1、 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： 指导教师： 职称 讲师 专 业：电气 班 级：电气 完成时间： 2012-6-6 数字电子技术课程设计2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
2、”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。数字电子技术课程设计3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、还可以用来做为各种药丸，药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，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
3、24 秒制。有需要就会有市场，因此设计一款 24 秒计时器是非常有必要也非常有前景的。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 NBA 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 24 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；计时器为 24 秒递减计时其计时间隔为 1 秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光
4、电报警信号等。 整个电路的设计借助于 proteus 仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在 proteus 下设计和进行仿真，得到了预期的结果。 数字电子技术课程设计4目 录第 1 章电路方案的选择及电路框图 .51.1 设计方案 .51.2 电路框图 .5第 2 章 设计思路及其工作原理的介绍 .62.1 设计思路 .62.2 基本原理 .6第 3 章 单元电路的设计 .83.1 24 进制计数器的设计 .83.2 数码显示电路的设计 .93.3 秒脉冲的设计 .113.4 控制开关电路的设计 .133.5 报警电路的设计 .133.6 整机工作原理 .14第 4 章 电路仿真 .154
5、.1 计时预备阶段. .154.2 计时阶段 164.3 暂停连续功能的实现 174.4 电路报警 18第 5 章 安装及调试步骤 .19第 6 章 故障分析与电路改进 .206.1 故障的分析和解决 206.2 电路的改进. .20结束语 .21参考文献 .22数字电子技术课程设计5附录 1 篮球竞赛 24 秒计时器总电路原理图 23附录 2 元器件清单 24第 1 章 电路方案的选择及电路框图1.1 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
6、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，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，在考虑到用低成本都能完成同样的效果的前提下以及此次做的是数字电子技术课程设计，因紧贴数字电子技术的相关知识，所以在本次设计采用方案一。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
7、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。控制电路计数器报警电路译码显示秒脉冲发生器数字电子技术课程设计6图 1-1 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
8、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
9、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
10、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。数字电子技术课程设计7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
11、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。数字电子技术课程设计8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
12、、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 加计数数字电子技术课程设计9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；若时钟脉冲加到 CD 端，且 CU=1，则计数器在
13、预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到 0 时，TC D 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 , 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0 1 1 减计数数字电子技术课程设计10根据设计的要求采用 74LS48 译码器来驱动共阴极数码显
14、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。Error! 为测试端，低电平有效，当Error!=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Erro
15、r!=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。输入 输出数字 Error!Error! A B C D BI/RBO a b c d e f g 字形数字电子技术课程设计11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
16、，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。012345678911111111111XXXXXXXXX0 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
17、 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数字电子技术课程设计12NE555 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
18、：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Error! No bookmark name given. VCC13H 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。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
19、 0.01uF 电容 C2。接通电源后，V CC 通过 R1，R2 对 C1 充电，DIS 上升。开始时DIS VCC，高电平触发端 TH VCC，低23 23电平触发端Error! VCC，定时器复位，放电管饱和导通，C1 通过 R5 放电，13数字电子技术课程设计13DIS 下降。当 DIS VCC 时，又回到高电平触发端 TH VCC，定时器又置位，13 23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) C1 Tw2=0.7R2 C1振荡周期计算公式：T=0.7 (R2 +2R5) C11s图 3-53.4 控制开关电路的设
20、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 所示数字电子技术课程设计14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
21、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 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
22、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。数字电子技术课程设计15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、
23、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 74LS1
24、92 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。数字电子技术课程设计164.2.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。数字电子技术课程设计174.3.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，
25、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。数字电子技术课程设计184.4.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，产生光电报警信号数字电子技术课程设计19第 5 章 安装及调试步骤5.1.按照 PCB 板的规格，设定好各集成芯片的排放位置、测试各芯片是否与面板接触良好。5.2.用异步可逆双时钟 BCD 计数
26、器 74LS192 及相关门实现定时倒计时电路。5.3.当检测出问题后分析其原因，是元器件本身原因还是接线错误，更换元件或重新正确接线，保证电路的正确运行。5.4.确定个元器件是否能正常工作。5.4.整体综合连接，测试整体性能。数字电子技术课程设计20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
27、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
28、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。数字电子技术课程设计21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
29、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。数字电子技术课程设计22参考文献1. 杨志忠主编 数字电子技术 高等教育出版社 20082. 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20043. 阎石主编 电子技术基础（数字部分） 高等教育出版社 20064. 白中英主编 数字逻辑与数字系统 科学出版社 20025. 谢自美主编 电子线路设计.实验.测试 华
30、中科技大学出版社 20016. 朱余钊主编 电子材料与元件 西安电子科技大学出版社 20027. 杨志忠主编 数字电子技术 高等教育出版社 20008. 王彦平主编 PROTEL99 电路设计指南 清华大学出版社 20009. 朱清慧、张凤蕊主编Proteus 教程 清华大学出版社 2008数字电子技术课程设计23附录 A 篮球竞赛 24 秒计时器总电路原理图123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSize B Date:6-Jun-2012 Sheet of File:D:数数数数数数数数数数数数.DDBDrawnBy:12 3U1A74LS001
31、2U9A 74LS04123U7A 74LS081 23U11A 74LS321 23U15A 74LS32BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14VCC16 GND 8UA 74LS48BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14VCC16 GND 8UB 74LS48CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7VCC16 GND 8U5 74LS192CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7VCC16 GND
32、 8U6 74LS192TRIG2OUT3RESET4CVOLT5THOLD6DISCHG7VCC8GND 1RESEVCGNDU33 555A1B2 BUZ1BUZER11 2 2C210nF11 2 2+C110uFa bfcgdeDPY LEDgna1b2c3d4e5f6g7a b c d e f gDS2 DPY_7-SEGa bfcgdeDPY LEDgna1b2c3d4e5f6g7a b c d e f gDS1 DPY_7-SEG1 122 SW3SW-PB1 122 SW2SW-PB1122SW1 SW-SPST1 122 R120K 1 122 R262K1122R3 1K1
33、 122 R43.7K1 122 R54.7K1122R6 1.5K复位暂停/连续启动1 12 2J1CON21122D1 LED4 56U1B 74LS0089 10U1C 74LS004 56U11B 74LS329 108U11C 74LS3212 1311U11D 74LS32数字电子技术课程设计24附录 B 元器件清单部件类型 元件标号 封装1.5K R6 AXIAL0.31K R3 AXIAL0.33.7K R4 AXIAL0.34.7K R5 AXIAL0.310nF C2 C10uF C1 C320K R1 AXIAL0.362K R2 AXIAL0.374LS00 U1 DIP-1474LS04 U9 DIP-1474LS08 U7 DIP-1474L S32 U11 DIP-1474LS32 U15 DIP-1474LS48 UB DIP-1674LS48 UA DIP-1674LS192 U6 DIP-1674LS192 U5 DIP-16555 U33 555BUZZER BUZ1 LS1CON2 J1 JPDPY_7-SEG DS2 SMGDPY_7SEG DS1 SMGLED D1 DSW-PB SW3 S1SW-PB SW2 S1SW-SPST SW1 KG芯片底座若干
