24秒倒計時器的設(shè)計解析

1、贛南師院物理與電子信息學(xué)院數(shù)字電路課程設(shè)計報告書設(shè)計題目籃球比賽 24 秒倒計時器的設(shè)計課程論文 要求設(shè)計制作一個籃球競賽計時系統(tǒng)，具有進(jìn)攻方24 秒倒計時功能，具體設(shè)計要求如下：1、 具有顯示 24s 倒計時功能：用兩個共陰數(shù)碼管顯示，其計時間隔為1s。2、分別設(shè)置啟動鍵和暫停/繼續(xù)鍵， 控制兩個計時器的直接啟動計數(shù)， 暫 停/繼續(xù)計數(shù)功能。3、設(shè)置復(fù)位鍵：按復(fù)位鍵可隨時返回初始狀態(tài)，即進(jìn)攻方計時器返回到24s。4、計時器遞減計數(shù)到“ 00”時，計時器跳回“ 24”停止工作，并給出聲音和發(fā)光提示，即直流振蕩器發(fā)出聲響和發(fā)光一極官發(fā)光。-3 -設(shè)計過程1、總體設(shè)計思路、基本原理和框圖-5 -1

2、.1 設(shè)計思路-5 -1.2 基本原理-6 -1.3、總體設(shè)計框圖-6 -2、單元電路設(shè)計（各單元電路圖）-7 -2、1 各芯片的用法和功能-7 -2.1.1 74LS48-8 -2.1.2 555 定時器-9 -2.1.3 74LS192-7 -2.2 單元模塊-10 -2.2.1 信號發(fā)生部分-10 -2.2.2 倒計時部分-10 -2.2.3 停止控制電路-11 -2.2.4 警報提示裝置-12 -4 -刖言3.總設(shè)計（總電路圖）-13 -4、安裝、調(diào)試步驟-14 -5、故障分析與電路改進(jìn)-15 -5.1 故障分析和解決5.2 電路改進(jìn)-15 -15 -6、總結(jié)-16 -7、心得體會-1

3、6 -8 元件清單9、附圖-16 -17 -10、參考文獻(xiàn)錯誤！未定義書簽。-4 -、八冃IJ言電子課程設(shè)計是電子技術(shù)學(xué)習(xí)中非常重要的一個環(huán)節(jié)， 是將理論知識和頭踐能力相統(tǒng)一的一個環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學(xué)生能力的一個環(huán)節(jié)。在許多領(lǐng)域中計時器均得到普遍應(yīng)用，諸如在體育比賽，定時報警器、 游戲中的倒時器，交通信號燈、紅綠燈、行人燈、交通纖毫控制機(jī)，還可以 用來做為各種藥丸、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)代社會的應(yīng)用是相當(dāng)普遍的。在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時間不能超過 24 秒，否則就違例了。 本課程設(shè)計“智能籃球比賽倒計時器的設(shè)計”， 可用于籃球比賽中，用于對 球員持球時間

4、24 秒限制。一旦球員的持球時間超過了 24 秒,它自動的報警 從而判定此球員的違例。本設(shè)計主要能完成：顯示 24 秒倒計時功能；系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)， 控制計時器的直接清零、啟動和暫停/連續(xù)功能；在直接清零時，數(shù)碼管顯 示器火燈；計時器為 24 秒遞減計時其計時間隔為 1 秒；計時器遞減計時到 零時，數(shù)碼顯示器不滅燈，同時發(fā)出光電報警信號等。整個電路的設(shè)計借助于 Multisim 仿真軟件以及數(shù)字電路相關(guān)理論知 識，并在 Multisim 下設(shè)計和進(jìn)行仿真，得到了預(yù)期的結(jié)果。-5 -1、總體設(shè)計思路、基本原理和框圖1.1 設(shè)計思路本課程設(shè)計是脈沖數(shù)字電路的簡單應(yīng)用，設(shè)計了籃球競賽24 秒計時

