課程設(shè)計----籃球競賽24秒倒計時器

1、<p>　　數(shù)字邏輯開放性試驗報告</p><p>　　題目名稱： 籃球競賽24秒倒計時器</p><p>　　姓 名： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號：

2、</p><p>　　指導老師: </p><p><b>　　二零一零年十一月</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 設(shè)計任務(wù)及要求1</p><p>　　第2章 電路設(shè)計原理與設(shè)計電路2</p>

3、;<p><b>　　2.1設(shè)計原理2</b></p><p><b>　　2.2設(shè)計方案3</b></p><p><b>　　2.3單元模塊4</b></p><p>　　2.3.1 時鐘模塊4</p><p>　　2.3.2 8421BCD碼遞減

4、計數(shù)器模塊7</p><p>　　2.3.3 輔助時序控制模塊9</p><p>　　2.3.4 譯碼顯示模塊10</p><p>　　2.4 電路的改進12</p><p>　　第3章 電路仿真、安裝與調(diào)試案14</p><p>　　3.1 電路仿真14</p><p>　　3

5、.2 電路焊接14</p><p>　　3.3電路安裝14</p><p>　　3.4 電路調(diào)試15</p><p><b>　　第四章 總結(jié)16</b></p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　附錄一：18<

6、;/b></p><p><b>　　附錄二：18</b></p><p>　　第1章 設(shè)計任務(wù)及要求</p><p>　　一、籃球競賽24秒計時器（基本要求）：</p><p>　　1）具有顯示24S計時功能；</p><p>　　2）設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/

7、連續(xù)功能；</p><p>　　3)在直接清零時，要求數(shù)碼顯示器滅燈； </p><p>　　4)計時器為24S遞減計時，計時間隔為1S；</p><p>　　5)計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，同時發(fā)出光電報警信號。</p><p>　　二、設(shè)計任務(wù)及目標：</p><p>　　1）根據(jù)

8、給出的電路原理圖分析各單元電路的功能；</p><p>　　2）熟悉電路中所用到的各集成塊的管腳及其功能；</p><p>　　3)進行電路的安裝、調(diào)試，直到電路能達到規(guī)定的設(shè)計目標；</p><p>　　4）寫出完整、詳細的課程設(shè)計報告。</p><p>　　第2章 電路設(shè)計原理與設(shè)計電路</p><p><b

9、>　　2.1設(shè)計原理</b></p><p>　　分析設(shè)計任務(wù)，該系統(tǒng)包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、輔助時序控制電路（簡稱控制電路）和報警電路5個部分構(gòu)成。其中，計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成24秒倒計時功能，而控制電路具有直接控制計數(shù)器的清零，啟動和暫停/連續(xù)功能、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能。為滿足設(shè)計要求，設(shè)計控制電路及控制開關(guān)時，應(yīng)該正確處理各個信號之

10、間的時序關(guān)系。在操作直接清零時，要求計數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器滅燈。當啟動開關(guān)J2閉合時，輔助控制電路應(yīng)該封鎖時鐘信號CP，同時計數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示24s字樣，計數(shù)器開始進行遞減計數(shù)；當暫停/連續(xù)開關(guān)J1閉合（即撥到暫停位置）時，計數(shù)器停止計數(shù)，處于保持狀態(tài)；當J1斷開時，計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù)。當開關(guān)J3閉合與地連接時，計數(shù)器直接清零，同時數(shù)碼顯示器燈滅。當開關(guān)J3閉合與高位那片74LS192的借位端連接時，計數(shù)器正常計數(shù)。且

11、當計數(shù)器遞減計數(shù)到零時（即定時時間到），控制電路發(fā)出報警信號。</p><p>　　圖2.1 24s計時器的方框圖。</p><p><b>　　2.2設(shè)計方案</b></p><p>　　用555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為10Hz的脈沖，即輸出周期為0.1秒的方波，再將該脈沖信號加到由74LS161構(gòu)即周期為1秒，接著將該信號送到計

