籃球競賽30秒計時器2

1、北京電子科技學院課程設(shè)計報告( 2009- 2010年度第二學期)名 稱：數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目：籃球競賽30秒計時器 學 號： 20081223 學生姓名： 林 薇 成 績： 日期： 2010年 5 月 20 日目 錄一、電子技術(shù)課程設(shè)計的目的與要求1二、課程設(shè)計名稱及設(shè)計要求1三、系統(tǒng)框圖及簡要說明1四、方案選擇與論證2五、單元電路設(shè)計（原理、芯片、參數(shù)計算等）2六、總體電路7七、實驗過程8八、心得體會8附錄I：總原理圖10附錄II：元器件清單 11附錄III：參考文獻11一、電子技術(shù)課程設(shè)計的目的與要求1.課程設(shè)計目的：課程設(shè)計作為數(shù)字電子技術(shù)課程的重要組成部分，目的是使學生進一步

2、理解課程內(nèi)容，基本掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的方法，增加集成電路應用知識，培養(yǎng)學生的實際動手能力以及分析、解決問題的能力。按照本專業(yè)培養(yǎng)方案要求，學完專業(yè)基礎(chǔ)課數(shù)字電子技術(shù)課程后，要進行課程設(shè)計，其目的是使學生更好地鞏固和加深對基礎(chǔ)知識的理解，初步掌握設(shè)計小型數(shù)字系統(tǒng)的方法，獨立完成系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試，增強學生理論聯(lián)系實際的能力，培養(yǎng)學生電路分析和邏輯設(shè)計能力。通過動手實踐教學，引導學生在已有的理論指導下有所創(chuàng)新，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，為專業(yè)課的學習和日后工程實踐奠定基礎(chǔ)。2.課程設(shè)計要求：（1）教學基本要求 要求學生獨立完成選題設(shè)計，掌握數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法；完成系統(tǒng)的組裝及調(diào)試工作；在課程設(shè)計中注重培養(yǎng)

3、工程質(zhì)量意識，按要求寫出課程設(shè)計報告。（2）能力培養(yǎng)要求1）通過查閱手冊和有關(guān)文獻資料培養(yǎng)學生獨立分析和解決實際問題的能力。2）通過實際電路方案的分析比較、設(shè)計計算、元件選取、安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，掌握簡單實用電路的分析方法和工程設(shè)計方法。3）掌握常用儀器、設(shè)備的使用方法，學會簡單的實驗調(diào)試，提高動手能力。4）綜合應用課程中學到的理論知識獨立地去完成一個設(shè)計任務(wù)。5）培養(yǎng)認真細心的工作作風和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。二課程設(shè)計的名稱及設(shè)計要求1.設(shè)計題目：籃球競賽30秒計時器2.設(shè)計任務(wù)：本課題要求設(shè)計一個實用的籃球競賽30秒計時器。適用于籃球競賽計時使用。3.設(shè)計要求：（1）30秒計時器具有顯示30秒的計時

4、功能。（2）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。（3）計時器為30秒遞減計時，其計時間隔為1秒。（4）當計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，應發(fā)出光電報警信號。三系統(tǒng)框圖及簡要說明1.系統(tǒng)框圖：如圖1所示籃球競賽30秒計時器555定時器產(chǎn)生1HZ的時鐘信號74LS190設(shè)計實現(xiàn)30秒倒計時74LS248來驅(qū)動七段字符顯示器來顯示時間門電路和觸發(fā)器控制啟動、清零和暫停/連續(xù)圖1 系統(tǒng)框圖2.設(shè)計說明： 根據(jù)設(shè)計要求，30秒計時器需要計數(shù)并且是倒計時的減法計數(shù)，可以利用可逆計數(shù)器來實現(xiàn)減法的計數(shù)，由于是十進制的計數(shù)，所以采用74LS190芯片來設(shè)計。因為是時序邏輯

5、電路的設(shè)計，所以要用555定時器產(chǎn)生的時鐘信號來驅(qū)動減法計數(shù)器。然后，通過顯示譯碼管進行數(shù)字顯示。四方案選擇與論證1.設(shè)計方案：方案的選擇已在系統(tǒng)框圖中顯示出來，就是利用兩片可逆計數(shù)器通過串行進位方式來實現(xiàn)30秒的倒計時。2.方案論證：首先，是利用555定時器來實現(xiàn)時鐘信號的產(chǎn)生，555定時器是一種多用途的數(shù)字-模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成多諧振蕩器，即能產(chǎn)生穩(wěn)定的時鐘信號，并且通過調(diào)節(jié)相關(guān)電阻的阻值和電容的容值，可以設(shè)計出不同頻率的時鐘信號。其次，可逆計數(shù)器74LS190，可以實現(xiàn)加法或減法的計數(shù)，通過設(shè)定加/減控制信號U/D=1可進行減法計數(shù)，由于芯片本身就帶有異步的置數(shù)端LOA

