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1、 1 目录 摘要.2 1 系统组成原理.3 2 元器件的选择.4 2.1 计时器电路元器件的选择.4 2.2 译码显示电路元器件的选择.5 2.2.1 74ls48.5 2.2.2 七段发光二极管（LED）数码管.7 2.3 555 定时器.7 3 各部分设计及其原理图.10 3.1 30 秒循环计数器的原理图.10 3.2 开关控制电路.11 3.3 秒脉冲发生电路.11 3.4 译码显示电路.12 3.5 报警电路.13 4 总原理图.14 5 调试与结果分析.14 5.1 调试.14 5.2 结果分析.15 6 课设小结.17 7 参考文献.18 2 摘要 计时器在人类生活中有着非常重要
2、而广泛的应用，古时候人们就开始用沙漏和水漏做计时工具，随着科技和社会的发展，人们开始用全新的方法来改造计时器以达到准确计时的目的 随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，计时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。电子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一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。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、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机、还可以用来做为各种药丸，药片，胶囊在指定
3、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，规定了球员的持球时间不能超过 30 秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛 30 秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间 30 秒限制。一旦球员的持球时间超过了 30 秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。本设计主要能完成：显示 30 秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为 30 秒递减计时其计时间隔为 1 秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。同时本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛 3
4、0 秒计时器。此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的应用价值。3 1 系统组成原理 本课程设计主要包括秒脉冲发生电路、计数电路、数码显示电路和报警电路，控制电路是由各外部操作开关组成，而秒脉冲发生器是由 555 定时器构成，计数电路则由计数器组成。其设计原理构图如下：图 1-1 系统组成原理框图 脉冲冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路
5、等五个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的主要模块。控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示与灭灯、定时时间到报警等功能。当启动开关闭合时，555 振荡器将产生的信号送至计数器的 DOWN 信号输入端，减计数器开始工作，完成 30 秒计时功能。秒脉冲发生篮球30秒计时器的总体参考方案框图如图2.1所示。它包括控制电路、秒脉器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，但本设计对此信号要求并不太高，故电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡器构成。译码显示电路由74LS48和共阴极七段LED显示器组成。报警电路在设计中可用发光二极管代替。分析设计任务，
6、计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30s计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。为了满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。4 当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号 CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示“30”字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；为了简单起见，我们将暂停与连续的控制开关放在 555 电路模块中，通过控制脉冲信号的传送来达到相应的目的。当计数器 CLR 端输入高电平时清零 2 元器件的选择 2.1 计时器电路元器件
7、的选择 在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。计数器的种类非常多。如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。在设计中我们选择的是同步加/减计数器 74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是 8421BCD 码计数，其详细引脚图及功能表如下：图 2-1 74LS192 引脚图 5 表 2.1 74LS192 功能表 输入 输出 CR LD CP
8、U CPD D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 X X X X X X X O 0 0 0 0 0 X X d c b a d c b a 0 1 1 1 X X X X 保持 0 1 1 X X X X 加计数 0 1 1 X X X X 减计数 表中 CR 是清零端，LD 是置数端，CPU是加计数时钟输入端，CPD是减计数时钟输入端，D3D2D1D0DO 都是计数器预置数输入端，Q3Q2Q1Q0 都是数据输出端，另外，C0 是非同步进位输出端，BO 是非同步借位端输出端。2.2 译码显示电路元器件的选择 2.2.1 74ls48 BCD 码七段译码驱动器型号有 74LS47