12、數(shù)器74LS192的CP減計數(shù)脈沖端,再通過譯碼器74LS248把輸入的8421BCD碼經(jīng)過內(nèi)部作和電路“翻譯”成七段（a，b，c，d，e，f，g）輸出，然后直接推成的十分頻器上，這樣由74LS161后輸出的脈沖頻率為1Hz，動LED，顯示十進制數(shù)，然后在適當?shù)奈恢迷O(shè)置開關(guān)或控制電路即可實現(xiàn)計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能，光電報警用發(fā)光二極管來代替，燈亮代表報警。這是方案一，電路圖見下圖。也

13、可以用555構(gòu)成的多諧振蕩器直接產(chǎn)生頻率為1Hz的秒脈沖，這是方案二。由于兩個方案的原理基本相同，且實現(xiàn)的功能也相同，為了確保輸出的脈沖的穩(wěn)定，這里采用第一種方案。以下所述均針對方案一。</p><p>　　圖2.2 籃球24秒倒計時計時器電路圖</p><p><b>　　2.3單元模塊</b></p><p>　　2.3.1 時鐘模塊&l

14、t;/p><p>　　本設(shè)計采用555構(gòu)成的多諧振蕩電路（即脈沖產(chǎn)生電路），其內(nèi)部管腳圖如下圖3.通過計算可以確定參數(shù)的取值：R1=51KΩ，R2=47KΩ,C2=1.0uF,C1=10nF.因此產(chǎn)生的脈沖周期為：T=0.7(R1+2R2)C2=0.1s,之后經(jīng)過74LS161用異步清零法十分頻，使得74LS161輸出的脈沖周期為1s.</p><p>　　圖2.3 脈沖產(chǎn)生電路</p&

15、gt;<p><b>　　芯片NE555</b></p><p>　　NE555是時基集成電路，它在應(yīng)用和工作方式上一般可歸納為3類。每類工作方式又有很多個不同的電路。在實際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個單穩(wěn)、多個雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。 下圖是NE555的內(nèi)部功能原理框圖和內(nèi)部管腳圖。</p><p&

16、gt;　　圖2.3 NE555內(nèi)部功能圖</p><p>　　圖2.4 NE555內(nèi)部管腳圖</p><p>　　芯片74LS161 </p><p>　　74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數(shù)器，它可以靈活的運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的功能.</p><p>　　圖2.5 4ls161引腳圖<

17、;/p><p>　　表2.1 74LS161功能表</p><p>　　從74LS161功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當CR=LD=E

18、P=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。</p><p><b>　　芯片74LS00</b></p><p>　　74LS00是常用的

19、2輸入四與非門集成電路，它的作用很簡單，顧名思義就是實現(xiàn)一個與非門。</p><p>　　圖2.6 74LS00引腳圖</p><p>　　74LS00真值表：</p><p>　　A＝1 B=1 Y=0</p><p>　　A＝0 B=1 Y=1</p><p>　　A＝1 B=0 Y=1</p>&l

20、t;p>　　A＝0 B=0 Y=1</p><p>　　2.3.2 8421BCD碼遞減計數(shù)器模塊</p><p>　　74LS192是一塊同步8421BCD碼加/減計數(shù)器，具有直接清零、置數(shù)、加鎖計數(shù)功能。計數(shù)器選用匯總規(guī)模集成電路74LS192進行設(shè)計比較簡便。74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器，CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端，LD為預置輸入控制端

21、，異步預置，CR為復位輸入端，高電平有效，異步清除，CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。</p><p><b>　　圖2.7計數(shù)模塊</b></p><p>　　計數(shù)電路由兩片74LS192來構(gòu)成。由于是做30s倒計時電路，所以計數(shù)CP脈沖應(yīng)從CPD端（即DOWN端）輸入，并且計數(shù)器的預置數(shù)（BCD碼）應(yīng)為001100

22、00，其中上片74LS192置為0000，下片74LS192置為0011，即為十進制的30.它的計數(shù)原理是：只有當?shù)臀籅O端發(fā)出借位脈沖時，高位計數(shù)器才作遞減計數(shù)。當高、低位計數(shù)器處于全零，且CPD為0時，置數(shù)端LD為0，計數(shù)器完成并行置數(shù)，在CPD端的輸入時鐘脈沖作用下，計數(shù)器再次進入下一次循環(huán)減計數(shù)。</p><p><b>　　芯片74LS192</b></p><

23、p>　　74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能.</p><p>　　74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器。</p><p>　　CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。</p><p>　　LD為預置輸入控制端，異步預置。</p><p>　　CR為復位輸入端，高電平有效，異

