1、 1 / 18 課程設計任務書課程設計任務書 題題 目目: : 籃球 24 秒計時器設計 初始條件：初始條件： 1. 具備電子電路的基礎知識和查閱資料和手冊的能力 2熟悉常用電子器件和常規實驗儀器及電子設計常用軟件 3. 已掌握電子電路實驗的基本方法 要求完成的主要任務要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫 等具體要求） 1.具備顯示 24 秒計時功能； 2.計時器為遞減工作，間隔為 1s； 3.遞減到 0 時發聲光報警信號； 4.設置外部開關，控制計時器的清 0，啟動及暫停； 5.提出至少兩種設計實現方案，并優選方案進行設計； 6. 撰寫符合學校要求的課程設計

2、說明書。 時間安排：時間安排： 1. 動員大會，下達課程設計任務書； 2. 7 月 7 日11 日 查閱資料，選擇設計方案，進行設計計算，完成預設計并進 行計算機仿真 7 月 7 日； 3. 7 月 12 日 預設計方案經教師審查后領取元器件； 4. 7 月 12 日17 日將設計的電路進行制作和調試并完成課程設計說明書的撰 寫； 5. 7 月 17 日18 日課程設計答辯。 指導教師簽名：指導教師簽名： 20082008 年年 0707 月月 0707 日日 系主任（或責任教師）簽名：系主任（或責任教師）簽名： 20082008 年年 0707 月月 0707 日日 2 / 18 摘要摘要

3、基于數字電子技術和模擬電子技術的籃球 24 秒計時器在籃球比賽中已經被 廣泛的采用，它可以完成置數、倒計時、暫停、清零、聲光報警等很實用的功 能。 本文著重介紹 24 秒計時器的制作過程，并且對一些方案作出對比，最終選 定較好的方案。在單元電路方面，本文對電路的每一部分的選擇都加以說明， 經過對比確定出最優方案并加以采用。在此基礎上，本文對 24 秒計時電路進行 了適當的功能擴展。 最后，本文對基于電工技術的 24 秒計時器的設計特點，進行了歸納和總結。 關鍵字 ：555 振蕩模塊 減計數器 譯碼顯示 報警電路 3 / 18 目錄目錄 1.1. 設計內容及要求設計內容及要求.1 1 2.2.結

4、構設計及方案選擇結構設計及方案選擇.2 2 2.1 原理方框圖及設計思路 .2 2.2 方案選擇 .4 3.3.單元電路設計、參數計算及器件的選擇單元電路設計、參數計算及器件的選擇.5 5 3.1 脈沖信號電路的設計 .5 3.2 計數電路的設計及選用 .7 3.3 報警電路的設計 .8 3.4 譯碼顯示電路的設計 .9 3.5 外部控制電路的設計（本部分沒有在仿真圖中仿真） .10 4.4.組裝及調試過程組裝及調試過程.1111 4.1 組裝 .11 4.2 調試 .12 4.2.1 調試電路的方法和技巧.12 4.2.2 調試中出現的問題及解決方法 .13 5 5 收獲、體會和改進的方法收

5、獲、體會和改進的方法.1313 5.1 心得和體會 .13 5.2 改進方案 .14 附錄附錄 1 1 .1515 6 元器件明細表 .15 7 7 參考文獻參考文獻.1616 4 / 18 籃球 24 秒計時器的設計 1.1. 設計內容及要求設計內容及要求 1.1 設計一個籃球比賽 24 秒計時器，具備顯示 24 秒計時功能； 1.2 計時器為遞減工作，時間間隔為 1s 1.3 遞減到零時發出聲光報警 1.4 設置外部開關，控制計時器的啟動、暫停及清零 2.2.結構設計及方案選擇結構設計及方案選擇 2.12.1 原理方框圖及設計思路原理方框圖及設計思路 設計思路：脈沖信號經過遞減計數器、譯碼