6、D且為低有效，通過設(shè)定置數(shù)信號LOAD=0可實現(xiàn)置數(shù)清零（清為30）的功能。由于當置數(shù)端的信號為高有效并且在使能端CTEN=0時，當時鐘的上升沿來臨時可進行減法計數(shù)，所以通過設(shè)計置數(shù)信號LOAD=1可實現(xiàn)啟動的功能。另外，通過門電路可控制時鐘的輸入，從而實現(xiàn)暫停/連續(xù)的功能。又由于30秒的倒計時需要用兩片的74LS190芯片才能實現(xiàn)，個位芯片的串行時鐘輸出端CO是低有效的，當狀態(tài)為0時，輸出為CO=0，下一個狀態(tài)變?yōu)?時，輸出為CO=1，所以有一個上升沿的產(chǎn)生，這正可以作為十位芯片的時鐘信號，從而采用串行借位方式來實現(xiàn)30秒的倒計時。最后，BCD-七段顯示譯碼管74LS248，可以實現(xiàn)將BCD

7、代碼譯成數(shù)碼管所需的驅(qū)動信號，以便使數(shù)碼管用十進制數(shù)字顯示出BCD代碼所表示的數(shù)值。綜上所述，就可以實現(xiàn)籃球競賽30秒計時器設(shè)計的全部功能。五單元電路設(shè)計1.555定時器單元（1）原理：1)集成定時器電路習慣上稱為555電路，這是因為內(nèi)部參考電壓使用了3個5k歐的電阻分壓，故取此名。555電路，這是一種數(shù)字和模擬的混合型的中規(guī)模集成電路，它能產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號。555定時器如圖2所示： 圖2 555定時器的電路結(jié)構(gòu)它含有3個分壓電阻和兩個高、低電平比較C1、C2，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T。高電平比較器C1的同相輸入端參考電平為2Vcc/3，低電平比較器C2的反相輸入端的參考電

8、平為Vcc/3，C1與C2的輸出端控制基本RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當輸入信號自6管腳輸入并超過2Vcc/3時，觸發(fā)器置為0，定時器的輸出端3管腳輸出低電平，同時放電開關(guān)管導通；當輸入自2管腳輸入并低于Vcc/3時，觸發(fā)器置為1，定時器的輸出端3管腳輸出高電平，同時放電開關(guān)管截止。RD是直接復位端，當RD=0時，定時器輸出低電平。平時RD端開路。VC是外接控制電壓輸入端（5管腳），當VC外接一個輸入電壓Uvc時，則改變比較器的參考電壓（UT+=Uvc,UT-=Uvc/2）；不外接電壓時，通常接一個0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除干擾，確保參考電平穩(wěn)定。T為放電管，當T導通時，

9、將給接于7管腳的電容器提供放電通路。2）多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，即能產(chǎn)生時鐘脈沖。利用555定時器接成多諧振蕩器，只要將555定時器的VI1（TH）和VI2（TR）連在一起，然后再將VO經(jīng)RC積分電路接回輸入端就可以了。如圖3所示：產(chǎn)生的時鐘脈沖的周期T等于電容C的充電時間T1與放電時間T2之和，即T=T1+T2。其中T1=(R1+R2)Cln(Vcc-VT-)/(Vcc-VT+)=(R1+R2)Cln2 T2=R2*Cln(0-VT+)/(0-VT-)= R2*Cln2所以T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2 圖3 用555

10、接成的多諧振蕩器（2）芯片的型號 NE555芯片，管腳如圖4所示: 圖4 NE555管腳圖（3）參數(shù)計算根據(jù)要求，設(shè)計的時鐘脈沖的周期為1s,所以根據(jù)上述公式，T =(R1+2R2)Cln2=1設(shè)占空比q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3,可得R1=R2 ，取C=10uf,則代入上式得到由于實驗室的電阻只有51k與47k,而且誤差不是很大，計算（51+47*2）所以，取R1=51k,R2=47k。如圖5所示：圖5 時鐘脈沖為1HZ的多諧振蕩器2.30秒減法計數(shù)單元（1）原理：1）74LS190的原理表1 74LS190功能表74LS190是同步十進制可逆計數(shù)器，它是靠加/減控制端來實現(xiàn)