9、（共阳）74LS48（共阴）、CD4511（共阴）等，本设计采用的是 74LS48 图所示为 74LS48 引脚排列图。其中 AD 为 BCD 码输入端;ag 为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动 LED 共阴数码管；LT为测试输入端，LT=0 时，译码输出全为“1”；BI为消隐输入端，BI=0，译码输出端全为“0”；LE 为锁定端，LE=1 时译码器处于锁定状态，译码输出端保持在 LE=0 时的数值，LE=0 为正常译码。74LS48 内有上拉电阻，故只需要在输出端与数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过 1001 时，输出全为“0”，数码管熄灭。6 表
10、2.2.174ls48 引脚功能表 74ls48 引脚功能表七段译码驱动器功能表 十进数 或功能 输入 BI/RBO 输出 LT RBI D C B A a b c d e f g 0 H H 0 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 0 1 H x 0 0 0 1 H 0 1 1 0 0 0 0 2 H x 0 0 1 0 H 1 1 0 1 1 0 1 3 H x 0 0 1 1 H 1 1 1 1 0 0 1 4 H x 0 1 0 0 H 0 1 1 0 0 1 1 5 H x 0 1 0 1 H 1 0 1 1 0 1 1 6 H x 0 1 1 0 H 0 0 1 1 1 1 1
11、 7 H x 0 1 1 1 H 1 1 1 0 0 0 0 8 H x 1 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 1 9 H x 1 0 0 1 H 1 1 1 0 0 1 1 10 H x 1 0 1 0 H 0 0 0 1 1 0 1 11 H x 1 0 1 1 H 0 0 1 1 0 0 1 12 H x 1 1 0 0 H 0 1 0 0 0 1 1 13 H x 1 1 0 1 H 1 0 0 1 0 1 1 14 H x 1 1 1 0 H 0 0 0 1 1 1 1 15 H x 1 1 1 1 H 0 0 0 0 0 0 0 BI x x x x x x L 0 0 0
12、0 0 0 0 RBI H L 0 0 0 0 L 0 0 0 0 0 0 0 LT L x x x x x H 1 1 图 2-2-1 74LS48 管脚图 7 2.2.2 七段发光二极管（LED）数码管 LED 数码管是目前最常用的数字显示器，图 4.4.1（a）及（b）所示为共阴管及共阳管的引脚功能图和电路。一个 LED 数码管可用来显示一位(09)十进制数和一个小数点。小型数码管每段发光二极管的正向压降随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略差别，通常约为 22.5V，每个发光二极管的点亮电流在 510mA 之间。LED 数码管要显示 BCD 码所表示的十进制数字就需要有一个专门
13、的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。共阴接法和共阳接法的区别在于它们公共端的接法不一样。共阳接法中，数码管的公共端 3 和 8 都接 VCC，而共阴接法中，3、8 脚都接 GND。2.3 555 定时器 设计中采用 NE555 来产生一秒的脉冲信号。555 集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。它结构简单，使用灵活，用途广泛，可以组成多种波形发生器多谐振荡器定时延时电路单稳触发电路双稳态触发器报警 8 电路检测电路频率变换电路等。设计要求要产生一个 1s 的脉冲信号来作为电路的 CP 脉冲信号。通过计算得到以下电路中的参数。555 信号周期计算 其中 R1=1
14、.5 K，R2=6.4 K,C=0.1uF,C1=100uF.因为 T=(R1+2R2)C 2 ，算得 T=1.011s 下面是 555 的内部结构和引脚图：图 2-3 555 内部结构及引脚图 555 各引脚的具体功能如下：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 下表为 555 的功表：表 2.3 555 定时器功能表 输入 输出 阈值输入 6 触发输入 2 复位 4 输出 3 放电管 T 7 X X 0 0 导通 2/3VCC 2/3VCC 1/3VCC 1 0 导通 1/3VCC 1 不变 不变 9 由图 2-3 不难证
15、明表 2.3 的正确性，表中第一行说明 555 定时器的清零作用。4脚加入低电平，将对 RS 触发器直接置“0”。接在dR端的三极管起跟随缓冲作用。当 TH 高触发端 6 脚加入的电平大于CC32V，TL 低触发端 2 脚的电平大于CC31V时，比较器 A1 输出高电平，比较器 A2 输出低电平，触发器置“0”，放电管饱和，7 脚为低电平。当 TH 高触发端加入的电平小于CC32V，TL 低触发端的电平大于CC31V时，比较器 A1 输出低电平，比较器 A2 输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7 脚为低电平。当 TH 高触发端 6 脚加入的电平小于CC
16、32V，TL 低触发端的电平小于CC31V时，比较器 A1 输出低电平，比较器 A2 输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7 脚为高电平。因 7 脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故 7 脚为高电平。当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7 脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7 脚为低电平。10 3 各部分设计及其原理图 3.1 30 秒循环计数器的原理图 U174LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD
17、11BO13CO12CLR14U274LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U4DCD_HEX_DIG_BLUEU3DCD_HEX_DIG_BLUE12345678VCC5V09XFG1VCC1310 图 3-1 30 秒循环计数器器原理图 接通 5V 电源后，DOWN 端输入连续信号脉冲，计数器实现 30 秒循环减计数功能 11 3.2 开关控制电路 图 3-2 开关控制电路 J1 节低电平实现置数，接低电平开始减计数；J2 接低电平计数器正常工作，接高电平实现清零；J3 接低电平计数暂停，接高电平计数连续。3.3 秒脉
