数电课程设计 30S计时器

数字电路课程设计报告

题目：篮球竞赛30s计时器

专业：电气工程及其自动化

班级：09电气（6）班

姓名：张泽雄

学号:200930084754

同组队员：徐英谋黄有义何耀成陈泽汉邹迪日期：2011年6月24日

目录

一、设计目的 (2)

二、设计要求和设计任务 (2)

2.1设计要求 (2)

2.2设计任务 (2)

三、总体框图设计、 (3)

四、功能模块设计和原理说明 (3)

4.1设计原理 (3)

4.2设计方案 (3)

4.3单元模块 (4)

4.3.1时钟模块 (4)

4.3.28421BCD码递减计数器模块 (5)

4.3.3控制模块 (7)

4.3.4译码显示模块 (8)

五、总电路图程序说明 (10)

六、电路仿真与调试 (11)

6.1启动、暂停、置数 (11)

6.2倒计时功能 (11)

6.3报警功能 (12)

七、总结 (13)

一、设计目的

现代社会电子计数器在许多领域中均得到普遍应用，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。

篮球作为一项全民健身项目，已有一定的历史。在中国，篮球很盛行，篮球比赛也日趋职业化。篮球比赛中有一项违例时间要用倒计时器，目前多数采用的是24秒制，但随着篮球制度的改革将会采用30秒制。有需要就会有市场，因此设计一款30秒计时器是非常有必要也非常有前景的。

该款计时器是在原来的基础上把24秒制改为30秒制。该计时器要有递减计时及报警功能。因此符合比赛中违例判罚的需要。

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。

整个电路的设计借助于proteus7.7仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在proteus7.7下设计和进行仿真，得到了预期的结果。

二、设计要求和设计任务

2.1设计要求

(a)具有30s计时功能，并且能够实时显示计数结果

(b)设有外部操作开关，控制计数器实现直接清零、启动以及暂停/连续工作等操作。

(c)计时器为30s递减计时计时间隔为1s。

(d)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。

2.2设计任务

（1）根据要求设计电路原理图并分析各单元电路的功能。

（2）熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能。

（3）进行电路的仿真、调试，改进直到电路能达到规定的设计目标。

(4)写出完整、详细的课程设计报告。

三、总体框图设计、

四、功能模块设计和原理说明

4.1设计原理

设计方案包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助时序控制电路（简称控制电路）和报警电路5个部分构成。其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30秒倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的清零，启动和暂停/连续功能、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能。为满足设计要求，设计控制电路及控制开关时，应该正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。当启动按钮开关时，辅助控制电路应该封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s 字样，计数器开始进行递减计数；当暂停/连续开关闭合（即拨到暂停位置）时，计数器停止计数，处于保持状态；当断开时，计数器继续递减计数。当开关闭合与高位那片74LS192的借位端连接时，计数器正常计数。且当计数器递减计数到零时（即定时时间到），控制电路发出报警信号。

4.2设计方案

用555时基电路构成的多谐振荡器来产生周期为1秒的脉冲，接着将该信号送到计数译码显示译码显示

译码驱动译码驱动

脉冲信号光电报警

控制电路

计数器

计数器

器74LS192的CP减计数脉冲端,再通过译码器把输入的8421BCD码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接推成的十分频器上，这样由74LS161后输出的脉冲频率为1Hz，动LED，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，光电报警用发光二极管来代替，灯长亮代表报警。

4.3单元模块

4.3.1时钟模块

采用555构成的多谐振荡电路（即脉冲产生电路），其内部管脚图如下图3.通过计算可以确定参数的取值：R1=51KΩ，R2=47KΩ,C2=1.0uF,C1=10nF.因此产生的脉冲周期为：T=0.7(R1+2R2)C2=0.1s,之后经过74LS161用异步清零法十分频，使得74LS161输出的脉冲周期为1s

图1脉冲电路

芯片555

555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来

经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，如图1所示。

电路封装图如下

图2555集成电路封装图

4.3.28421BCD码递减计数器模块

74LS192是一块同步8421BCD码加/减计数器，具有直接清零、置数、加锁计数功能。计数器选用汇总规模集成电路74LS192进行设计比较简便。74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器，CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端，LD为预置输入控制端，异步预置，CR为复位输入端，高电平有效，异步清除，CO为进位输出：1001状态后

负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

图3计数模块

计数电路由两片74LS192来构成。由于是做30s倒计时电路，所以计数CP脉冲应从CPD端（即DOWN端）输入，并且计数器的预置数（BCD码）应为00110000，其中上片74LS192置为0000，下片74LS192置为0011，即为十进制的30.它的计数原理是：只有当低位BO 端发出借位脉冲时，高位计数器才作递减计数。当高、低位计数器处于全零，且CPD为0时，置数端LD为0，计数器完成并行置数，在CPD端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下一次循环减计数。

芯片74LS192

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能.