5、器。此計時器功能齊全，可以直接清零、啟動、暫停和連續(xù)以及具有光電報警功能， 同時應(yīng)用了七段數(shù)碼管來顯示時間。此計時器有了啟動、暫停和連續(xù)功能，可 以方便地實現(xiàn)斷點計時功能，當(dāng)計時器遞減到零時，會發(fā)出光電報警信號。本 設(shè)計完成的中途計時功能，實現(xiàn)了在許多的特定場合進(jìn)行時間追蹤的功能， 在 社會生活中也具有廣泛的實用價值?；@球競賽記時系統(tǒng)的主要功能包括： 進(jìn)攻方 24 秒倒計時和計時結(jié)束警報 提示。攻方 24 秒倒計時，當(dāng)比賽準(zhǔn)備開始時，屏幕上顯示 24 秒字樣，當(dāng)比賽 開始后，倒計時從 24 逐秒倒數(shù)到 00。這一模塊主要是利用雙向計數(shù)器 74LS192 來實現(xiàn)；警報提示：當(dāng)計數(shù)器計時到零時，給

6、出提示音。這部分電路主要通過 移位寄存器和一些門電路來實現(xiàn)。此計時器的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由以下 3 個組成，即計時模塊、 控制模塊、以及譯碼顯示模塊。在設(shè)計此計時器時，采用模塊化的設(shè)計思想， 使設(shè)計起來更加簡單、方便、快捷。此電路是一時鐘產(chǎn)生，觸發(fā)，倒計時計數(shù)， 譯碼顯示、報警為主要功能，在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造主體電路和輔助電路兩 個部分。-6 -1.2 基本原理24 秒計時器的總體參考方案框圖如圖 1 所示。它包括秒脈沖發(fā)生器、計 數(shù)器、譯碼顯示電路、報警電路和輔助時序控制電路（簡稱控制電路）等五個 模塊組成。其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。計數(shù)器完成24 秒計時功能，而控制電路

7、完成計數(shù)器的直接清零、啟動計數(shù)、暫停/連續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈、定時時間到報警等功能。秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號是電路的時鐘脈沖和定時標(biāo)準(zhǔn)，但本設(shè)計對此信 號要求并不太高，故電路可采用 555 集成電路或由 TTL 與非門組成的多諧振蕩 器構(gòu)成。譯碼顯示電路由 74LS48 和共陰極七段 LED 顯示器組成。報警電路在實驗 中可用發(fā)光二極管和鳴蜂器代替。主體電路：24 秒倒計時。24 秒計數(shù)芯片的置數(shù)端清零端共用一個開關(guān)， 比賽開始后，24 秒的置數(shù)端無效，24 秒的倒數(shù)計時器的倒數(shù)計時器開始進(jìn)行 倒計時，逐秒倒計到零。選取“00”這個狀態(tài)，通過組合邏輯電路給出截斷信 號，讓該信號與時鐘

8、脈沖在與門中將時鐘截斷，使計時器在計數(shù)到零時停住。1.3、總體設(shè)計框圖圖 1 倒計時設(shè)計總體框圖-7 -總體電路說明：倒計時功能主要是利用 192 計數(shù)芯片來實現(xiàn)，同時利用反饋和置數(shù)實現(xiàn)進(jìn) 制的轉(zhuǎn)換，以適合分和秒的不同需要。由于該系統(tǒng)特殊的需要，到計時器到零 時，通過停止控制電路使計數(shù)器停止計數(shù)并發(fā)出蜂鳴警報。2、單元電路設(shè)計（各單元電路圖）2、1 各芯片的用法和功能2.1.1 74LS4874LS48 輸入信號為 BCD 碼，輸出端為 a b、c、d、e、f、g 共 7 線，另 有 3條控制線。LT端為測試端。在端接高電平的條件下，當(dāng)LT=O時，無論 輸入端 A、B C、D 為何值，ag 輸

9、出全為高電平，使 7 段顯示器件顯示“ 8” 字型，此功能用于測試器件。端為滅零輸入端。在RBT =1，條件下，當(dāng)輸入AB C、D=0000 時，輸出 ag 全為低電平， 可使共陰 LED 顯示器熄滅。但 當(dāng)輸入 A、 B C D 不全為零時，仍能正常譯碼輸出，使顯示器正常顯示。RBO端為消隱輸入端。該輸入端具有最高級別的控制權(quán)，當(dāng)該端為低電平時，不管 其他輸入端為何值，輸出端 ag 均為低電平，這可使共陰顯示器熄滅。另外， 該端還有第二功能一一滅零信號輸出端。當(dāng)該位輸入的A、B、C、D=0000 時，此時輸出低電平；若該位輸入的 A、B、C、D 不等于零，則輸出高電平。若將 與配合使用，很容

