1、数 字 电 路课 程 设 计 报 告课题名称：篮球竞赛 30 秒计时器 姓 名：学 号：专业班级：通信工程 1指导教师：设计日期：2013 年 1 月 5 日摘要：随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，计时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。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
2、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。在篮球比赛中，规定了一方的持球时间不能超过 30 秒，否则就被判做犯规。本课程设计的“篮球竞赛 30 秒计时器” ，就可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间 30 秒进行限制。一旦球员的持球时间超过了 30 秒，它自动的报警。本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛 30 秒计时器。它由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和时序控制电路五个部分组成。当计数器接收到秒脉冲后开始倒记数，等递减到 0 时，发光二极管亮光报警。通过控制电路来完成计时器的启动、计数、暂停/继续、译码显示电路的显示等
3、功能。本电路用两个 74LS192 芯片构成递减计数器（30 进制） ；控制电路由 74LS00 和 74LS08 构成；秒脉冲发生器由 555 集成定时器构成；两个数码管构成显示电路。关键字 : 秒脉冲发生器 计时器 光电报警 模块化一、设计原理及要求1.1 设计原理图 1 篮球竞赛 30 秒计时器原理框图篮球竞赛 30 秒计时器原理框图如图 1 所示。功能的电路采用模块化设计，分别都有各自的功能。篮球竞赛 30 秒计时器包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路、报警电路等 5 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 30 秒计时功能，而控制电路控制计数器的启动
4、计数、暂停继续计数。当启动置数开关时，计数器完成置数功能显示 30 秒字样；当启动开关时，计数器开始计数；暂停继续开关连接到连续计数端时，计数器开始连续计数，当连接到暂停计数端时，计数器暂停计数。计数器递减到零时，发出光电报警信号。1.2 设计要求（1） 具有显示 30 秒计时功能；（2） 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；（3） 计时器为 30 秒递减计时，其计时间隔为 1 秒； （4） 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。二、电路设计(1) 8421BCD 码递减计数器模块电路本实验中计数器选用中规模集成电路 74LS192 进行
5、设计，74LS192 是十进制同步加法/减法计数器，它采用 8421BCD 码二-十进制编码，其功能表如表 1所示。74LS192 引脚图如下所示74LS192 引脚图表 1 74LS192 的功能表CPU CPD CR 操作 0 0 置数 1 1 0 加计数1 1 0 减计数 1 清零由此看出,当 LD=1,CR=0,CP D=1 时,如果有时钟脉冲加到 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 时,CO端输出进位下降沿跳变脉冲；当 LD=1，CR=0，CP U=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，当计数到 0 时，BO端输出借位
6、下降沿跳变脉冲。由此设计出三十进制减法计数器，具体电路图如图 2 所示,图中的 Q0-Q7分别接到显示译码器的输入端，CP D端接到秒脉冲发生器的脉冲输出端。图中预置数为N=（0011000） 8421BCD=（30） 10，当低位计数器的借位输出端 BO输出借位脉冲时，高位计数器才开始进行减法计数。当计数到高、低位计数器都为零时，高位计数器的借位输出端 BO输出借位脉冲，使置数端 LD=0，则计数器完成置数，在 CPD端输入脉冲的作用下，进行下一循环的减法计数。图 2 三十进制减法计时器(2) 时钟信号控制电路VCC5VU10A74LS00N U10B74LS00NR210k R310kS2
7、Key = B26250VCC23U7A74LS08D1图 3 时钟信号控制电路图3是时钟脉冲信号 CP 的控制电路 ,控制 CP 的放行与停止。当定时时间未到时，74LS192的借位输出信号BO 2=1时，则CLK信号受“暂停/继续”开关S2的控制，当S2处于“暂停”位置时，门U10A输出0，门U7A关闭，封锁CLK信号，计数器暂停计数；当S2处于“连续”位置时，门U10A输出1，门U2A打开，放行CLK信号，计数器在CLK作用下，继续累计计数。当定时时间到时，BO 2=0，门U7A关闭，封锁CLK信号，计数器保持零状态不变。从而实现了当暂停/连续开关处于暂停状态时，控制电路封锁计数脉冲，计
8、数器停止计数，显示原来的数，而且保持不变；当暂停/连续开关处于连续状态时，计数器正常计数，的功能要求。注意，BO 2是脉冲信号，只有在CP D保持为低电平才能保持不变。(3) 秒脉冲信号产生模块电路U374192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U474192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14GNDVCC5V11 GND9VCCNE555 秒脉冲发生器由 555 集成定时器构成，其引脚图如图 4 所示。NE555 秒脉冲发生器的周期与其充电的时间有关，充电时间由图