24、步清除。</p><p>　　CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出</p><p>　　BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。</p><p><b>　　其功能表如下：</b></p><p>　　表2.2 74LS192的功能表</p><p>　　2.3.3 輔助時序控制模塊<

25、;/p><p>　　總電路圖如圖5所示：</p><p>　　圖2.8 整體電路 </p><p>　　控制電路要完成以下功能：</p><p>　　設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)功能。</p><p>　　1）開關(guān)J2在電路圖中起到啟動的作用，閉合啟動開關(guān)J2，計數(shù)器完成置數(shù)功能，顯示器顯示24

26、秒字樣，計數(shù)器開始進行遞減計數(shù)。</p><p>　　2）開關(guān)J1在本設(shè)計中起暫停/連續(xù)作用，當啟動開關(guān)閉合后，計數(shù)器進行遞減計數(shù)。若閉合開關(guān)J1，則計數(shù)暫停，控制電路封鎖時鐘脈沖信號CP，顯示器上保持原來的數(shù)不變，當開關(guān)J1斷開，計數(shù)器繼續(xù)累計計數(shù)。</p><p>　　開關(guān)J3在電路中起到了控制計數(shù)器的直接清零，同時數(shù)碼顯示器滅燈的功能。如圖4，當開關(guān)J3閉合與地連接時，計數(shù)器直接清零

27、，同時數(shù)碼顯示器燈滅。當開關(guān)J3閉合與高位那片74LS192的借位端連接時，計數(shù)器正常計數(shù)。且當計數(shù)器遞減計數(shù)到零時（即定時時間到），控制電路發(fā)出報警信號，本設(shè)計中采用發(fā)光二極管代替報警器，所以發(fā)光二極管燈亮代表報警信號。</p><p>　　當計數(shù)到零時，兩計數(shù)器借位端輸出為零，，該設(shè)計中將高位片借位端通過兩次反向反饋到二極管的負端，此時+5V電源經(jīng)390Ω電阻使二極管發(fā)光（光電報警信號），完成報警功能。而在遞

28、減計數(shù)時，74LS192的借位端輸出為高。</p><p>　　2.3.4 譯碼顯示模塊</p><p>　　該模塊由兩片74LS248譯碼器和共陰極七段數(shù)碼管LED顯示器組成，通過計數(shù)器的輸出加到譯碼器的輸入，從而實現(xiàn)共陰極七段LED顯示器從24遞減到零的計數(shù)功能。</p><p>　?。?）74LS248是七段顯示譯碼器，電路部分圖為圖6：</p>

29、<p>　　圖2.9 譯碼顯示模塊 </p><p>　　1）A、B、C、D是BCD碼的輸入端；</p><p>　　2）OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG（即a、b、c、d、e、f、g）是輸出端；</p><p>　　3）其功能表為下圖所示：</p><p>　　表2.3 譯碼功能表</p><p&g

30、t;　　4）試燈輸入端：低電平有效。當=0時，數(shù)碼管的七段全亮，與輸入的譯碼信號無關(guān)。該輸入端用于測試數(shù)碼管的好壞；</p><p>　　5）動態(tài)消隱輸入端：低電平有效。當=1、=0時，且譯碼輸入全為0時，該位輸出不顯示，即0字被熄滅；當譯碼輸入不全為0時，該位正常顯示。本輸入端用于消隱無效的0.</p><p>　　6）滅燈輸入/動態(tài)消隱輸出端：這是一個特殊的端鈕，有時用作輸入，有時用作

31、輸出。當作為輸入使用，且為0時，數(shù)碼管七段全滅，與譯碼輸入無關(guān)。但作為輸出使用時，受控于和；當=1且=0時，=0；其他情況下=1.該端鈕主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器之間的連接。</p><p>　?。?）共陰極七段LED數(shù)碼管</p><p>　　共陰極七段LED數(shù)碼管是比較常用的顯示數(shù)碼管，其管腳COM端一定要接地（如果使用的是共陽的，則COM端接高電平），且在實驗時一定要加一個保

