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1、摘要数字电路课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的环节，是真正锻炼学生能力的环节。 在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒计时，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通信号控制机、还可以用来做为各种药丸，药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会是何其重要的。在篮球比赛中，规定了队员的持球时间不能超过30S，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛30S计时器”，可用于篮球比赛中，用于对队员持球时间30S的限制。一旦队员的持球时间超过了30S，它自动的报警从而判定此队员的犯规。 篮球竞赛30S计时器具有计时、暂停、清零、
2、报警的功能，整个电路的设计借助于Proteus仿真软件和数字逻辑电路，并在Proteus下设计和进行仿真，得到了预期的结果。再通过实际焊接和调试来现实实现这些功能。关键词：计时器 脉冲发生器 数码显示 清零 报警目录第一章 设计要求1第二章 方案设计原理及比较22.1 设计方案22.2 方案比较3第三章 电路设计与分析43.1 电路设计原理43.2 单元模块43.2.1 脉冲产生电路4 3.2.2 计时器53.2.3 单元译码显示部分8 3.2.4 报警电路10 3.2.5 外部操作信号11第四章 总原理图12第五章 电路的安装与调试135.1 电路的安装135.2 调试仪器和设备135.3
3、电路的调试135.4 电路的调试结果分析14第六章 实验结论和实验感悟15参考文献16附录一17附录二1818第一章 设计要求篮球竞赛30S计时器1. 具有显示30S计时功能；2设置外部操作开关，控制计数器的直接清零，启动和暂停/连续功能；3在直接清零时，要求数码显示器灭灯；4计时器为30S递减计时，计时间隔为1S；5计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号；第二章 方案设计及比较2.1 设计方案根据目前所学的知识，主要有以下两种设计方法（1）.方案一：图2.1 方案一篮球竞赛30S计时器电路（2）.方案二：图2.2 方案二篮球竞赛30S计时器电路2.2 方案比较方案一：
4、结构复杂，线路很多，用的元器件也比较多，而且要用到两个555芯片，需要的芯片也更多，这样在实际焊的过程中工作量比较大，。方案二：虽然元器件也挺多，但对比与方案一更多，而且需要的芯片也更少，这样所需成本更少，线路更简单些，焊起来也更快。所以，综合考虑，选择方案二较好。第三章 单元电路分析与设计3.1 电路设计原理篮球竞赛30S计时器的总体参考方案框图如图 2-1 所示。它包括秒脉冲发生器，30S计时器，单元译码显示部分，报警电路和外部操作信号五大块组成，其中外部操作信号包括置数启动，暂停和清零电路。图3.1 篮球竞赛30S计时器设计总框图3.2 单元模块3.2.1 脉冲产生电路（555定时器）
5、555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能（集成块图在下面） 1地 GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值) 7放电 8电源电压Vcc用555定时器构成多谐振荡器：用555定时器构成多谐振荡器电路如图(a)所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态,也不需要外加触发信号,利用电源VCC通过R1和R2向电容器C充电,使uC逐渐升高,升到2VC
6、C/3时,uO跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容通过电阻R2和D端放电,使uC下降,降到VCC/3时,uO跳变到高电平,D端截止,电源VCC又通过R1和R2向电容器C充电。如此循环,振荡不停, 电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电,输出连续的矩形脉冲,其波形如图(b)所示。图3.2 脉数发生器示意图输出信号uO的脉宽tW1、tW2、周期T的计算公式如下:tW10.7(R1R2)C （3.2.1 1） tW20.7R2C （3.2.1 2）TtW1tW20.7(R12R2) （3.2.1 3）这里的脉数发生器R1 =51 K, R2 = 47 K,C =1 uf周期T = 0.1
7、 s3.2.2 计时器 计时器部分由两片74Ls192和一片74Ls161组成（1）. 74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能.图3.3 74Ls161引脚图管脚图介绍：时钟CP和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置数PE数据输出端Q0Q3图3.4 74Ls161功能表从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、
8、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”，CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。这里将74Ls161置数为6，计数从6到15变成十进制计数器，脉数发生器周期为0.1秒，经过74Ls161,每循环一次，TC进位端发生一个高信号，于是相当于TC端是发出周期为1秒的脉冲信号。(2).74LS192 为可预置的十进制同步加/减计数器（双时钟），其清除端
9、是异步的。图3.5 74Ls192引脚图引出端符号 TCD 错位输出端（低电平有效）TCU 进位输出端（低电平有效） CPD 减计数时钟输入端（上升沿有效） CPU 加计数时钟输入端（上升沿有效） MR 异步清除端 P0P3 并行数据输入端 PL 异步并行置入控制端（低电平有效） Q0Q3 输出端当清除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能；预置是异步的，当置入控制端（PL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态；计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作