10、易實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示時的滅零控制。74IS48 功能表如下:-8 -功能 或數(shù) 字輸入輸出顯示字形LTRBIAAAAabcdefgBI / RBO滅燈XXXXXX00000000滅燈試燈0XXXXX111111118動態(tài) 滅燈10000000000000滅燈011000011111110011X000110110000121X001011101101231X001111111001341X010010110011451X010111011011561X011010011111671X011111110000781X100011111111891X1001111110119101X10101000

11、1101無效輸出111X101110011001121X110010100011131X110111001011141X111110001111151X111110000000-9 -2.1.2 555 定時器555 定時器應(yīng)用為多諧振蕩電路時，當(dāng)電源接通 Vcc 通過電阻 R1.R2 向電 容 C充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng) u 上升至 2/3Vcc，會使比較器 C1 輸 出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓為零， 同時放電管 T 導(dǎo)通， 電容 C 通過 R2 放電； 當(dāng)電容電 壓下降到 1/3Vcc，比較器 C2 工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖?，C 放電終止，Vcc 通-10 -過 R1。R2 又開始充電；周而復(fù)

12、始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時間有 關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響。輸出波形的振蕩周期可用過渡過程公式計算：tWl：UC0二VCC3V、丄VCC、t仁RaRbC當(dāng) t =tw1 時，把uctw1=2VCC3代入三要素方程。于是可解出：tw仁0.7RaRbtw2：Uc（0）=2VCC3V、UcSAW、和=RBC當(dāng) t =tw2 時，uctw2i=VCC3 代入公式,于是可解出：tw2 = 0.7RbC振蕩周期T =tw1 tw0.7Ra2RbC -1 sT于是為了產(chǎn)生周期為 1 秒的脈沖，可以使Ra=20k、Rb = 62ki 】、C =10F2.1.3 74LS19274

13、LS192 是十進(jìn)制計數(shù)器，具有“異步清零”和“異步置數(shù)”功能，且有 進(jìn)位和借位輸出端。當(dāng)需要進(jìn)行多級擴(kuò)展連接時，只要將前級的端接到下一級 的 CR端，端接到下一級的 CP 端即可。74192 功能表：CPUCPDLDCR操作XXX1清零XX00置數(shù)T110加計數(shù)1T10減計數(shù)1110保持-11 -2.2 單元模塊2.2.1 信號發(fā)生部分秒脈沖的產(chǎn)生由 555 定時器所組成的多諧振蕩電路完成。電路圖如下圖所 示。當(dāng)開關(guān)斷開時，555 定時器產(chǎn)生周期為 1s 的脈沖；當(dāng)開關(guān)閉合時，電路 不能輸出信號，于是沒有脈沖輸入 74LS192 中，故 74LS192 在保持狀態(tài)，即實 現(xiàn)暫停功能。圖 2

14、信號發(fā)生電路222 倒計時部分24 秒倒計時電路。這部分電路的主體部分在時鐘脈沖的輸入情況下工作， 下面進(jìn)行具體分析。計數(shù)器的倒計時功能。用兩片 74LS192 分別做個位（低位）和十位（高位）的倒計時計數(shù)器，由于本系統(tǒng)只需要從開始時的“ 24”倒計到“ 00”然后停 止，所以，這里的高位不需要做成六十進(jìn)制的計數(shù)器。因為預(yù)置的數(shù)不是“ 00”，所以我選用置數(shù)端 LOAD 來進(jìn)行預(yù)置數(shù)。時鐘 脈沖分別通過兩個與門才再輸進(jìn)個位（低位）的 dow n 端，當(dāng)停止控制電路送 來停止信號時，截斷時鐘脈沖，從而實現(xiàn)電路的停止功能。-12 -低位的借位輸出信號用作咼位的時鐘脈沖。兩片計數(shù)器具體接法。Vcc、