32、護電阻限流（這里用了一個390Ω的電阻）。</p><p><b>　　1）其管腳圖如下：</b></p><p>　　圖2.10共陰極七段LED數(shù)碼管圖</p><p>　　2）數(shù)碼管使用條件：</p><p>　　a、段及小數(shù)點上加限流電阻；</p><p>　　b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色

33、決定； 小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定</p><p>　　c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 4-5mA 峰值電流 100mA</p><p>　　3）數(shù)碼管使用注意事項說明：</p><p>　　A、數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；</p><p>　　B、焊接溫度：２６０度；焊接時間：５Ｓ<

34、/p><p>　　C、表面有保護膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來。</p><p><b>　　2.4 電路的改進</b></p><p>　　為了使電路啟動時不出現(xiàn)亂碼及不穩(wěn)定現(xiàn)象，在此對輔助控制部分做了如下改進，如圖7所示。</p><p>　　操作“清零”開關(guān)時，計數(shù)器清零。閉合“啟動”開關(guān)時，計數(shù)器完成置數(shù)，顯示器顯示3

35、0斷開“啟動”開關(guān)，計數(shù)器開始進行遞減計數(shù)。電路圖中，當開關(guān)J1合上時，LD=1，74LS192進行置數(shù)；當J1斷開時，LD=0，74LS192處于計數(shù)工作狀態(tài)。開關(guān)J2是時鐘脈沖信號CP的控制電路。當定時時間未到時，74LS192的借位輸出信號BO2=0，則CP信號受“暫停/連續(xù)”開關(guān)J2的控制。</p><p>　　圖2.11 輔助控制部分改進電路圖</p><p>　　（1.74A0

36、4B的管腳2接74LS192的4腳 2.74LS10的1腳接74LS192的13腳）</p><p>　　第3章 電路仿真、安裝與調(diào)試案</p><p><b>　　3.1 電路仿真</b></p><p>　　電路采用Multisim2001軟件進行仿真，仿真前須明白：在仿真軟件上能仿真出結(jié)果的設(shè)計電路并不代表在實際電路中能得到同樣的結(jié)果

37、；仿真不出結(jié)果的電路也并不代表在實際電路中得不出結(jié)果。仿真只是給我們提供一個環(huán)境去驗證一下自己的設(shè)計電路。</p><p><b>　　仿真的基本步驟：</b></p><p>　　1.用虛擬器件在工作區(qū)建立電路；</p><p>　　2.選定元件的模式、參數(shù)值及標號；</p><p>　　3.選擇分析功能和參數(shù)；<

38、;/p><p>　　4.激活電路進行仿真。</p><p>　　仿真前仔細檢查電路是否連接好了，芯片的管腳是否接錯。確認后即可仿真。</p><p><b>　　3.2 電路焊接</b></p><p>　　焊接電路時，電烙鐵不可以在電路板上停留過長時間，不該短路的地方千萬不要短路，否則調(diào)試時很可能燒壞芯片。注意焊接時：不要

39、虛焊、漏焊以及過焊。</p><p><b>　　3.3電路安裝</b></p><p>　　安裝電路時需注意一下幾點：</p><p>　　一般以電路板的左端為輸入、右端為輸出。此時按照輸入級、中間級、輸出級的順序進行電路布局及安裝；</p><p>　　同一塊同類元器件應(yīng)采用同一安裝方式，即距離實驗板表面的高度應(yīng)該大

40、體一致。如果采用立體安裝方式，元器件型號或標應(yīng)朝同一方向，而臥式安裝的元器件型號或標稱值應(yīng)同朝上方，集成電路的定位標志方向應(yīng)一致。</p><p>　　3）元器件的引線一般不宜剪的過短，以便重復利用。實踐證明，雖然元器件完好，但往往由于布線不好，造成電路工作失常。這種故障不像脫焊、斷線、接觸不良、器件損壞那樣明顯，多以寄生干擾形式表現(xiàn)出來，很難排除。</p><p><b>　　

41、3.4 電路調(diào)試</b></p><p>　　電路安裝完畢后，必須經(jīng)過調(diào)試才能正常工作。通常采用以下兩種調(diào)試方法：</p><p>　　1）單元調(diào)試：把電路按照框圖上的功能分成若干個單元分別進行調(diào)試，然后再完成各個單元電路調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴大調(diào)試范圍，最后進行整個電路的調(diào)試。對于新設(shè)計的電路而言，這種方法既便于調(diào)試，又能及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，該方法適用于課程設(shè)計。</p&

