篮球24秒课程设计.docx
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篮球24秒课程设计
学号:
课程设计
题目
篮球24秒计时器
学院
自动化学院
专业
电气工程及其自动化
班级
电气12
姓名
指导教师
翁显耀
2104
年
7
月
1
日
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
翁显耀工作单位:
武汉理工大学
题目:
篮球24秒记时器的设计与制作
初始条件:
(1)具备显示24秒记时功能
(2)计时器为递减工作,间隔为1S
(3)递减到0时发声光报警信号
(4)设置外部开关,控制计时器的清0,启动及暂停
要求完成的主要任务:
(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)
(1)设计任务及要求
(2)方案比较及认证
(3)系统框图,原理说明
(4)硬件原理,完整电路图,采用器件的功能说明
(5)调试记录及结果分析
(6)对成果的评价及改进方法
(7)总结(收获及体会)
(8)参考资料
(9)附录:
器件表,芯片资料
时间安排:
7月1日~7月3日:
明确课题,收集资料,方案确定
7月3日~7月5日:
整体设计,硬件电路调试
7月5日~7月7日;报告撰写,交设计报告,答辩
指导教师签名:
2014年7月日
摘要……………………………………………………………1
3.原理图4
3.1原理框图4
3.2电路图5
4.单元电路的设计6
4.1进制计数器的设计6
4.2数码显示电路的设计7
4.3秒脉冲的设计9
4.4控制开关电路的设计...11
4.5报警电路的设计11
4.6整机工作原理12
5.电路仿真13
5.1计时预备阶段13
5.2计时阶段...14
5.4电路报警15
6.电路调试16
6.1安装及调试16
6.2故障分析和解决16
6.3电路的改进16
附录3本科生课程设计成绩评定表
摘要
此篮球24秒计时器主要由五个模块构成:
秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路,主要采用555作为振荡电路,由74LS192、74LS48和七段共阴LED数码管构成计时显示电路,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。
当控制电路的置数开关闭合时,在数码管上显示数字24,每当一个秒脉信号输入到计数器时,数码管上的数字就会自动减1,当计时器递减到零时报警电路发出光电报警号。
篮球24秒计时器
要求设计一个篮球24秒计时器,其要求如下:
(1)具备显示24秒记时功能
(2)计时器为递减工作,间隔为1S
(3)递减到0时发声光报警信号
(4)设置外部开关,控制计时器的清0,启动及暂停
其任务如下:
(1)设计任务及要求
(2)方案比较及认证
(3)系统框图,原理说明
(4)硬件原理,完整电路图,采用器件的功能说明
(5)调试记录及结果分析
(6)对成果的评价及改进方法
(7)总结(收获及体会)
(8)参考资料
(9)附录:
器件表,芯片资料
方案一:
该方案的计数部分是由具有十进制加计数器功能的74LS90芯片和具有十六进制加计数功能的74LS161芯片组成的减计数器,由555多谐振荡电路发出秒脉冲,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7段数码显示管进行显示,从而实验各功能。
方案二:
该方案由两片74LS192加减计数器作为核心部分。
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,所以我们使用了三个开关来控制计数器的各功能的实现,从而实现各种功能。
两个方案的脉冲发生部分都是由555多谐振荡电路组成,没有多大区别,主要区别在于计数部分,方案一采用加计数器,方案二采用减计数器,从电路结构看,方案一用到了异或门和7个非门,较方案二复杂的多。
在功能实现方面,方案二满足实验要求,而方案一中的低位有74LS161和非门组成,显示数为161输出二进制数反码所对应的数,0即二进制0000对应1111,74LS161不能实现,因而不能实现清零功能,所以选择方案二。
3.原理图
3.1原理框图
篮球24秒倒计时计时器的方案框图如图所示。
它是由秒脉冲发生器、计数器、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,控制电路控制秒脉冲发生器暂停/连续。
图3.124秒计时器系统设计框图
3.2电路图
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。
比赛开始前,利用置数开关将其置数24,比赛开始后,24秒的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通过传输门将时钟截断,使计时器在计数到零时停住。
图3.2总体电路图
4.单元电路的设计
4.1进制计数器的设计
计数器选用集成电路74LS192进行设计,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。
其引脚图如图4.1,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),TCU和TCD是进位、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4.174LS192的引脚排列
74LS192的功能表见表4.1所示。
表4.174LS192功能表
输入
输出
MR
CU
CD
P0
P1
P2
P3
Q0
Q1
Q2
Q3
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
a
b
c
d
a
b