6、器、再由數碼管顯示出來，中 間包括控制電路。 圖 1：原理方框圖 包括秒脈沖發生器、計數器、譯碼與顯示電路、報警電路和控制電路（輔 助時序控制電路）等五個部分組成。秒脈沖發生電路遞減計時，每隔 1 秒鐘， 脈沖信號發生 電路 計數電路譯碼顯示電路 外部操作開關控制電路 報警電路 5 / 18 計時器減 1。其中計數器和控制電路是系統的主要部分。計數器完成 24 秒計時 功能，而控制電路完成計數器的直接清零、啟動計數器、暫停/連續計數、譯碼 顯示電路的顯示與滅燈等功能。當計時器遞減計時到零（既定時時間到）時， 顯示器上顯示 00，同時二極管閃亮，蜂鳴器發聲報警。 以下為本報告所設計的整體電路（該

7、設計由 mutisim10 仿真） 。 6 / 18 圖 2：設計原理圖 以上方案工作原理:脈沖信號由 555 計時器組成的多諧振蕩器為整個電路提 供頻率為 1hz 的方波脈沖信號，在脈沖的輸出端接有一 led，用以指示脈沖信 號的發生。方波信號由低位 74ls192 的 cpd 端輸入電路的計數部分，從而使計 數電路開始工作。74ls192 的輸出端經過譯碼電路接數碼管，兩片 74ls192 分 別置數 0010 和 0100。計數電路的置數端接外部控制電路，當置數端輸入低電 平時，電路實現計數功能，此時數碼管顯示 24，隨著 cp 的接入，數碼管示數 以一秒為單位遞減，當其遞減到零時，bo

8、 輸出低電平觸發報警電路，led 發光， 蜂鳴器報警（圖中為模擬蜂鳴器報警功能） 。外部控制電路也可以實現使電路的 清零的功能，當芯片的 clr 端輸入高電平時，計數器實現清零。 另：若將圖中的二輸入與門 74ls08 更換為三輸入與門 74ls12，同時添加 一控制開關，則可以實現計時電路暫停、開始功能。 2.22.2 方案選擇方案選擇 上面的方案是基于十進制加減計數器 74ls192 所設計，在計數電路中，也 可以使用其他具有技術功能的集成芯片，例如 74ls161。 74ls161 是四位同步二進制加計數器，該計數器能同步并行預置數據，具 有清零置數，計數和保持功能，具有進位輸出端，可以

9、串接計數器使用。以下 是它的功能表。 使用 74ls161 設計的電路，其余部分與用 74ls192 設計的電路沒有明顯不 同，同樣使用 555 計時器構成的多諧振蕩器作為方波脈沖信號發生器。 在設計過程中可以發現，74ls161 雖然是加計數器，同樣可以實現減計數 功能，但是，必須在其輸出端串聯大量門電路以實現計數的轉換，原理上可行， 但實際操作難以完成，甚至仿真也是很困難的。綜合考慮，不選用 74ls161 作 為設計方案。 7 / 18 圖 3 74ls161 功能表 3.3.單元電路設計、參數計算及器件的選擇單元電路設計、參數計算及器件的選擇 本報告中所設計的計時器是由脈沖信號發生器、

10、計數器、報警電路、外部控 制電路、譯碼顯示電路等五個部分構成。 3.13.1 脈沖信號電路的設計脈沖信號電路的設計 脈沖信號電路可以由 555 定時器構成的多諧振蕩器或者石英晶體振蕩器或 者由 rc lc rlc 振蕩電路構成的信號發生裝置來實現。 由于在本實驗中要求相對穩定的頻率為 1hz 方波信號輸出，綜合考慮如下： rc、lc、rlc 構成的震蕩電路產生的脈沖信號為正弦波信號，則還需要施密特 觸發器來將其轉化為方波信號，這樣會增加電路的復雜性，不易于操作；而石 英晶體振蕩器的固有頻率在 40khz 以上，只能選用分頻電路來實現 1hz 的脈沖 輸出，分頻電路可以選用具有分頻功能的 74l