图4封装管脚图

74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。

CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

LD为预置输入控制端，异步预置。

CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出

BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

其功能表如下：

图574LS192的功能表

4.3.3控制模块

控制电路要完成以下功能：

1.设置外部操作开关，控制计数器的直接置数，启动和暂停/连续功能。

（1）接通电源计数器启动，按下按钮开关开关，计数器完成置数功能，显示器显示30秒字样，计数器开始进行递减计数。

（2）单刀双掷开关在本设计中起暂停/连续作用，当启动开关闭合后，计数器进行递减计数。若闭合开关，则计数暂停。

当计数到零时，两计数器借位端输出为零，，该设计中将高位片借位端通过非门、与非门、使输出唯一状态0，与脉冲信号通过与门，通过非门链接到0.7V的红色发光二极管，使二极管常亮（光电报警信号），完成报警功能。而在递减计数时，74LS192的借位端输出为高。

图6整体电路

4.3.4译码显示模块

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。

CD4511是一片CMOS BCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图2所示。其中a b c d为BCD码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电平。另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。

图7引脚图

其功能介绍如下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的工作真值表如下：

五、总电路图程序说明

图8整体电路图

程序说明：

接通电源计数器启动，按下按钮开关开关，计数器完成置数功能，显示器显示30秒字样，计数器开始进行递减计数。单刀双掷开关在本设计中起暂停/连续作用，当启动开关闭合后，计数器进行递减计数。若闭合开关，则计数暂停。当计数到零时，两计数器借位端输出为零，，该设计中将高位片借位端通过非门、与非门、使输出唯一状态0，与脉冲信号通过与门，通过非门链接到0.7V的红色发光二极管，使二极管常亮（光电报警信号），完成报警功能。

六、电路仿真与调试

6.1启动、暂停、置数

接通电源，按下开关按钮置数，显示30S开始倒计时，断开单刀双掷开关暂停

6.2倒计时功能

6.3报警功能

当倒计时至0时，数码显示器停止在0，同时红色的发光二极管常亮。

七、总结

篮球竞赛30S计时器的设计主要分为五个模块：时钟模块、计数模块、译码显示模块、控制模块和报警电路，其中计数模块中的两片计数器的加计数器脉冲输入端都要接高电平，且要将低位片的借位信号加到高位片的减计数脉冲输入端。高位片计数器的借位输出端和低位片借位输出端控制报警信号，在进行减计数时，此过程报警信号灯闪烁，指示电路工作状态，当计数器减计数到零时，借位输出端信号变为低，通过一系列门电路变为高电平驱动发光二极管导通，显示器不灭灯，同时二极管常亮，发出光电报警信号。

课程设计不仅检验了课堂理论学习是否扎实，只有扎实的立论基础才能保证设计得出符合要求的电路，避免了电路设计中的理论性错误，同时课程设计也是自我动手能力得以锻炼的最佳时机，只有理论与实践的结合才能使这门功课学得更加牢固，并学以致用。

在本次课程实际中，首先学会了团队合作，大家都表达对电路原理的设计看法以及使用的方式，其次学会了使用PROTEUS绘制电路图以及仿真，也对以往的知识进行了巩固与加深。同时练就了面对不懂及错误的态度，不轻易问老师与同学，对电路出出现的问题进行仔细的分析研究，总结出现的问题，并更正。兴趣以及作品的成功不断驱使着我对学习好这门课产生更大的动力，在未来我将会更加注重实践，将理论的知识在实践中检验并且加强。

参考文献

1康华光，《电子技术基础》高等教育出版社，1998

2华南理工大学广州汽车学院电气工程系.《电工电子技术》.华南理工大学出版社，2009

3杨志忠.数字电子技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2000