c
d
0
1
↑
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
↓
×
×
×
×
减计数
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,TCU端发出进位下跳变脉冲;若时钟脉冲加到CD端,且CU=1,则计数器在预置数的基础上完成减计数功能,当减计数到0时,TCD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4.28421BCD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。
4.2数码显示电路的设计
根据设计的要求采用74LS48译码器来驱动共阴极数码显示管。
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4.3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4.3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。
——LT为测试端,低电平有效,当——LT=0时,无论输入端A、B、C、D为何值,a~g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。
———RBI为灭零输入端,低电平有效。
在——LT=1,———RBI=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。
BI\RBI是一个特殊的端口,有时作用于输入,有时作用于输出。
74LS48功能表见表4.2。
输入
输出
字形
数字
——LT
———RBI
ABCD
BI/RBO
abcdefg
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
X
X
X
X
X
X
X
X
X
0000
1000
0100
1100
0010
1010
0110
1110
0001
1001
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1111110
1100000
1101101
1111001
0110011
1011011
1011111
1110000
1111111
1111011
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
消隐
脉冲消隐
灯测试
X
1
0
X
0
X
XXXX
0000
XXXX
0
0
1
0000000
0000000
1111111
8
表4.274LS48的功能表
七短数码管的引脚图如图4.4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,在设计中没要求不需要对其处理。
图4.4七短数码显示管的引脚图
4.3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。
NE555引脚功能:
TH:
高电平触发端,简称高触发端,又称阈值端,——TR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4.3
表4.3555定时器控制功能表
输入
输出
TH
RES
OUT
DIS
×
×
L
L
导通
<
VCC
<
VCC
H
H
截止
<
VCC
>
VCC
H
不变
不变
>
VCC
×
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4.5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10nF电容C2。
接通电源后,VCC通过R1,R2对C1充电,DIS上升。
开始时DIS<
VCC,即高电平触发端TH<
VCC,低电平触发——TR<
VCC,定时器置位,放电管截止。
随后DIS越充越高,当DIS>
VCC,高电平触发端TH>
VCC,低电平触发端——TR>
VCC,定时器复位,放电管饱和导通,C1通过R5放电,DIS下降。
当DIS<
VCC时,又回到高电平触发端TH<
VCC,定时器又置位,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(R1+R2)C1
Tw2=0.7R2C1
振荡周期计算公式:
T=0.7(R1+2R2)C1≈1s
4.4控制开关电路的设计
在本次设计中需实现计数器的暂停、复位和启动控制,启动置数开关和74192的11脚相连即可,置零开关与74192的14脚相连即可。
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。
4.5报警电路的设计
根据设计要求,要产生光电报警,我们采用八输入或非门4078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4.6所示
图4.6报警电路设计
或非门4078的输入与两个74LS192的八个输出端相连,当输出端全部为低电平时4078的输出才为高电平,此时导通发光二极管和蜂鸣器,产生光电报警信号。
4.6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可见图中有三个开关,中间开关为置数,右边开关为暂停,左边开关为清零。
中间开关闭合,74LS192被置数,显示电路出现数字24。
完成置数后断开中间开关,启动计时。
若此时秒脉冲电路的右边开关为断开,则产生连续秒脉信号输入到计数器,数码管上的数字就会自动减1,闭合右边开关,秒脉冲暂停,计数递减暂停,断开右边开关又恢复计数递减,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4078输出端高低电平的变化。