11、加法計數(shù)和減法計數(shù)的。其引腳排列如圖6，功能表如表1所示。輸 入輸 出 CP D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30 d0 d1 d2 d31 0 0 1 0 1 1 1 d0 d1 d2 d3加 計 數(shù)減 計 數(shù)保 持VCC D0 CO RC C/B LD D2 D3 74LS190D1 Q1 Q0 CT U/D Q2 Q3 GND圖6 74LS190集成芯片管腳圖引腳說明：D0D3：數(shù)據(jù)輸入端CT：使能控制端（低電平有效）CP：時鐘輸入端LD：異步預置數(shù)控制端（低電平有效）U/D：加/減計數(shù)方式控制端C/B：進位輸出/借位輸出端Q0Q3：數(shù)據(jù)輸出端CO：串行時鐘輸出端（低電平有效）

12、74LS190的預置是異步的。當預置數(shù)控制端LD為低電平時，不管時鐘端CP狀態(tài)如何，輸出端（Q0Q3）即可預置成與數(shù)據(jù)輸入端（D0D3）相一致的狀態(tài)。74LS190的計數(shù)是同步的，靠CP同時加在四個觸發(fā)器上而實現(xiàn)的。當使能控制端CT為低電平時，在CP 上升沿作用下Q0Q3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。當計數(shù)方式控制端U/D為低電平時進行加計數(shù)；當U/D為高電平時進行減計數(shù)。74LS190有超前進位功能。當計數(shù)上溢或下溢時，進位/借位輸出端C/B輸出一個寬度約等于CP脈沖周期的高電平脈沖；串行時鐘輸出端CO輸出一個寬度等于CP低電平部分的低電平脈沖。2）30秒倒計時的原理30秒

13、的倒計時需要用兩片的74LS190芯片才能實現(xiàn)。根據(jù)上述74LS190的功能，個位芯片的串行時鐘輸出端CO是低有效的，當狀態(tài)為0時，輸出為CO=0，下一個狀態(tài)變?yōu)?時，輸出為CO=1，所以有一個上升沿的產(chǎn)生，這正可以作為十位芯片的時鐘信號，從而采用串行借位方式來實現(xiàn)30秒的倒計時。讓兩個芯片的使能端CT=0，加/減計數(shù)方式控制端U/D=1，同時讓個位芯片的數(shù)據(jù)輸入端（D0D3）=0000，十位芯片的數(shù)據(jù)輸入端（D0D3）=0011，當置數(shù)信號LD=0，輸出為30，當置數(shù)信號LD=1，當時鐘CP的上升沿來臨時，開始30秒倒計時計數(shù)。3.譯碼顯示單元（1）74LS248的邏輯圖和管腳圖如圖7所示，

14、半導體數(shù)碼管的管腳圖如圖8所示。 圖7 74LS248邏輯圖和管腳圖（2）74LS248的工作原理：1）74LS248真值表，如表2所示 表2 74LS248真值表2）附加控制端功能： 燈測試輸入LT=0時，七段同時點亮；LT=1時，處于正常工作狀態(tài)。 滅零輸入RBI =0時，應顯示的0被熄滅；RBI=1時，0可以正常顯示。滅燈輸入BI/滅零輸出RBO：復合控制端口滅燈輸入BI：=0時，各段同時熄滅，不顯示數(shù)字； 滅零輸出RBO：當A3A2A1A0=0000，且RBI= 0時，RBO= 0，表示顯示的0被熄滅。3）正常譯碼顯示：只要滅燈輸入信號BI，燈測試輸入信號LT和滅燈輸入BI/ 滅零輸出

15、RBO為高電平，就可對輸入為十進制數(shù) 0 15 的二進制碼（ 0000 1111 ）進行譯碼，產(chǎn)生顯示 0 15 所需的七段顯示碼（其中 10 15 用特殊符號顯示）。（3）半導體數(shù)碼管1）半導體數(shù)碼管的管腳圖和等效電路，如圖8所示：2）半導體數(shù)碼管：工作電壓低、體積小、壽命長、可靠性高、亮度高、響應速度快。工作電流大，一般為10mA左右。只要讓8或3管腳接地，然后把譯碼器的輸出端接到數(shù)碼管相應的端口，就可以顯示出數(shù)字來圖8 半導體數(shù)碼管的管腳圖和等效電路（4）用74LS248驅(qū)動半導體數(shù)碼管，如圖9所示 圖9 用74LS248驅(qū)動半導體數(shù)碼管的連接圖4.控制單元讓74LS190的兩個芯片的使