42、gt;<p>　　2）待整個電路安裝完畢后，再對電路進行調(diào)試，這種方法適合于產(chǎn)品。</p><p>　　調(diào)試時需要記錄各個部分的測試數(shù)據(jù)及波形，以便于分析和運行時參考。</p><p><b>　　第四章 總結(jié)</b></p><p>　　籃球競賽24S計時器的設(shè)計主要分為五個模塊：時鐘模塊（即秒脈沖發(fā)生模塊）、計數(shù)模塊、譯碼顯示

43、模塊、輔助時序控制模塊（簡稱控制電路）和報警電路，其中計數(shù)模塊中的兩片計數(shù)器的加計數(shù)器脈沖輸入端都要接高電平，且要將低位片的借位信號加到高位片的減計數(shù)脈沖輸入端。高位片計數(shù)器的借位信號控制報警信號，在進行減計數(shù)時，借位信號一直為高，此過程報警信號不工作，當計數(shù)器減計數(shù)到零時，借位信號變?yōu)榈停l(fā)光二極管導通，這樣就產(chǎn)生了光電報警信號，在將借位信號和暫停/連續(xù)控制信號和時序脈沖信號加到一起作用低位計數(shù)器減計數(shù)脈沖輸入端，即實現(xiàn)計數(shù)器遞減計數(shù)

44、到零時，顯示器不滅燈，同時發(fā)出光電報警信號。</p><p>　　我對這次的實踐有如下幾條結(jié)論：</p><p>　　第一，做事要膽大心細，不要怕燙到手，更不能粗心大意，否則很可能要重來。好久沒有拿電烙鐵會有一種莫名的恐懼感。面對困難，要冷靜大膽，不能慌。焊接電路最忌諱的就是粗心大意。有時候結(jié)果出不來很可能就是焊接某個地方時想別的事去了，這也是很多高年級學長常犯的錯，這里我們一定要吸取教訓

45、。</p><p>　　第二，遇到困難一定要冷靜思考其中的緣由，不能動不動就叫老師檢查，這樣根本就提高不了自身的水平。比如說，數(shù)碼管倒計時至0時，報警燈不亮。首先的話要檢查電路有沒有虛焊，這是必須的。其次，假如沒有虛焊，電路的線路也沒有接錯，那很可能要換一個發(fā)光二極管了。</p><p>　　第三，做事前一定要做好充分準備，機會往往留給有準備的人。要焊接電路最原始的準備應(yīng)該是做好仿真，并且

46、打印好。一些芯片的管腳也是必須要弄清楚的。這次我們做的不夠好，因為老師要我們暑假查好資料，但確實因為自己的懶惰，一些資料沒有查到位，這是我要深刻檢討的地方。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王永軍,李景華.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計.高等教育出版社.2006.1；</p><p>　　[2]危建國.計算機系統(tǒng)

47、與微電子專業(yè). 西北工業(yè)大學.2005.7；</p><p>　　[3]陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊.機械工業(yè)出版社 ，2006. 1；</p><p>　　[4]陳永甫.電子電路智能化設(shè)計實例與應(yīng)用第一集.電子工業(yè)出版社.2007.7；</p><p>　　[5]楊剛,周群主編.電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐.電子工業(yè)出版社,2005.1；</p><

48、p>　　[6]孫人杰.電路數(shù)據(jù)手冊TTL電路.電子工業(yè)出版社.1989.1；</p><p>　　[7]楊志忠.數(shù)字電子技術(shù).高等教育出版社.2000.1；</p><p>　　[8]王永軍,李景華.字邏輯與數(shù)字系統(tǒng).電子工業(yè)出版社,2005.12.</p><p><b>　　附錄一：</b></p><p>　

49、　芯片：LM555 一片 ，74LS161 一片，74LS00 一片，74LS192 兩片，74LS248 兩片，74LS04 一片</p><p>　　電阻：51KΩ 一個 ， 47KΩ 一個，10KΩ 一個，390Ω 一個</p><p>　　電容：1.0uF 一個，10nF一個</p><p>　　開關(guān)：單刀單擲開關(guān) 2個，單刀雙擲開關(guān)