由附录1可见,当74LS192的8个输出全为低电平时,换而言之,就是计数到零时,4078输出高电平,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。
5.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、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。
其仿真结果如下:
5.1计时预备阶段
闭合中间开关,断开右边开关,启动仿真软件,此时74LS192开始工作,高位74LS192输入0010,低位74LS192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。
5.2计时阶段
断开中间开关进入计时阶段,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。
在计时阶段中,由右边开关来控制暂停/连续,闭合右边开关,555秒脉冲暂停,低位74LS192停止工作,数码管递减停止,反之,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
5.4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,则4078输出高电平,于是LED灯、蜂鸣器导通,产生光电报警信号。
6.电路调试
6.1安装及调试
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。
2.用异步可逆双时钟BCD计数器74LS192及相关门实现定时倒计时电路。
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。
4.确定各元器件是否能正常工作。
5.整体综合连接,测试整体性能。
6.2故障分析和解决
1.计数过程中出现乱码。
原因就是74LS192芯片的CP端出现接触不良,也就是导线扰动,解决的方法就是断掉电源重新加载。
2.计数周期多于一秒。
原因就是555定时器设置的参数不正确,解决方法就是重新设置好电阻R、电容C的参数。
另外,周期不准确也可能是外加电压大于5V,工作时间久了电容、电阻发热造成。
3.24到00后接着计数到99.原因是清零端没接上反馈。
解决的方法就是加一个反馈请零端或者加一个开关来控制,这里就用了后一种方法。
6.3电路的改进
用此电路图在面包板上连接出来的电路板能实现功能,但是电路不很稳定,有可能会出现各种问题,若焊接在电路板上,会更好的实现各种功能。
此电路当数码管显示到“00”时,能亮灯,没有时间误差,相比较而言,我觉得我的电路是较完美的电路图,能很好的实现计数器的直接清零、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。
7.收获与体会
要做好本次课程设计,扎实的理论基础是前提,其次,需要进行大量的资料查阅工作以便确定一个正确的思路。
之后便是电路的设计,这不仅要考虑方案的可行性,还需要顾及材料的使用,选出一个最佳方案。
在完成电路的设计后便是电路的安装,这需要我们极其的耐心、谨慎。
因为每一个微小的失误都会导致最后的失败。
本次课程设计,从理论设计到电路软件仿真,再到方案的确定,电路的连接,及最后的调试完成,都需要我们用所学的知识进行思考、论证。
可以说,这一次课程设计是对以前所学知识的一次综合运用。
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。
总之,这次实习使我获益匪浅,在摸索设计电路使之实现所需功能的过程中,培养了我的设计思维,增强了我的动手能力,让我学到了更多,收获了更多。
感谢老师的细心指导。
参考文献
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[2].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2004
[3].朱清慧、张凤蕊主编《Proteus教程》清华大学出版社2008
[4].白中英主编《数字逻辑与数字系统》科学出版社2002
[5].杨志忠主编《数字电子技术》高等教育出版社2008
[6].朱余钊主编《电子材料与元件》西安电子科技大学出版社2002
[7].阎石主编《电子技术基础(数字部分)》高等教育出版社2006
附录1篮球竞赛24秒计时器总电路原理图
部件类型
元件标号
封装
30K
R1
AXIAL0.3
57K
R2
AXIAL0.3
1K
R3
AXIAL0.3
3.7K
R5
AXIAL0.3
3.7K
R6
AXIAL0.3
10
R8
AXIAL0.3
10uF
C1
C
10nF
C2
C
74LS48
U1
DIP-16
74LS48
U2
DIP-16
74LS192
U3
DIP-16
74LS192
U4
DIP-16
555
U5
555
4078
U6
DIP-16
74LS04
U7
DIP-14
4066
U8
DIP-16
BUZZER
BUZ1
LS1
SW-PB
SW
S1
SW-PB
SW
SI
SW-PB
SW
S1
芯片底座若干
附录三本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目:
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
设计方案和内容
(30分)
制作与调试
(30分)
说明书内容和
规范程度
(20分)
答辩
(10分)
考勤
(10分)
总分
(100分)
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日