籃球秒記時器的設(shè)計與制作

1、武漢理工大學(xué)電工電子技術(shù)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電氣1107班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 籃球24秒記時器的設(shè)計與制作初始條件：（1） 具備顯示24秒記時功能（2） 計時器為遞減工作，間隔為1S（3） 遞減到0時發(fā)聲光報警信號（4） 設(shè)置外部開關(guān)，控制計時器的清0，啟動及暫停要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）（1） 設(shè)計任務(wù)及要求（2） 方案比較及認證（3） 系統(tǒng)框圖，原理說明（4） 硬件原理，完整電路圖，采用器件的功能說明（5） 調(diào)試記錄及結(jié)果分析（6） 對成果的評價及改進方法（7） 總結(jié)（收獲及體會）（8）

2、 參考資料（9） 附錄：器件表，芯片資料時間安排：6月27日6月30日：明確課題，收集資料，方案確定7月1日7月4日：整體設(shè)計，硬件電路調(diào)試7月5日7月8日；報告撰寫，交設(shè)計報告，答辯指導(dǎo)教師簽名： 2013年 6月 27 日目錄摘要11 方案設(shè)計與選擇21.1 設(shè)計方案一21.1.1 設(shè)計思路21.1.2 總體框圖31.1.3 電路原理圖31.2設(shè)計方案二31.2.1 設(shè)計思路31.2.2 總體框圖31.2.3 電路原理圖41.3 方案選擇42 單元電路設(shè)計52.1 秒脈沖產(chǎn)生電路52.2 24進制計數(shù)電路52.3 譯碼顯示電路52.4 控制電路62.5 聲光報警電路63 仿真檢測74 實物

3、調(diào)試94.1 發(fā)現(xiàn)問題94.2 分析問題94.3 解決問題9結(jié)束語10參考文獻11附錄1 材料清單12附錄2 重要芯片管腳圖和功能表12摘要計時器在現(xiàn)實生產(chǎn)、生活、競技體育等方面應(yīng)用非常廣泛，其中最常見的要屬數(shù)字電路計時器了?；@球比賽中規(guī)定一方隊員持球時間為24秒，其中包括暫停、倒計時、歸零、置24秒等規(guī)則，需要用到一款24秒計時器。本次設(shè)計的計時器主要由五個部分構(gòu)成：秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示器、聲光報警器以及控制電路?？梢酝瓿芍脭?shù)、暫停、倒計時、清零等功能，滿足籃球比賽的需要。本次設(shè)計步驟主要是設(shè)計方案原理圖、利用Multisim仿真、實物調(diào)試并完善電路，最終完成籃球24秒計時器的設(shè)計

4、與制作。關(guān)鍵詞：倒計時 Multisim 秒脈沖 譯碼顯示 聲光報警籃球24秒計時器的設(shè)計與制作1 方案設(shè)計與選擇1.1 設(shè)計方案一1.1.1 設(shè)計思路本計時器主要包括五個部分：秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、數(shù)碼顯示電路、聲光報警電路、控制電路。時鐘脈沖發(fā)生器由含555定時器的多諧振蕩電路組成，發(fā)出頻率為1HZ的方波脈沖，傳遞給計數(shù)器；計數(shù)器主要由兩個74LS192構(gòu)成，接受方波脈沖進行計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果傳遞給數(shù)碼顯示電路；數(shù)碼顯示電路主要由兩個七段共陰極的數(shù)碼管構(gòu)成，能夠顯示24秒倒計數(shù)過程；聲光報警電路主要由一個發(fā)光二極管和一個蜂鳴器組成，當計數(shù)器顯示00時，兩者一起工作，進行聲光報警；控制電路控

5、制計數(shù)器啟動計數(shù)、暫停/連續(xù)計數(shù)以及清零置數(shù)的功能。1.1.2 總體框圖低位顯示高位顯示控制電路計數(shù)器計數(shù)器秒脈沖發(fā)生器聲光報警器報警電路圖1 倒計時設(shè)計總體框圖1.1.3 電路原理圖圖2 方案一電路原理圖1.2設(shè)計方案二1.2.1 設(shè)計思路考慮到市場上4輸入七段共陰極的數(shù)碼管不容易買到，而7輸入的則很好買，所以可以用7輸入數(shù)碼管替換4輸入數(shù)碼管，并通過74LS48譯碼器與計數(shù)器連接，組成譯碼顯示器；另一方面，考慮到調(diào)節(jié)暫停/啟動開關(guān)J3可能因抖動而使計數(shù)躍變，所以在J3和與非門U7A之間添加一個觸發(fā)器，消除開關(guān)抖動，防止計數(shù)躍變，增強電路穩(wěn)定性。1.2.2 總體框圖高位顯示低位顯示譯碼驅(qū)動譯

