D 0V C C图 7 放光报警电路如图 7 所示，报警电路采用 DIODE LE
18、D 型号发光二极管，发光二极管具有单向导电性。只有当外加的正向电压使得正向电路足够大时才发光，它的开启电压比普通二极管的大，正向电流越大，发光越强。当 24 秒计时结束到 00 时，发光二极管发光提醒计时人员。4 电源电路电源变压器 整流器 滤波器 稳压器U1 U2 U3 U4图 8 直流稳压电源结构图电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，尤其此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要稳压电路。稳压电
19、路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。1234D2BRIDGE1+C122200ufVin1GND2Vout 37805C130.33ufC150.33ufT1C14100ufD3DIODE220V+5V图 9 电源电路直流稳压交流电经过整流和滤波可以变成直流电，但是它的电压是不稳定的，供电电压的变化或用电电流的变化，都能引起电源电压的波动。要获得稳定不变的直流电源，还必须再增加由 7805 稳压块组成的直流稳压电路，图中电流稳压交流电经过桥堆的整流后，会产生纹波，很不稳定，在其后面接 C12，进行滤波，由于电解电容具有电感性，无法完全消除纹波，这个时候就需要再后面
20、再并联一个小电容 C13，C12 是输入端的滤波电容，C14 是输出端的滤波电容，电路中 7805 是三端集成稳压器，输出正 5V 直流电压，输入电压至少大于 7V，使输入/输出之间有 2-3V 及以上的压差。5 电路的仿真图 10 仿真图将各部分电路模块连接成完整的篮球竞赛 24 秒计数电路，如图 5 所示。篮球竞赛24 秒计时器开始计数之前，首先将控制开关 S3 左合，使计数器清零端 CLR=1，计数器清零。此时，显示器显示“00“ 。然后将 S3 右合，使 CLR=0，不影响计数器的工作状态。将计数/暂停控制开关 S1 右合，使计数器处于计数状态。此时，控制开关 S1 引入低电平，打开控
21、制门电路，秒脉冲信号将通过与非门和反相器输入到个位计数器的减计数输入端 DOWN 端。再将置数端控制门开关 S3 闭合，使 LOAD=0，对 74192 进行预置数。由于计数器已经设置成二十四进制，为此，显示器将显示 24。断开开关 S3（LOAD=1 ） ，计数器从二十四开始减计数，计数时间到，十位计数器的借位端 BO=0，此信号将关闭控制门电路，秒脉冲信号被封锁，计数器不能获得计数脉冲而暂停计数，并保持零状态不变，显示器显示“00”，一次计时完成。同时，控制电路发出报警信号，报警电路工作，信号灯亮。6 重要元器件引脚图及逻辑图 6.1 74LS192 资料图中：PL 为置数端，CP U 为
22、加计数端，CP D 为减计数端，TC U 为非同步进位输出端， TCD 为非同步借位输出端，P0 、P1、P2、P3 为计数器输入端，MR 为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3 为数据输出端 3。图 11 74LS192 的引脚排列及逻辑符号表一 74LS192 真值表输入 输出MR PL CPU CPD P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q01 0 0 0 00 0 D C B A D C B A0 1 1 加计数0 1 1 减计数6.274LS48 资料图 12 74LS48 逻辑图输出端（ag）为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极 VLED。当要求输出 015时，消隐输入（BI)应为
23、高电平或开路，对于输出为 0 时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路，当（BI）为低电平时，不管其他输入端状态如何，ag 均为低电平，让 RBI 和地址端（A0A3) 均为低电平，并且灯测试端（LT）为高电平时，ag 为低电平，脉冲消隐输出（RBO）也变为低电平，当 BI 为高电平或开路时，LT 为低电平可使ag 均为高电平 4。表 2 引出端符号A0A3 译码地址输入端BI/RBO 消隐输入（低电平有效）/脉冲消 隐输出（低电平有效）LT 灯测试输入端（低电平有效）RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效）ag 输出附录 1 原件清单表格二 元件清单元件类型 数目 7 段共阴数码管 274
24、LS192 集成块 274LS00 集成块 174LS10 集成块 1NE555 174LS48 集成块 2单刀开关 1单刀双置开关 2电容 10F 2电容 48F 1电容 100F 2电容 0.01F 3电容 0.1F 2电阻 510欧 1电阻 15k 1电阻 68K 1电阻 1K 4导线 若干PCB 板 1桥堆 17805 集成块 1附录 2 原理图TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU6 NE555R1 15k R2 68k C21uFC10.01uFR9 1K121312 U3A74LS10S1 SW-SPDTR4 1KR3 1KVCCV
25、CC123 U1A74LS00456 U1B74LS008 910U1C74LS00R5 510D1 LED0CLR 14UP 5DWN 4LD 11CO12 BO13A 15QA3 B 1QB2C 10QC6 D 9QD7U474LS192CLR 14UP 5DWN 4LD 11CO12 BO13A 15QA3 B 1QB2C 10QC6 D 9QD7U574LS192VCCVCCVCCBI/RBO 4RBI 5LT 3A 7B 1C 2D 6a13 b12c11 d10e9 f15g14 U7 74LS48BI/RBO 4RBI 5LT 3A 7B 1C 2D 6a13 b12c11 d1
26、0e9 f15g14 U2 74LS487 6 4 2 1 9 10a b c d e f g5dp3abfcgdedp8DS2JM-S05011B7 6 4 2 1 9 10a b c d e f g5dp3abfcgdedp8DS1JM-S05011BS2 SW-SPDTR6 1KR7 1KC310uFVCCVCCS3 SW SPSTC4 100uC5 0.1uC9 47uC6 0.1uC10 47uC7 0.1uVCCU1信信信信信U2信信U3信信C11 47uC8 0.1uU4信信1 2J3 CON21234D2 BRIDGE1+C12 2200ufVin1GND 2Vout37805C130.33ufC14 0.33ufT1C14 100ufD3DIODE220V+5V图 13 完整电路图
