數(shù)電課程設計--籃球競賽30s計時器邏輯電路設計

1、<p>　　《數(shù)字電子技術(shù)》課程設計</p><p>　　設計題目： 籃球競賽30s計時器邏輯電路設計 </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息科學與技術(shù) </p><p>　　班 級： 12 信 息 本 </p><p>　　學生姓名：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2013年12月20日</p><p>　　籃球

3、競賽30s計時器邏輯電路設計 </p><p>　　摘要：基于數(shù)字電路課程設計是電子技術(shù)學習中非常重要的一個環(huán)節(jié)，是將理論知識和實踐能力相統(tǒng)一的環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學生能力的環(huán)節(jié)。 </p><p>　　在許多領(lǐng)域中計時器均得到普遍應用，諸如在體育比賽，定時報警器、游戲中的倒計時，交通信號燈、紅綠燈、行人燈、交通信號控制機、還可以用來做為各種藥丸，

4、藥片，膠囊在指定時間提醒用藥等等，由此可見計時器在現(xiàn)代社會是何其重要的。</p><p>　　在籃球比賽中，規(guī)定了隊員的持球時間不能超過30S，否則就犯規(guī)了。本課程設計的“籃球競賽30S計時器”，可用于籃球比賽中，用于對隊員持球時間30S的限制。一旦隊員的持球時間超過了30S，它自動的報警從而判定此隊員的犯規(guī)。 </p><p>　　籃球競賽30S計時器具有計時、暫停、清零、報警的功能，整

5、個電路的設計借助于Proteus仿真軟件和數(shù)字邏輯電路，并在Proteus下設計和進行仿真，得到了預期的結(jié)果。再通過實際焊接和調(diào)試來現(xiàn)實實現(xiàn)這些功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：計時器；脈沖發(fā)生器；數(shù)碼顯示；清零；報警</p><p><b>　　第一章 設計任務</b></p><p>　　籃球競賽30S計時器</p><

6、;p>　　1. 具有顯示30S計時功能；</p><p>　　2．設置外部操作開關(guān)，控制計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)功能；</p><p>　　3．在直接清零時，要求數(shù)碼顯示器滅燈；</p><p>　　4．計時器為30S遞減計時，計時間隔為1S；</p><p>　　5．計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，同時發(fā)出光電報警

7、信號。</p><p>　　第二章 方案設計及比較</p><p><b>　　2.1 設計方案</b></p><p>　　根據(jù)目前所學的知識，主要有以下兩種設計方法</p><p><b>　?。?）.方案一：</b></p><p>　　圖2.1 方案一籃球競賽30S計

8、時器電路</p><p><b>　　（2）.方案二;</b></p><p>　　圖2.2 方案二籃球競賽30S計時器電路</p><p><b>　　2.2 方案比較</b></p><p>　　方案一：雖然元器件也挺多，但對比與方案二更多，而且需要的芯片也更少，這樣所需成本更少，線路更簡單些，

9、焊起來也更快。</p><p>　　方案二：結(jié)構(gòu)復雜，線路很多，用的元器件也比較多，而且要用到兩個555芯片，需要的芯片也更多，這樣在實際焊的過程中工作量比較大。</p><p>　　所以，綜合考慮，選擇方案一較好。</p><p>　　第三章 單元電路分析與設計</p><p>　　3.1 電路設計原理</p><p&g

10、t;　　籃球競賽30S計時器的總體參考方案框圖如圖 3-1 所示。它包括秒脈沖發(fā)生器，30S計時器，單元譯碼顯示部分，報警電路和外部操作信號五大塊組成，其中外部操作信號包括置數(shù)啟動，暫停和清零電路。</p><p>　　圖3.1 籃球競賽30S計時器設計總框圖</p><p><b>　　3.2 單元模塊</b></p><p>　　3.2.1

11、 脈沖產(chǎn)生電路（555定時器） </p><p>　　555定時器主要是通過外接電阻R和電容器C構(gòu)成充、放電電路,并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓,以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路、以及多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器等脈沖波形產(chǎn)生和整形電路。</p><p>　　NE555為8腳時基集成電路，各腳主要功能（集成塊圖在下面） &l

12、t;/p><p>　　1地 GND 2觸發(fā) </p><p>　　3輸出 4復位 </p><p>　　5控制電壓 6門限(閾值) </p><p>　　7放電 8電源電壓Vcc</p><p>　　用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器：&l

13、t;/p><p>　　用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路如圖(a)所示。電路沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài),也不需要外加觸發(fā)信號,利用電源VCC通過R1和R2向電容器C充電,使uC逐漸升高,升到2VCC/3時,uO跳變到低電平,放電端D導通,這時,電容通過電阻R2和D端放電,使uC下降,降到VCC/3時,uO跳變到高電平,D端截止,電源VCC又通過R1和R2向電容器C充電。如此循環(huán),振蕩不停, 電容器C在VCC/3和2VCC

