数电课程设计 计时器

篮球竞赛30s计时器逻辑电路设计

某某

（某某学院 电子信息工程学院，省名 市名 邮编）

摘要：基于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。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、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

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第一章 设计任务

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

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（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：虽然元器件也挺多，但对比与方案二更多，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。

方案二：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。

所以，综合考虑，选择方案一较好。

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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 3-1 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）

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

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升高,升到2VCC/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。

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:

tW1＝0.7(R1＋R2)C （3.2.1 – 1） tW2＝0.7R2C （3.2.1 – 2） T＝tW1＋tW2＝0.7(R1＋2R2) （3.2.1 – 3） 这里的脉数发生器R1 =51 KΩ, R2 = 47 KΩ,C =1 uf 周期T = 0.1 s

3.2.2 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.

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图3.3 74Ls161引脚图

管脚图介绍：

时钟CP和四个数据输入端P0~P3 清零/MR 使能CEP，CET 置数PE

数据输出端Q0~Q3

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、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= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。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

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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 P0～P3 并行数据输入端

PL 异步并行置入控制端（低电平有效） Q0～Q3 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（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（P0～P3）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上升沿作用下Q0～Q3 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

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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74Ls192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

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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

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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。

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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 总原理图

根据上述设计思路和参数设计得到总电路原理图：

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图4.1 总电路原理图

第五章 实物图的连接与调试

5.1 实物图的连接

1. 准备数字电路试验箱一个，74LS48两块、74LS192两块 CC4011一块。 2. 检测各元件逻辑功能的完整性。 3. 连接实物电路，按要求进行实验。

5.2 调试仪器和设备

万用表 示波器 导线 镊子

5.3 实物图的调试

(1).连接好实物图后打开电源，合上置数开关S1，结果如图5.31显示

图5.31 实物连接图

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(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).电路开始倒计时。如图5.32所示

图5.32 倒计时中

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。

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第六章 实验总结

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。

这次设计所用的的仿真软件工具是Multisim，总体上感觉Multisim这软件还不错，以后多练习，以便更好的运用。

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.

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数字电子技术》课程设计评分表

指导教师签名： 年 月 日

项目 主要内容 满分 40 设计报告 设计报告规范、完整、无原理性错误 电路设计 电路测试 电路安装 电路设计与参数计算 测试结果与分析 实际电路安装与调试 总分

20 20 20 100 得分 设计题目：XXXX 学生姓名：某某