16、能端CT=0，加/減計數(shù)方式控制端U/D=1，通過門電路控制置數(shù)信號LD=0可實現(xiàn)清零（清為30）的功能；控制置數(shù)端LD=1，當時鐘CP的上升沿來臨時，可進行減法計數(shù)，可實現(xiàn)啟動的功能。另外，通過控制時鐘CP的輸入與否，從而實現(xiàn)暫停/連續(xù)的功能，如圖10。1）當十位和個位的輸出不為0時，C/B端都為0，當輸出為0時，C/B端都為1，只要把兩個C/B端利用非門74LS04取反作為或非門的輸入，或非門74LS02輸出端接一個發(fā)光二極管，同時或非門輸出與555產(chǎn)生的1HZ脈沖信號作為另一個或非門的輸入，則當十位和個位的輸出都為0時，第一個或非門的輸出為1，這時發(fā)光二極管亮，同時時鐘的輸入無效，則十位

17、和個位保持為0，達到30秒倒計時到0時停止并發(fā)出信號（二極管變亮）。2）通過按鈕A來控制用JK觸發(fā)器連成的T觸發(fā)器的輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，將74LS190的兩個芯片的置數(shù)端接到觸發(fā)器的輸出端Q上，來實現(xiàn)清零（清為30）與啟動的功能。在正常計數(shù)的情況下，Q為低電頻，按按鈕A第一下，觸發(fā)器的輸出端狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，Q為高電頻，Q為低電頻，此時十位和個位的置數(shù)端都為低電平，把十位的3和個位的0置入，即兩個74LS190的輸出分別為3與0，達到清零的功能；然后再按按鈕A第二下，使觸發(fā)器的輸出端狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，Q為低電頻，Q為高電頻，此時十位和個位的置數(shù)端都為高電平，則開始正常計數(shù)，既滿足啟動的功能。3）通過按鈕B

18、來控制用JK觸發(fā)器連成的T觸發(fā)器的輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，將控制單元中運用到的第三個或非門的一個輸入端連接到觸發(fā)器的輸出端Q上，來實現(xiàn)暫停與連續(xù)的功能。在正常計數(shù)的情況下，Q為低電頻，按按鈕B第一下，觸發(fā)器的輸出端狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，Q為高電頻，這就使第三個或非門的輸出始終為0，時鐘信號沒有起作用，則給個位的時鐘信號始終在高電平，74LS190的輸出保持不變，達到暫停的功能，然后再按按鈕B第二下，使觸發(fā)器的輸出端狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，Q為低電頻，則時鐘信號能傳給個位的時鐘輸入端，則開始正常計數(shù)，達到連續(xù)的功能。圖10 門電路實現(xiàn)的控制單元圖11 74LS73管腳圖六總體電路通過上述各個單元的分析，得到的總體電路如圖

19、12：圖12 總體電路七實驗過程1.Multisim仿真過程（1）審題在仔細認真閱讀數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計指導書2009之后，決定設(shè)計籃球競賽30秒計時器。首先，我覺得要制作就要制作使用的東西，否則只需要仿真即可沒有必要做出實體，而通過審視籃球計時器是所有題目中實用性最強的，也是最貼近同學們生活的。其次，由于在同等進行課程設(shè)計的情況下，籃球競賽30秒計時器設(shè)計的分數(shù)比較高。再次，認真看了設(shè)計要求之后，有了基本的思路，并且有相關(guān)參考書查閱，所以認為以自己的能力可以把它設(shè)計出來。最后，決定數(shù)字電子課程設(shè)計的設(shè)計題目為籃球競賽30秒計時器。（2）設(shè)計方案 在了解設(shè)計要求之后，認真思考了方案。首先，思考

20、如何實現(xiàn)30秒的倒計時，要實現(xiàn)倒計時就意味著要進行減法，這時想到了利用可逆計數(shù)器來設(shè)計。而可逆計數(shù)器常用的有十六進制的和十進制的兩種，由于30秒是十進制，則選用十進制的74LS190來設(shè)計。然后，74LS190需要時鐘信號來驅(qū)動，要如何得到一個1HZ的始終信號，根據(jù)老師的提醒，用555定時器可以很容易的構(gòu)成多謝振蕩器，即可以產(chǎn)生時鐘脈沖。最后，如何顯示計時狀態(tài)，這個別無選擇只能是用顯示譯碼管來實現(xiàn)顯示的功能。（3）查看資料有了基本的設(shè)計思路之后，需要知道所有要用到的芯片的功能及各個管腳的意義，以及連接的方法。于是通過查找資料，把每個芯片的有關(guān)要點都進行了初步了解，然后在運用的過程中達到熟悉真值