14、/3之間充電和放電,輸出連續(xù)的矩形脈沖,其波形如圖(b)所示。</p><p>　　3.2 脈數(shù)發(fā)生器示意圖</p><p>　　輸出信號uO的脈寬tW1、tW2、周期T的計算公式如下:</p><p>　　tW1＝0.7(R1＋R2)C （3.2.1 – 1） </p><p

15、>　　tW2＝0.7R2C （3.2.1 – 2）</p><p>　　T＝tW1＋tW2＝0.7(R1＋2R2) （3.2.1 – 3）</p><p>　　這里的脈數(shù)發(fā)生器R1 =51 KΩ, R2 = 47 KΩ,C =1 uf</

16、p><p>　　周期T = 0.1 s</p><p><b>　　3.2.2 計時器</b></p><p>　　計時器部分由兩片74Ls192和一片74Ls161組成</p><p>　　（1）. 74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數(shù)器，它可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)分頻器等很多重要

17、的功能.</p><p>　　圖3.3 74Ls161引腳圖</p><p><b>　　管腳圖介紹：</b></p><p>　　時鐘CP和四個數(shù)據(jù)輸入端P0~P3</p><p><b>　　清零/MR</b></p><p><b>　　使能CEP，CET&l

18、t;/b></p><p><b>　　置數(shù)PE</b></p><p>　　數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3</p><p>　　圖3.4 74Ls161功能表</p><p>　　從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“

19、1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”，CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進制以

20、下的任意進制分頻器。</p><p>　　這里將74Ls161置數(shù)為6，計數(shù)從6到15變成十進制計數(shù)器，脈數(shù)發(fā)生器周期為0.1秒，經(jīng)過74Ls161,每循環(huán)一次，TC進位端發(fā)生一個高信號，于是相當于TC端是發(fā)出周期為1秒的脈沖信號。</p><p>　　(2).74LS192 為可預置的十進制同步加/減計數(shù)器（雙時鐘），其清除端是異步的。</p><p>　　圖3.

21、5 74Ls192引腳圖</p><p><b>　　引出端符號 </b></p><p>　　TCD 錯位輸出端（低電平有效）</p><p>　　TCU 進位輸出端（低電平有效） </p><p>　　CPD 減計數(shù)時鐘輸入端（上升沿有效） </p><p>

22、;　　CPU 加計數(shù)時鐘輸入端（上升沿有效） </p><p>　　MR 異步清除端 </p><p>　　P0～P3 并行數(shù)據(jù)輸入端 </p><p>　　PL 異步并行置入控制端（低電平有效） </p><p>　　Q0～Q3 輸出端</p><p>　　當清除端

23、（MR）為高電平時，不管時鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，即可完成清除功能；預置是異步的，當置入控制端（PL）為低電平時，不管時鐘CP的狀態(tài)如何，輸出端（Q0～Q3）即可預置成與數(shù)據(jù)輸入端（P0～P3）相一致的狀態(tài)；計數(shù)是同步的，靠CPD、CPU同時加在4個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。在CPD、CPU上升沿作用下Q0～Q3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當進行加計數(shù)或減計數(shù)時可分別利用CPD或CPU，此時另一個時鐘應為高電平。 當

24、計數(shù)上溢出時，進位輸出端（TCU）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CPU低電平部分的低電平脈沖；當計數(shù)下溢出時，錯位輸出端（TCD）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CPD低電平部分的低電平脈沖。 當把TCD和TCU分別連接后一級的CPD、CPU，即可進行級聯(lián).</p><p>　　74Ls192設計部分如下：</p><p>　　圖3.6 74Ls192設計</p><p>

25、;　　高片74Ls192置數(shù)為3，低片74Ls92置數(shù)為0，低位CP接74Ls161的TC（15管腳）。當?shù)臀?4Ls92從0減為9時，借位端發(fā)出信號，使高位74Ls92從3到2，低位每計數(shù)十下，高位減一下。</p><p>　　3.2.3 單元譯碼顯示部分</p><p>　　單元譯碼顯示部分也由兩部分組成，一部分是74Ls48，一部分是共陰數(shù)碼管。</p><p&g

26、t;　　（1）. 74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，常用在各種數(shù)字電路和單片機系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。</p><p>　　圖3.7 74LS48引腳圖</p><p>　　圖3.8 數(shù)字顯示譯碼器</p><p>　　圖3.9 BCD七段譯碼器真值表</p><p><b>　?。?）.共陰數(shù)碼管</b>&

27、lt;/p><p>　　圖3.10 共陰數(shù)碼管引腳圖</p><p>　　譯碼管和數(shù)碼管的連接:</p><p>　　圖3.11 單元譯碼顯示部分</p><p>　　3.2.4 報警電路</p><p>　　圖3.12 光電報警電路</p><p>　　BO1為低位74LS192的借位端，BO2為