9、 11 中的电容 C1、电阻 R1和 R2所决定周期的计算公式为：T=Ln2(R 1+2R2)C1。本实验需要的周期是 1s，计算出较为稳定的电阻电容值为：R 1=15k,R 2=68k, C1=10F,C 2=10nF。计算得 T=1s。555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI15kR168kR210uFC110nFC240VVs016151419图 4 秒脉冲发生电路(4) 显示模块电路显示模块用来显示计时模块输出的即时计时和中途计时结果。是由七段数码管构成，计时模块输出计时信号通过译码器译码由数码管显示出来。如图5所示。U1DCD_HEX_DIG_
10、YELLOW图 5 显示译码电路(5) 光报警模块当计数器递减计数到零 ( 即定时时间到 ) 时 , 控制电路应发出报警信号 , 使计数器保持零状态不变 , 同时报警电路工作。如图 6 所示。当计数到零时,两计数器借位端输出多为低（0）,故本设计将高位片借位反馈到二极管负极性端 ,此时+5V电源经1k电阻使发光二极管发出光电报警2BO信号,完成报警功能,而在递减计数时 , 端输出为高（1）,二极管不报警。2BO+5V600BO2 图 6 发光报警电路三、 性能的测试(1) 秒脉冲信号发生电路的仿真将秒信号发生器接到示波器上，如图 7 所示。观察输出波形，如图 8 所示。 555_VIRTUAL
11、TimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI15kR168kR210nFC240VVs20181719XSC1A BExt Trig+_ + _1010uFC1图 7 秒脉冲信号发生器仿真图 8 秒脉冲信号的波形图(2) 30 秒置数仿真测试启动 S1（低电平）成置数功能 , LD 置为低电平出现 30 秒字样 ; 断开 S1（高电平），LD 置为高电平，计数器开始进行递减计数，如图 9 所示。图 9 30 秒置数仿真测试(3) 暂停/继续仿真测试当暂停/继续开关 S2 处于暂停位置（低电平）时，控制电路封锁计数脉冲，计数器停止计数，显示原来的数，而且保持不变，如图 10 所示；
12、当暂停/继续开关 S2 处于连续位置（高电平）时，计数器正常计数如图 11 所示图 10 暂停仿真测试图 11 连续仿真测试(4) 报警电路的仿真当计数器计到状态“00”时，高位片的借位输出端 BO 产生低电平借位脉冲信号，由此导通发光二极管产生光报警信号。图 12 报警电路的仿真四、设计体会本次课程设计是我到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次学习。设计是我们将来必需的技能，而这次课设恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。从通过理论设计，到仿真软件仿真，最后到确定具体方案，整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，本次课设是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。
13、总的来说，这次课设虽然累，但非常充实。在这次课程设计中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。我经过一段时间的查找资料和思考问题，最终把设计方案设计出来了。其中在查找资料的过程中收获颇丰，在这个过程中使我学会了如何查找文献资料并运用到自己的方案中去。经过一番深思熟虑后设计出比较实用的电路图，然后用仿真软件进行仿真。在仿真的过程中发现了一些问题，并通过自己的努力最终解决了出现的各种问题，在这解决问题的过程中使我学到了许多以前不太了解的知识，同时也培养了思考问题的习惯，经过一番
14、奋斗后，仿真的结果符合设计要求。在连接实物图的过程中须得步步为营，若是一着不慎连错了后果是很严重的，不好检查线路，因此连线时须的小心再小心。经过最后的努力，终于把实物图所产生的结果与仿真一致。要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前提。这样才能对试验中出现的问题进行一定的分析和解决。当然能完成本次设计，更离不开老师辛勤地指导，感谢老师的指导！ 五、 结论本设计主要通过模块化思想，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
15、光电报警信号；控制模块主要是为了实现计时器的启动、直接清零和暂停/连续功能，其中在直接清零时，由外控制开关控制译码器消隐端，从而可以实现显示译码器灭灯；通过暂停/连续开关从而实现断点计时功能。根据实验结果，本设计方案基本完成了设计的要求，总的来说该方案是十分可行的，电路结构简单，条理清晰，结果符合要求。但是由于产生的脉冲信号不易保持以及产生的秒脉冲信号不够稳定和精确的原因还存在着报警时间过短和计数时间不够精确的缺陷，可以通过用分频电路来代替 555 信号发生器来产生稳定的秒脉冲计时信号，来进一步改善电路计时的准确性；对产生的借位脉冲信号时间过短的原因可以用展宽电路把脉冲扩展到足够宽，使发光二极
16、管持续发光。参考文献1.王毓银.数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路第三版）.高等教育出版社.19992.高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.20023.刘修文主编.是用电子电路设计制作.中国电力出版社，20054.朱定华主编.电子电路测试与实验.清华大学出版社，20045.路勇主编.电子电路实验及仿真.北京交通大学出版社，2004附录 I 总电路图附录 II 元器件清单序号 编号 名称 型号 数量1 U3 U4 可逆十进制计数 器 74LS192 22 U10A U10B 二输入一输出与 非门 74LS00N 23 U5A U7A 二输入一输出与 门 74LS08D 24 A1 555 定时器 555_VIRTUAL 1+5v 25 VCC Vs 直流电源+40v 110nF 16 C1 C2 电容10F 1600 110K 215K 168K 17 R1 R2 R3 R6 R7 电阻8 U1 U2 七段显示数码管 DCD_HEX_DIG_YELLOW 2