11、s92 等集成芯片，這樣，不僅提高 了設計的成本，而且提高了電路整體的復雜性和功耗，難以實現。綜上，我們 選用由 555 定時器構成的多謝振蕩器作為脈沖信號發生器。 如下圖，由 ne555 構成的多諧振振蕩器，接通電源后，電容 c1被充電， vc上升，當 vc上升到 2/3vcc時，觸發器被復位，同時放電 bjtt 導通，此時 v0 為低電平，電容 c 通過 r2和 t 放電，使 vc下降，當下降至 1/3 vcc時，觸發器 又被置位，v0翻轉為高電平。當 c 放電結束時，t 截止，vcc將通過 r2和 r1、re 8 / 18 向電容器充電，vc由 1/3vcc上升到 2/3vcc。當 vc

12、上升到 2/3vcc時，觸發器又發 生翻轉，如此周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： f=1.43/(r1+2r2)c。 在這里我們選擇 r2=68k，c1=10uf，只要用一個可變電阻器代替 r1，并將 它調至 7k 即可輸出 1hz，達到要求 圖 4 555 原理圖以及由 555 構成的多諧震蕩器原理圖 圖 5 555 輸出脈沖波形圖 9 / 18 表一：555 計時器功能表 輸入輸出 閾值輸入 （v11） 觸發值 （v12） 復位（rd）輸出（vo）放電管 t 00 導通 (2/3)vcc(2/3)vcc(1/3)vcc10 導通 (1/3)vcc1 不變不變 注：0=低

13、電平，1=高電平 3.23.2 計數電路的設計及選用計數電路的設計及選用 計數電路的功能選用集成芯片來實現。 74ls192 是雙時鐘方式的十進制可編程同步加鎖計數器。它采用 8421 碼 二-十進制編碼，并具有直接清零、置數、加鎖計數功能。脈沖信號接 cpu 端可 以實現加計數功能，脈沖信號接 cpd 端可以實現減計數功能。ld 是異步并行置 數控制端 (低電平有效), co、bo 分別是進位、借位輸出端 (低電平有效),cr 是異步清除端,d0d3是并行數據輸入端，q3q0 是輸出端。 74ls192 的工作原理是：當/ld =1,cr=0 時，若時鐘脈沖加入到 cpu端， 且 cp 置數

14、= 1, 則計數器在預置數的基礎上完成加計數功能，當加計數到 9 時， /co 端發出進位下跳變脈沖；若時鐘脈沖加入到 cpd端，且 cpu=1，則計數器在 預置數的基礎上完成減計數功能，當減計數到 0 時，/bo 端發出借位下跳變脈 沖。由 74ls192 構成的 24 遞減計數器其預置數為 n=(00100100)8421bcd=(24)10。 它的計數原理是：只有當低位/bo1端發出借位脈沖時，高位計數器才作減計數。 當高、低位計數器處于全零，且 cpd為 0 時，置數端/ld2=0, 計數器完成并行置 數，在 cpd端的輸入時鐘脈沖作用下，計數器再次進入下一循環減計數。 10 / 18

15、 圖 6 74ls192 管腳圖以及功能表 圖 7 計時電路 上圖為兩片 74ls192 級聯構成的計數電路，其中右邊的 74ls192 為低位，通 過借位信號輸出端 tcd 向高位 cd 輸出脈沖信號。當低位芯片倒計數至零時， tcd 由高電平轉為低電平，此時向高位芯片發出借位信號，高位芯片的減計數 信號輸入端 cd 接到信號后，驅動高位芯片開始減計數。當高位芯片減計數至零 時，tcd 端則由高電平轉化為低電平，再次向高位借位。 3.33.3 報警電路的設計報警電路的設計 題目中要求當計時停止時，電路要有聲光報警功能，為此，本設計報告中 選用 d 觸發器觸發發光二極管和蜂鳴器工作來實現此功能

16、。 根據 d 觸發器的功能，當 pre 端輸入為低電平時，其輸出端 q 輸出高電平， 可以利用該高電平直接驅動發光二極管和蜂鳴器報警 11 / 18 圖 8 d 觸發器驅動的報警電路 3.43.4 譯碼顯示電路的設計譯碼顯示電路的設計 譯碼顯示電路我們選用 74ls48 來驅動 7 段共陰極數碼顯示管。 數碼顯示器可顯示系統的運行狀態及工作數據，它分為兩種，共陰極 （bs201/202）與共陽極（bs211/212） ，我們所選的是共陰極，它是將發光二極 管的陰極短接后作為公共極，當驅動信號為高電平時，陰極必須接低電平，才 能夠發光顯示。共陰極數碼管的外引腳及內部電路如下圖 圖 11 7 段共