28、高位74LS192的借位端，到低位從0到9時，BO1發(fā)出“0”信號，但不會使發(fā)光二級管亮燈，只有當計數(shù)器見到00時，B01和BO2同時發(fā)出“0”信號，才能使發(fā)光二級管發(fā)光，產(chǎn)生報警作用。</p><p>　　3.2.5 外部操作信號</p><p>　　外部操作信號由置數(shù)，暫停，清零三部分構(gòu)成。</p><p>　　1、操作“清零”開關(guān)，要求計數(shù)器清零，當開關(guān)閉合是

29、繼續(xù)工作，開關(guān)打開是使兩片74ls192的清零端為高電位，于是清零端工作。 2、閉合“啟動”開關(guān)，計數(shù)器應完成置數(shù)功能，顯示器顯示30，斷開“啟動”開關(guān)，計數(shù)器開始進行遞減計數(shù)。 3、當“暫停/連續(xù)”開關(guān)處于閉合時，發(fā)出低電平，通過與555的輸出端與非，從而使與非后的信號一直為高電位，即脈沖信號失效，顯示器保持不變。當此開關(guān)處于打開時，計數(shù)器繼續(xù)累計計數(shù)。</p><p><b>　　總

30、原理圖</b></p><p>　　根據(jù)上述設計思路和參數(shù)設計得到總電路原理圖：</p><p>　　圖4.1 總電路原理圖</p><p>　　第五章 實物圖的連接與調(diào)試</p><p>　　5.1 實物圖的連接</p><p>　　1. 準備數(shù)字電路試驗箱一個，74LS48兩塊、74LS192兩塊 CC

31、4011一塊。</p><p>　　2. 檢測各元件邏輯功能的完整性。</p><p>　　3. 連接實物電路，按要求進行實驗。</p><p>　　5.2 調(diào)試儀器和設備</p><p>　　萬用表 示波器 導線 鑷子</p><p>　　5.3 實物圖的調(diào)試</p><p>　　(1).連

32、接好實物圖后打開電源，合上置數(shù)開關(guān)S1，結(jié)果如圖5.31顯示</p><p>　　圖5.31 實物連接圖</p><p>　　(2).發(fā)現(xiàn)計時器計數(shù)太快，周期差不多是0.1秒，發(fā)現(xiàn)電容弄錯了，于是把電容改小了十倍，再測試周期正常為1秒。</p><p>　　(3).電路開始倒計時。如圖5.32所示</p><p>　　圖5.32 倒計時中&l

33、t;/p><p>　　5.4 電路的調(diào)試結(jié)果及分析</p><p>　　經(jīng)多次調(diào)試后連接5V直流電源后，數(shù)碼管首先顯示數(shù)字為00，閉合置數(shù)開關(guān)，數(shù)字顯示為30，打開置數(shù)開關(guān)，計數(shù)器開始計時，從30一直到00，計數(shù)期間按下暫停鍵，數(shù)碼管顯示不變，打開后繼續(xù)計算，當數(shù)碼管到了00時，發(fā)光二極管發(fā)亮同時數(shù)碼管顯示不變，停在00。結(jié)果與設計要求都符合，說明這次設計成功。</p><

34、p><b>　　第六章 實驗總結(jié)</b></p><p>　　在本次的課程設計中通過自己選題，找材料，分析、設計等，也掌一些軟件的操作方法，這為以后的學習做了鋪墊。整個設計實現(xiàn)了從單一的理論學習到解決實際問題的轉(zhuǎn)變。 通過本次的課程設計，最大的收獲就是提高了自身的動手能力，培養(yǎng)了尋求解決問題的能力和團隊精神,也增強了其它方面的能力。在設計中，充分應用所學的知識。這次實踐讓人受益匪淺，在

35、摸索該如何設計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了大家的設計思維，增強了實際操作能力。在讓大家體會到設計電路艱辛的同時，更體會到成功的喜悅和快樂。</p><p>　　這次設計所用的的仿真軟件工具是Multisim，總體上感覺Multisim這軟件還不錯，以后多練習，以便更好的運用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

36、;p>　　[1].余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎簡明教程（第二版）.高等教育出版社，1999.</p><p>　　[2].陳大欽.電子技術(shù)基礎實驗.高等教育出版社，2000.</p><p>　　[3].唐穎、馬杰、王海云.數(shù)字電路.重慶大學出版設，2004。</p><p>　　[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎.北京：高等教育出版社，2006.</p>

37、<p>　　[5] 代啟化．Proteus在電路系統(tǒng)設計中的應用.2006.</p><p>　　[6] 肖景和．CMOS數(shù)字電路應用300例.中國電力出版社,2006.</p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)》課程設計評分表</p><p>　　設計題目：XXXX 學生姓名：某某