10、用下Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。 当计数上溢出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。 当把TCD和TCU分别连接后一级的CPD、CPU，即可进行级联.74Ls192设计部分如下： 图3.6 74Ls192设计高片74Ls92置数为3，低片74Ls92置数为0，低位CP接74Ls161的TC（15管脚）。当低位74Ls92从0减为9时，借位端发出信号，使高位
11、74Ls92从3到2，低位每计数十下，高位减一下。3.2.3 单元译码显示部分单元译码显示部分也由两部分组成，一部分是74Ls48，一部分是共阴数码管。（1）. 74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。 图3.7 74LS48引脚图图3.8 数字显示译码器图3.9 BCD七段译码器真值表（2）.共阴数码管图3.10 共阴数码管引脚图译码管和数码管的连接:图3.11 单元译码显示部分3.2.4 报警电路图3.12 光电报警电路BO1为低位74LS192的借位端，BO2为高位74LS192的借位端，到低位从0到9时，BO1发出“0”信号，但不
12、会使发光二级管亮灯，只有当计数器见到00时，B01和BO2同时发出“0”信号，才能使发光二级管发光，产生报警作用。3.2.5 外部操作信号外部操作信号由置数，暂停，清零三部分构成。1、操作“清零”开关，要求计数器清零，当开关闭合是继续工作，开关打开是使两片74ls192的清零端为高电位，于是清零端工作。 2、闭合“启动”开关，计数器应完成置数功能，显示器显示30，断开“启动”开关，计数器开始进行递减计数。 3、当“暂停/连续”开关处于闭合时，发出低电平，通过与555的输出端与非，从而使与非后的信号一直为高电位，即脉冲信号失效，显示器保持不变。当此开关处于打开时，计数器继续累计计数。第四章 总原
13、理图 根据上述设计思路和参数设计得到总电路原理图：图4.1 总电路原理图第五章 电路的安装与调试5.1 电路的安装1. 先装矮后装高、先装昂小后装大、先装耐焊等等； 2. 布线尽量使电源线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用； 3. 焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件， 不能耐高温，比如焊接稳压器时，电烙铁绝对不能停留太久。5.2 调试仪器和设备万用表 钳子 电烙铁 示波器 锡丝 导线 镊子5.3 电路的调试(1).连接好5V电源后发现数码管出现乱码，于是用万用表出测试每条电路发现没有接错了没有断路的地方。之后又用示波器测试发现555发生的脉冲信号没有错，一个输出
14、端一个输出端检查发现别的地方都没错除了74ls192和数码管。发现数码管有的管子烧坏了,而且74ls192的芯片有两种。于是把数码管换了新的，并在数码管和接地直接连接了一个小电阻。把74ls192的芯片换成了另一种于是有用了。(2).发现计时器计数太快，周期差不多是0.1秒，发现电容弄错了，于是把电容改小了十倍，再测试周期正常为1秒。(3).第二天在测试发现计数器不会从30到00，而是随机停，每次停的数不一样，而且到了OO也不会停止。经过再次检查，之后用函数信号发生器输出1秒脉冲信号在和电路板连接，发现计数器此时一切正常，知道是555坏了，但更换555芯片后脉冲信号还是不稳定，检查电路也查不出
15、，便重新焊过个脉冲发生器。5.4 电路的调试结果及分析经多次调试后连接5V直流电源后，数码管首先显示数字为00，闭合置数开关，数字显示为30，打开置数开关，计数器开始计时，从30一直到00，计数期间按下暂停键，数码管显示不变，打开后继续计算，当数码管到了00时，发光二极管发亮同时数码管显示不变，停在00。结果与设计要求都符合，说明这次设计成功。第六章 实验结论和实验感悟在本次的课程设计中通过自己选题，找材料，分析、设计等，也掌一些软件的操作方法，这为以后的学习做了铺垫。整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。 通过本次的课程设计，最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了寻求解决问
16、题的能力和团队精神,也增强了其它方面的能力。在设计中，充分应用所学的知识。这次实践让人受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了大家的设计思维，增强了实际操作能力。在让大家体会到设计电路艰辛的同时，更体会到成功的喜悦和快乐。这次设计所用的的反正软件工具是 proteus，之前没用过，以前只学过Multisim和protel 99se这两个仿真软件，不过没花多久就学会用proteus，发现proteus比Multisim更好用，用起来方便简单。这次脉数课程设计提高了综合动手能力和工程设计能力，它使大家的理论知识得到了综合应用，培养了综合运用所学理论的能力和解决较复杂
17、的实际问题的能力。电子技术发展呈现出系统集成化，自动化，设计自动化，用户专业化和测试智能的优势，作为一个大学生，为了适应时代的发展，必须要扩展自己的知识，并利用计算机来辅助分析和设计，这是有益的。课程设计的自主设计、学习和研究过程中，通过写课程设计的总结报告，初步训练了大家的书面表达能力，组织逻辑能力。这些技能应用性强，对将来就业和进一步发展帮助较大，同时也加强了对课本知识的理解，使大家做到了理论和与实际的联系，收获很大。并且大家也深深地体会到所学知识的不足，激发了大家的自学能力和应对挑战的能力。为今后学习打下了良好的基础，培养了严谨务实，戒骄戒躁的作风。参考文献1.余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第二版）.高等教育出版社，1999.2.陈大钦.电子技术基础实验.高等教育出版社，2000.3.唐颖、马杰、王海云.数字电路.重庆大学出版设，2004。4 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.5 代启化Proteus在电路系统设计中的应用.2006.6 肖景和CMOS数字电路应用300例.中国电力出版社,2006. 附录一实验原理图：附录二原件清单：表1序号类型型号数量1发光二级管12电阻51K147K21K110K210013按键开关34共阴数码管25电容1f10.1f16芯片74LS192274LS161174LS00174LS04174LS482