17、陰極數碼顯示管管腳圖 驅動共陰極顯示器的譯碼器輸出為高電平有效，所以選用 74ls48 驅動共 陰極的發光二極管顯示器。 下圖是 74ls48 外引線排列圖與功能表： 圖 9 發光二極 管 圖 10 揚聲器 12 / 18 圖 12 74ls48 外引線排列圖及功能表 74ls48 工作原理：譯碼器輸入端為二進制碼，經譯碼器后，輸出端分別 與七段顯示器的的輸入端對應連接。消隱（滅燈）輸入端 bi 為低電平有效。 當消隱（滅燈）輸入端 bi =0 時，不論其余輸入端狀態如何，所有輸出為零， 數碼管七段全暗，無任何顯示；當消隱輸入端 bi =1 時譯碼器譯碼。燈測試 （試燈）輸入端 lt 為低電平

18、有效。當燈測試（試燈）輸入端=0（/ =1）時， 不論其余輸入端狀態如何，所有輸出為 1，數碼管七段全亮，顯示 8。可用來檢 查數碼管、譯碼器有無故障；當燈測試輸入端 lt =1 時譯碼器譯碼。脈沖消 隱（動態滅燈）輸入 rbi 為低電平有效。當 rbi =1 時，對譯碼器無影響；當 bi =lt =1 時，若 rbi =0，輸入數碼是十進制的零時，數碼管七段全暗，不顯 示；輸入數碼不為零時，則照常顯示。在實際使用中有些零是可以不顯示的， 如 004.50 中的百位的零可不顯示；若百位的零可不顯示，則十位的零也可不 顯示；小數點后第二位的零，不考慮有效位時也可不顯示。脈沖消隱輸入 rbi =0

19、 時，可使不顯示的零消隱。 3.53.5 外部控制電路的設計外部控制電路的設計（本部分沒有在仿真圖中仿真）（本部分沒有在仿真圖中仿真） 由設計要求可知，電路要實現一下功能：電路具有直接清零功能；在計數過 程中電路具有暫停、啟動功能； 13 / 18 由此，可以設計以下輔助控制電路： 圖 13 外部控制開關輔助電路 圖(a)是置數控制電路，/ld 接 74ls192 的預置數控制端，當開關 s1合上 時，/ld=0，74ls192 進行置數；當 s1 斷開時，/ld =1，74ls192 處于計數工 作狀態，圖(b)是時鐘脈沖信號 cp 的控制電路，控制 cp 的放行與禁止。當定時 時間未到時，

20、74ls192 的借位輸出信號路，/bo2=1, 則 cp 信號受 “暫停/連續” 開關 s2的控制，當 s2處于“暫停”位置時，門 g3輸出 0，門 g2關閉，封鎖 cp 信號，計數器暫停計數；當 s2處于“連續”位置時，門 g3輸出 1，門 g2打開， 放行 cp 信號，計數器在 cp 作用下，繼續累計計數。當定時時間到時/bo2=0, 門 g2關閉，封鎖 cp 信號，計數器保持零狀態不變。從而實現暫停和計時截止 后 cp 封存的功能。 4.4.組裝及調試過程組裝及調試過程 4.14.1 組裝組裝 經過仿真，將所得電路圖付諸于實踐的過程。組裝的過程中用到的材料有： 14 / 18 各種前面