21、表的程度。（4）開始設(shè)計通過以上的準備，開始進入設(shè)計。首先，進行驅(qū)動源的設(shè)計，即時鐘脈沖的產(chǎn)生。把555定時器接成周期為1s的多謝振蕩器，可通過公式求出所需的電阻與電容的大小，按照計算結(jié)果連接電路，并用示波器觀察波形，進行驗證，確保其可以產(chǎn)生1HZ的震蕩信號。其次，設(shè)計30秒的倒計時，在了解74LS190的原理之后，決定采用串行借位方式實現(xiàn)30秒的倒計時，芯片的端口按照原理來進行設(shè)計使用。最后，顯示譯碼管的使用。在Multisim中，直接可以把74LS190的輸出端接到4輸入的顯示譯碼管的輸入端，就可以顯示出數(shù)字。而在實際中，必須要通過譯碼器來驅(qū)動半導體數(shù)碼管，才能顯示出數(shù)字來。所以，也要了解

22、顯示譯碼器74LS48的原理，然后再把74LS190的輸出端接到74LS48的輸入端，經(jīng)過譯碼之后，把輸出接到半導體數(shù)碼管的輸入端，才可顯示數(shù)字。（5）仿真驗證在Multisim軟件中設(shè)計電路，設(shè)計完之后，經(jīng)過仿真，來驗證是否達到預期的結(jié)果。剛開始，仿真不出預期的結(jié)果。于是，我依據(jù)問題的所在對電路進行模塊化檢查。首先，在555震蕩電路模塊的輸出端接上一個發(fā)光二極管，看二極管是否產(chǎn)生閃爍的效果，以檢查555震蕩電路是否可以產(chǎn)生震蕩信號。果然，此模塊沒有產(chǎn)生震蕩信號，所以整個電路不能正常工作。經(jīng)過仔細的檢查后，查出問題的所在，在修改555模塊后，整個電路的仿真達到了預期的效果。2.實踐過程（1）連

23、接電路按照電路圖來連接電路，首先，檢查芯片是否完好，通過簡單的測試，看是否符合邏輯功能。例如：在檢查非門的芯片中，輸入為1/0時,輸出是否為0/1。其次，在連線的過程中，要首先注意兩個關(guān)鍵的點，Vcc與地。每個芯片都要接Vcc與地，所以在連接某個芯片時，我非常注意芯片是否已接上了Vcc與地。同時，用導線連接時，檢查導線是否完好，才用來連接。最后，只要小心翼翼、堅持不懈地去連接每一條導線，最終會完成連接的。（2）驗證功能 連接好電路之后，通過接通電源，來檢測是否正確。在第一次檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的數(shù)字有時候是亂碼，有時候是正常數(shù)字，前一個數(shù)與后一個數(shù)之間沒有連續(xù)性，沒能顯示30的倒計時，

24、但是清零和暫停的功能都正常。經(jīng)過我仔細觀察數(shù)碼管的跳變數(shù)字的規(guī)律，才發(fā)現(xiàn)原來是74LS190的輸出端在與74LS248的輸入端相連時，端口對應出錯了。在仔細閱讀兩個芯片的管腳圖和真值表后，修改了電路的連接，然后再次接通電源檢測，電路實現(xiàn)了30的正常倒計時。最終，完成了整個設(shè)計的過程。八心得體會 通過數(shù)字電子課程設(shè)計，我體會到了學習數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)這門課的用處，正因為有了數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)，才能完成本次的課程設(shè)計。在這兩周的課程設(shè)計中，我嘗試到了：由剛開始的信心，到灰心，再到耐心和最后的開心，每一種感觸都非常的深刻，也許這就是這門課程設(shè)計的意義吧。拿到設(shè)計題目與要求時，通過審題之后，因為實用性，我選擇設(shè)計籃球競賽30秒，但是更主要的因素是，我有信心自己能夠完成設(shè)計并做出實體。我的信心來之于我學習數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)時學到的知識以及我對課程設(shè)計的興趣，認為自己的知識儲備可以應對這次的考驗。只要我一想到，我把它設(shè)計出來后，看著數(shù)碼管在按照預定的方案跳動時，我的心情是多么的開心。所以，在這兩種動力之下，我很有信心能完成設(shè)計。做任何事情難免總會碰到困難，會有灰心的時候。當我在Multisim軟件中設(shè)計時，我嘗試到了多次的失敗。在我多次修改后，數(shù)碼管仍然不能正常工作，使我很有挫敗感，我由剛開始的信心滿滿，瞬間失去了信心，甚至是無比的灰心。但是，我沒有放棄，因為我知道，我必須