15、UP 接+5V 電源，GND 接地；時鐘脈沖從與門 輸出后接到低位的 down,然后從低位 BO 接到高位的 down；輸入端低位 C 高位 B 接電源，其他引腳和 CLR 都接地。LOAD 接到開關(guān) C 的活動端，C 的另 外兩引腳分別接 G 的活動端和地。而 G 的另外兩個引腳分別接到電源和地。圖 3 24 秒倒計時電路223 停止控制電路倒數(shù)計數(shù)器到零時，需要將電路轉(zhuǎn)換到“ 24”并且停住?，F(xiàn)在選取計數(shù)器 到零的狀態(tài) 24 秒計到“ 00”，從各引腳引出線接到二腳與非門，當(dāng)計數(shù)器從“00”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“ 99”時，用與非門把該狀態(tài)轉(zhuǎn)換成低電平（其余時間為高 電平）控制LD。使電路轉(zhuǎn)換到“

16、24”。由于數(shù)字 99 是在很短的時間才能看 到，用肉眼是看不到的，于是能實現(xiàn)從“ 00”到“24”的轉(zhuǎn)換。再通過與非 門所組成的觸發(fā)器的輸出端輸出低電平， 使 74LS192 處于保持狀態(tài)。這樣就實 現(xiàn)了轉(zhuǎn)換并停止的電路。* Bfl H D E UAn HCsTZ J匸 * X- Xi -于T -, -U7v:-13 -I. . I -. .-丨 圖 4停止控制電路2.2.4 警報提示裝置警報提示就是完成任一計時器計時結(jié)束時，系統(tǒng)給出連續(xù)的提示音。當(dāng)電路由“ 00”到“24”時，下面一個與非門輸出低電平，而鳴蜂器的 和LED1 的正極已經(jīng)接了高電平，故這時由于兩端存在電壓差，所以鳴蜂器和 L

17、ED1均能正常工作。從而發(fā)出報警信號。圖 5 警報提示電路PWV0-X JI1t計.!U 7-14 -3.總設(shè)計（總電路圖）-15 -圖 6 電路總原理圖-16 -由 555 定時器輸出秒脈沖經(jīng)過 R30 輸入到計數(shù)器 IC4 的 CD 端，作為減計 數(shù)脈沖。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)計到 0 時,IC4 的(13)腳輸出借位脈沖使十位計數(shù)器 IC3 開始計數(shù)。 當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到“ 00”時應(yīng)使計數(shù)器復(fù)位并置數(shù)“ 24”。 本電路利 用從“00”到“99”時，通過與非門，使電路置數(shù)到“ 24”并且保持該狀態(tài)。 由于“99”是一個過渡時期，不會顯示出來，所以本電路采用“ 99”作為計數(shù) 器復(fù)位脈沖。當(dāng)計數(shù)器由“

18、 00”跳變到“99”時，利用個位和十位的“ 9”即 “ 1001”通過與非門 IC5 去觸發(fā) Rs 觸發(fā)器使電路翻轉(zhuǎn)，從 11 腳輸出低電平 使 計數(shù)器置數(shù)，并保持為“ 24”，同時 LED 發(fā)光二極管亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲， 即聲光報警。按下 J1時，Rs 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn) 11 腳輸出高電平，計數(shù)器開始計數(shù)。 若需要暫停時，按下 J2，振蕩器停止振蕩，使計數(shù)器保持不變，斷開J3 后，計數(shù)器繼續(xù)計數(shù)。(1) J1 :手動復(fù)位按鈕。當(dāng)按下 J1 時，不管計數(shù)器工作于什么狀態(tài)，計數(shù) 器立即復(fù)位到預(yù)置數(shù)值，即“ 24”。當(dāng)松開 K2 時，計數(shù)器從 24 開始計數(shù)。(2) J2 :暫停按鈕。當(dāng)“暫停/連續(xù)