18、冲发生电路 A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIR11.5kR26.4kC1100uFC210uFVCC5VXSC1Tektronix1 2 3 4TGP08VCC765 图 3-3 秒脉冲发生电路 12 仿真波形图 图 3-3-1 仿真波形图 3.4 译码显示电路 U1A B C D E F GCKHU274LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4R11kR21kR31kR41kR51kR61kR71k12345678910111213140VCC5VVCC 图 3-4 译码显示电路 1
19、3 3.5 报警电路 设计中要求电路在计数为0 时实现光电报警的功能。图 3-5 报警电路 当第一个 74LS192 产生借位时 BO 输出低电平，发光二极管导通发光，完成光电报警功能。14 4 总原理图 U274LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U174LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U4DCD_HEX_DIG_BLUEU3DCD_HEX_DIG_BLUEVCC5VU6A74LS11D1914131211J1Key=SpaceA1555_V
20、IRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI2J3Key=SpaceJ2Key=SpaceR11.5kR26.4kC1100uFC210uF145VCC5VVCC368910151617LED1R3100201800VCC 图 4-1 总电路原理图 5 调试与结果分析 5.1 调试 在这两周的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。领取组件后，我负责电路板上元器件的排版和我和部分模块电路的焊接，我同组人主要负责电路检查和其他部分电路的焊接。在我们的共同努力下，只经过短短的 2 天我们就将基本 15 电路焊完成。
21、但由于没有经验，加上焊接电路板的时候没有对单元电路进行检验，导致问题太多，数码管根本没有显示。通电后，稳压电源的 5 伏电压会突变到 2伏左右，而且电路板上 VCC 和 GND 两条总线间连电压都没有，但各芯片又处于正常通电状态，由于电线太多，而且出现的问题经调试后也无法减少，所以我们决定重新焊接。这一次，我们采取“各个击破”的方式进行电路板的焊接。不过在单元电路的完成过程中也出现了一些问题，在显示电路的部分中，我们选用的是七段共阴数码管，它的公共端 3 脚和 8 脚本应都接低电平的，而我们在焊接时却不小心将 8 脚接到了 VCC 总线上，导致数码管不能正常显示，这让我们明白在焊接过程中要绝对
22、细心，头脑要清楚，在焊接时要数清芯片的管脚，并正确接到别的芯片上对应的管脚上。还有在计数电路中，计数时丢失了有 4 和 7 的数，经过分析了解到，我们肯定有虚焊点的存在，通过用万用表检测问题计数器各输出端的电平，发现果然是虚焊问题导致的结果，低位计数器的 Qc 端一直没有电压，经过再次焊接后，计数终于恢复了正常。基本电路完成后，我们开始灭等电路的焊接和各个暂停开关的焊接。这两部分相对比较简单。但这里偏偏也有麻烦。刚开始，我们将暂停开关放在计数器信号输入与 555 信号输出之间，但接上电源后，数码显示异常，而将计数信号输入与信号发生器相连，电路又运行正常。这个现象让我们把问题锁定在开关上，后来通
23、过询问其他同学，了解到 555 产生的脉冲信号不稳定，而我们选用的开关是一个拨动开关，当拨动时会有较大的振动，会影响信号的传送。所以后来我们就换了开关的位置，放到电阻 R1 那，避免和 555 信号输出端连接。改良后，电路可以正常工作。最后做整体电路的检测，各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现要求中的启动、暂停、清零、连续功能。基本完成了此次课程设计的任务 5.2 结果分析(1)控制电路检查 在电路全部焊接完后，改变各开关的闭、合状态，电路的启动、连续、暂停清零等功能均得以实现，电路控制部分没有问题。16(2)显示电路检查 当将显示电路中的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管
24、不亮，说明显示电路连接不正确。解决方法：1）接入电源，用万用表检查电路是否焊接好且没有虚焊，并把有问题的部分重新焊接好；2）进一步检查电源与地的接入是否接反；3）若上述两种情况都未出现则对照各芯片的管脚图，检查在焊接过程中各管脚的连接是否接错；(3)、计时电路检查 将本课设中所选计数器 74LS192 与显示电路相连，接入直流电源，用信号发生器给计数器一个 1s 的脉冲信号，观察计数器的计数功能，发现数码显示是在从 30 递减至 0 的过程中未出现有 4 和 7 的数，上述情况表明计数电路接触良好，但置数出现问题。解决方法：1）检查两片 74LS192 的数据输出端所连的置数电路，看是否有连线
25、错误；2）选择被用作低位显示的那片 74LS192 作为检测对象，在数码显示的整个过程中用万用表测量 Qc 对应的 6 管脚的电压。看是否有时会有高电平。(4)、555 脉冲发生电路检查 我们将 555 的输出端 3 接到示波器上观察到的波形为一脉冲波，其频率近似为一秒。基本符合课程设计中所需秒信号的要求。(5)、报警电路检查 将秒信号接入计数电路，按下启动电路，观察计数为 0 时发光二极管的像工作情况，发现当数码显示为 00 时，发光二极管发光，说明报警电路光电报警功能已经实现。17 6 课设小结 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。这个方案总共使用了 74LS48，74
26、LS192 各两个，74LS11，NE555 定时器各一个。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我懂得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各
27、个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处
28、，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。18 7 参考文献 1NiklausWirth数字电路设计高等教育出版社，2002。2彭介怀电子技术课程设计北京:北京高等教育出版社,2003。3王公望现代电子电路应用基础西安电子科技大学出版社，2005。4l 刘培植数字电路设计与数字系统北京邮电大学出版社，2005。5李焕英数字电路与逻辑设计实训教程科技出版社，2005。6阎石数字电子计术基础高等教育出版社，2006。7Blach.M完整的数字设计清华大学出版社，2006。