21、設計中要用到的芯片、連接線、面包板、直流穩壓電源等。需要用到 的儀器有萬用表。 （1）組裝之前要對芯片進行測試，確保芯片功能正常； （2）將所有芯片按照電路原理圖依次插在面包板上，該過程要注意所有元件 的管腳必須準確插進面包板的插槽里，同時注意電源線與地線； （3）組裝的過程中要同時進行單元電路的測試； （4）將所有單元電路連接，經檢查無誤后接通電源進行通電測試。 4.24.2 調試調試 4.2.14.2.1 調試電路的方法和技巧調試電路的方法和技巧 電路的調試具體步驟大致可分為：通電觀察、靜態調試和動態調試。 1）通電觀察： 通電后不要馬上測量電氣指標，如高低電平，脈沖信號等，而要觀察電路有

22、無 異常現象，例如有無冒煙，有無異味，手摸集成電路外殼是否發燙等，如本次 試驗中所用的發光二極管就應小心接 5v 支流時會不會燒壞。在仿真軟件的電路 調試中沒有以上例子，僅有數碼顯示的正常與否，以及短路與否，所以可以加 上數個發光二極管，通過觀察發光二極管的閃爍來監測各個部分的運作情況。 在實際操作中應細心觀察，如果出現異常現象，應立即關斷電源，待排除故障 后再通電。 2）靜態調試： 靜態調試一般是指在不加輸入信號，或只加固定的電平信號的條件下所進行的 直流測試，可用萬用表測出電路中各點的電位，通過和理論估算值比較，結合 電路原理的分析，判斷電路直流工作狀態是否正常，及時發現電路中已損壞或 處

23、于臨界工作狀態的元器件。通過更換器件或調整電路參數，使電路直流工作 狀態符合設計要求。在仿真軟件中，我們利用模擬的示波器與脈沖信號的共同 做用下與實際的相比較的判斷出電路的好與壞。 3）動態調試： 動態調試是在靜態調試的基礎上進行的，在電路的輸入端加入合適的信號，按 15 / 18 信號的流向，順序檢測各測試點的輸出信號，若發現不正常現象，應分析其原 因，并排除故障，再進行調試，直到滿足要求。 4.2.24.2.2 調試中出現的問題及解決方法調試中出現的問題及解決方法 （1）無法置數、置數混亂：經檢查，原因是人為因素導致錯誤發生，芯片 的管腳連接錯誤，同時有導線連接不良的現象； （2）芯片計數

24、異常：具體表現為，隨著脈沖信號的接入，數碼管顯示的數 碼以奇數形式遞減，認為可能是脈沖信號源參數選擇有誤，重新選擇參數并將 電路重新連接后，故障排除 （3）倒計數至零后，計數器不停止，繼續減計數：原因是,由于在高位 74ls192 的 bo 借位輸出端接有報警電路的發光二極管，而發光二極管一段接高 電平，故在計數至零后，bo 向 led 的高電平端借位，導致控制端的三輸入與非 門 74ls12 不能將輸入信號封存，計數不停止。解決方法為，將 bo 輸出信號經 過非門 74ls04 后接入報警電路，而 led 另一端接地。 （4）對比脈沖發生周期與現實秒周期發現，脈沖信號周期較小，具體表現 為信

25、號源脈沖指示燈頻率過高，減計數過快。解決方法為：調整 555 計時器的 電阻阻值可以解決。 總之，在組裝調試過程中出現了很多意外的故障，通過分析改正都得到解 決，在以后的實踐中，應養成做事小心謹慎的習慣，要有理論與實踐還有差距 的意識，不斷提高動手解決問題的能力。 5 5 收獲、體會和改進的方法收獲、體會和改進的方法 5.15.1 心得和體會心得和體會 本次課程設計是一次基于數字電子計數和模擬電子計數的實踐，第一次讓我 將不同時間學習的不同種類的知識融合在一起，讓我對電子計數這門課有了新 的認識，同時也意識到了自己的不足。尤其是發現自己的理論知識學習的不夠 深刻也不夠扎實，不能夠滿足實際應用，如此一個簡單的設計尚且不能做好， 16 / 18 又怎么能做好以后的復雜的設計。 設計過程中我深刻的體會到理論和實際的差異，在將自己學的知識用于設計 制作的時候，發現有一些知識是沒有辦法用的，也有一些知識似乎沒有什么使 用價值。比如 555 計時器構成的多諧