6、碼驅(qū)動控制電路計數(shù)器計數(shù)器秒脈沖發(fā)生器聲光報警器報警電路圖3 倒計時設(shè)計總體框圖1.2.3 電路原理圖圖4方案二電路原理圖1.3 方案選擇對比方案一和方案二可以發(fā)現(xiàn)，雖然大部分結(jié)構(gòu)相同，且理論上都可以實現(xiàn)課設(shè)的基本功能，但各有千秋，優(yōu)缺點還是很明顯的。方案一設(shè)計思路和連接都很簡單，速度快效率高，反應(yīng)靈敏；不足之處是穩(wěn)定性差，容易因為開關(guān)抖動產(chǎn)生計數(shù)躍變。方案二穩(wěn)定性較好，元器件容易買到；不足之處是電路比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)連線錯誤。聯(lián)系實際應(yīng)用綜合考慮，計時穩(wěn)定在競技比賽中是非常重要的，即使電路復(fù)雜一點也是值得的，故選擇方案二作為最優(yōu)方案（本方案最終被確定為小組方案），來進行仿真、實物制作。2 單

7、元電路設(shè)計2.1 秒脈沖產(chǎn)生電路因為初始條件規(guī)定計時器遞減間隔為1S，所以時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號要求是1HZ的方波脈沖，可采用比較穩(wěn)定的由555定時器和外接元件R2、R5、C、Cf構(gòu)成的多諧振蕩器。振蕩周期、振蕩頻率分別為： T=0.7（ R2+2R5）C （1） f=1/T=1.43/（ R2+2R5）C （2）此555定時器頻率為1HZ，故令C =10uF，R2=28k，R5 =58 k，輸出脈沖頻率約為1HZ，如圖5所示。 圖5秒脈沖信號發(fā)生器2.2 24進制計數(shù)電路24進制計數(shù)電路由兩片74LS192同步十進制可逆計數(shù)器構(gòu)成，如圖6所示。圖6 24進制計數(shù)器本課題中利用減計數(shù)器端輸入

8、秒脈沖信號，進行倒計時，計數(shù)器按8421碼遞減進行減計數(shù)。利用借位輸出端BO與下一級74LS192的DOWN端連接，實現(xiàn)計數(shù)器之間的級聯(lián)。利用置數(shù)控制端LOAD實現(xiàn)異步置數(shù),24循環(huán)的設(shè)置為，十位片的DCBA=0010，個位片的DCBA=0100。2.3 譯碼顯示電路譯碼及顯示電路是由74LS192接譯碼驅(qū)動器74LS48和7段共陰數(shù)碼管組成，譯碼器接受計數(shù)器傳遞來的計數(shù)結(jié)果，并對它進行譯碼，進而驅(qū)動數(shù)碼管顯示數(shù)字，如圖7所示。圖7譯碼及顯示電路2.4 控制電路控制電路用來完成計數(shù)器的復(fù)位、啟動計數(shù)、暫停/繼續(xù)計數(shù)、聲光報警等功能。與非門、非門以及D觸發(fā)器實現(xiàn)計數(shù)器的復(fù)位、計數(shù)和保持“24”，

9、以及聲、光報警的功能，開關(guān)功能：開關(guān)J1：清零開關(guān)。開關(guān)J2：置數(shù)開關(guān)。開關(guān)J3：暫停開關(guān)。2.5 聲光報警電路 光報警電路由發(fā)光二極管和蜂鳴器以及一個非門組成，兩者同時工作，當計數(shù)器計到00時，控制高位的74LS192芯片的BO端輸出為低電平，通過非門后得到一高電平，從而使發(fā)光二極管和蜂鳴器正常工作，進行聲光報警，如圖8所示。圖8聲光報警電路圖3 仿真檢測使用Multisim軟件對最優(yōu)方案進行仿真檢測，仿真結(jié)果記錄如圖9至圖13所示。圖9 預(yù)置數(shù)圖10倒計時圖11 暫停圖12 倒計時到0，聲光報警圖13 強制清零，聲光報警 由以上仿真圖可知，選擇的設(shè)計方案可以實現(xiàn)全部的功能，符合任務(wù)要求。4

10、 實物調(diào)試4.1 發(fā)現(xiàn)問題 據(jù)電路原理圖連接好實物圖，進行調(diào)試，在調(diào)試過程中主要發(fā)現(xiàn)了以下兩個問題：（1）低位顯示不正常，（2）計時間隔大于1秒。4.2 分析問題 對問題（1），慮到高位顯示正常，因而排出了秒脈沖產(chǎn)生電路出現(xiàn)故障的原因，問題極可能是出在低位那一路的計數(shù)器74LS192或譯碼顯示器上，應(yīng)對其重點檢查。 對問題（2），計時頻率由秒脈沖產(chǎn)生電路控制，且兩者大小相同。根據(jù)振蕩頻率公式f=1/T=1.43/(R1+2R2)C可知，倒計時頻率過小原因極可能是555外置電容C1，外置電阻R2、R5的值偏大；雖然它們的值是嚴格按照理論計算值來確定的，但考慮到現(xiàn)實中導(dǎo)線存在電阻、面包板接觸不良等