19、”開關(guān)處于“暫?！睍r，計數(shù)器暫停計 數(shù)，顯示器保持不變，當(dāng)此開關(guān)處于“連續(xù)”開關(guān)，計數(shù)器繼續(xù)累計計數(shù)。(3) J3 :啟動按鈕。J3 處于斷開位置時，當(dāng)計數(shù)器遞減計數(shù)到零時，控制 電路發(fā)出聲、光報警信號，計數(shù)器保持24狀態(tài)不變，處于等待狀態(tài)。當(dāng) J3 閉合時，計數(shù)器開始計數(shù)。4、安裝、調(diào)試步驟4.1、 按照萬能板的規(guī)格，設(shè)定好各集成芯片的排放位置、測試各芯片是 否與面板接觸良好。4.2、 用異步可逆雙時鐘 BCD計數(shù)器 74LS192及相關(guān)門實現(xiàn)定時倒計時電 路。4.3、 當(dāng)檢測出問題后分析其原因，是元器件本身原因還是接線錯誤，更 換元件或重新正確接線，保證電路的正確運行。4.4、 整體綜合連

20、接，測試整體性能。-17 -5、故障分析與電路改進(jìn)5.1 故障分析和解決在實際連線過程中，出現(xiàn)故障幾乎是不可避免的。其中接線錯誤就是第一 個一個難以避免的困難。另外一個讓人頭疼的原因是實驗板與芯片接觸不良， 導(dǎo)致形成軟型故障，難以準(zhǔn)確找出故障點。最后，我個人認(rèn)為還有一個細(xì)節(jié)也 不能忽視，就是實物圖和電腦仿真上的芯片接法并不完全一樣，電腦仿真上的芯片許多管腳已經(jīng)默認(rèn)接地或接電源了，這些我們在實物圖上就必須實際地接 上，否則就會得到錯誤的結(jié)果。在查找故障時，首先要有耐心和細(xì)心。同時要開動腦筋，進(jìn)行認(rèn)真的分析 和判斷。在不通電的情況下，通過目測，對照電路原理圖和裝配圖，檢查每一 塊片是否正確，極性有

21、無接反，管腳有無損壞，連線有無接錯（包括漏錯線、 短路和）通電后，通過類比法，高低電平比較法等方法逐一找出故障點。5.2 電路改進(jìn)盡管用本電路圖所焊接出來的電路板能實現(xiàn)功能， 而且電路也很穩(wěn)定。這 也是對本電路的肯定。但從使用的過程中，其實還是有值得改進(jìn)的地方。比如 當(dāng)數(shù)碼管顯示到“ 00”時，能亮燈，那應(yīng)該是更完美的。但是本電路只有在從“ 00”轉(zhuǎn)到“24”是才能亮燈及報警，也就是說報警器慢了 1 秒鐘報警。實際的電路改進(jìn)：可以先在兩個 74LS192 的輸出端接上接二個四輸入端與 非門。并且接到觸發(fā)器的輸入端，這樣能實現(xiàn)當(dāng)數(shù)碼管顯示到“00”時，LED發(fā)光且鳴蜂器發(fā)出聲音，實現(xiàn)報警功能。但

22、是，這樣的代價就是使電路更加的 復(fù)雜，所帶來的工作量也隨之增大。6、總結(jié)在此次課程設(shè)計中，我們將課本理論知識與實際應(yīng)用聯(lián)系起來。按照書本 上的知識和老師講授的方法，首先和同學(xué)一起分析研究此次電路設(shè)計任務(wù)和要 求，然后按照分析的結(jié)果進(jìn)行實際連接操作， 檢測和校正，再進(jìn)一步完善電路。 在其中遇到一些不解和疑惑的地方，還有出現(xiàn)的一些未知問題，我們都認(rèn)真分 析討論，然后對討論出的結(jié)果進(jìn)行實際檢測校正， 對一些疑難問題我們也認(rèn)真 向老師詢問請教，和老師一起探討解決。-18 -通過此次電路設(shè)計，我們加深了對課本知識的認(rèn)識理解， 對電路設(shè)計方法 和實際電路連接也有了一定的初步認(rèn)識。7、心得體會1 在本次課程設(shè)計中，我對 74LS48、74LS192、NE555 等芯片加深了了 解，和鞏固了對它們的使用，對于數(shù)字、模擬電路的綜合運用有了更深一步理 解，為以后的電路分析和設(shè)計奠定了一定的基礎(chǔ)。2.提高實踐動手能力。大學(xué)中許多的時間都是在學(xué)習(xí)理論知識，很少