11、不可抗逆因素，實際的電容值電阻值偏大也是極有可能的，應(yīng)想辦法解決。4.3 解決問題 對問題（1），接通電源，使整個電路運行起來，用手指觸摸低位顯示路的計數(shù)器74LS192、譯碼器74LS48和數(shù)碼管，發(fā)覺74LS192發(fā)燙嚴重；用萬用表依次測量它各個管腳的平高低，發(fā)現(xiàn)四個輸出端一直都是高電平而其他管腳電平值正常；斷開16腳VCC與外部電源的連接后，低位數(shù)碼管讓然有顯示。綜合上述現(xiàn)象，判定該芯片已經(jīng)被燒壞。更換上一個新芯片后，低位正常顯示，證實了之前的判斷。針對問題（2），因為購買電容的容值比較單一，不方便更改，所以只能更改電阻。又因為從震蕩頻率公式可以看出，R2的系數(shù)為1，而R5的系數(shù)為2，所

12、以更改R5的阻值效果會更好。我先后用幾個較小阻值的普通電阻替換R5發(fā)現(xiàn)計數(shù)頻率有所變化，但效仍然不夠理想，不是太快就是太慢。后來改用20M的滑動變阻器，可以連續(xù)調(diào)節(jié)阻值，經(jīng)過不斷地與手表對比、校準，終于使倒計時間隔等于1秒。結(jié)束語剛剛抽到籃球24秒計時器這個題目時，心里挺開心的，因為我很喜歡打籃球、看球賽，很了解該計時器的工作狀態(tài)，也充分認同該課題的趣味性和實用性。然而題目要求先仿真再制作實物，心里頓時就沒底氣了，因為Multisim我連聽都沒聽過，更別說用了，怎么辦呢？ 時間很緊，容不得多想，我一頭扎進圖書館，精心挑選了Multisim10電路仿真及應(yīng)用、基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計、

13、仿真與綜合應(yīng)用、Multisim 11電路設(shè)計及應(yīng)用等三本工具書，啃了好幾個小時后，基本了解了Multisim10的基本功能、下載及安裝方式、菜單命令、常用工具欄、基本操作，掌握了收索、放置元器件的步驟，連線方法，運行仿真檢測等重要知識。Multisim10軟件學(xué)得差不多后，為了盡可能全面了解各芯片、單元電路的結(jié)構(gòu)和作原理，我又將數(shù)電教材中的相關(guān)知識點好好了一遍。直到胸有成竹、自信滿滿后，才開始動手做。因為準備得很充分，所以做起來很順利。從在Multisim10主數(shù)據(jù)庫中查找元器件，到畫最優(yōu)方案的電路原理圖，再到仿真，幾乎一帆風(fēng)順。但在調(diào)試階段卻遇到了燒壞74LS192、倒計時頻率太慢、開關(guān)位

14、置被導(dǎo)線覆蓋、元器件購買不齊全、面包板接觸不良等問題，在四位小組成員一起分析原因、分塊檢測、提出解決方案、修改電路，再檢測、再修改遇到不懂之處就翻閱工具書、上網(wǎng)收索、請教同學(xué)直到弄懂為止，經(jīng)過大家的不斷探索終于成功解決了所有問題，使電路正常工作，達到了任務(wù)要求。在這個過程中，我也深深體會到分工合作的重要意義。現(xiàn)在，我已經(jīng)全部完成了，驀然回首才發(fā)現(xiàn)自己完成了從對Multisim一無所知到熟練使用仿真的跨越。這一步的跨越并不難，關(guān)鍵是要有勇氣、有自信來開始；這一步的跨越也并不是很容易，還需要有排查錯誤的細心、耐心和堅持下去的恒心。身在一個信息化時代，知識的更新?lián)Q代越來越快，各種軟件的升級更是日新月

15、異，這就要求我們時刻準備學(xué)習(xí)、了解、使用新鮮事物，就像這次的Multisim一樣。然而對于這一強大而又與電氣專業(yè)聯(lián)系又十分密切的電子仿真軟件，我只能算得上是略窺一斑，以后的學(xué)習(xí)之路還很長，還要繼續(xù)加油！參考文獻1伍時和.數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社,0092康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）.北京:高等教育出版社,20063張新喜，許軍，王新忠，楊迎雨等. Multisim10電路仿真及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，20104郭鎖利，劉延飛，李琪等. 基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計、仿真與綜合應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，20125王冠華.Multisim 11電路設(shè)計及應(yīng)用.北京:國

16、防工業(yè)出版社,20106陳勇.實例講解Multisim10電路仿真.北京：人民郵電出版社，2010附錄1材料清單表1元件清單附錄2 重要芯片管腳圖和功能表1 74LS192計數(shù)器 圖14 74LS192的引腳圖及邏輯符號表2 74LS192的功能表輸入輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01×××××××000000××dcbadcba011××××加計數(shù)011××××減計數(shù)2 74LS48譯碼器表3 74LS48的功能表十進制輸入BI/RBO輸出LTRBIDCBAabcdefg0HH0000H11111101HX0001H01100002HX0010H11011013HX0011H11110014HX0100H01100115HX0101H10110116HX0110H00111117HX0111H11100008HX1000H11111119HX1001H111001110HX1010H000110111HX1011H001100112HX1100H010001113HX1101H100101114HX1110H000111115HX111