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1、沈阳航空航天大学综合课程设计1、 概述在篮球比赛中，规定了一方的持球时间不能超过30秒，否则就被判做犯规。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，就可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒进行限制。一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警。 本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛30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，同时用了数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便的实现断电计时功能，当计数器减到零时，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
2、价值。此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下4个组成：直流稳压电源模块、计时模块、控制模块、译码显示模块。当计数器接收到秒脉冲后开始倒记数，等递减到0时，发光二极管亮光报警。本电路用两个74LS192芯片构成递减计数器（30进制）；控制电路由74HC04D和74HC00D构成；秒脉冲发生器由555集成定时器构成；两个数码管构成显示电路。2、 方案论证 方案一： 直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图1所示。图1 直流稳压电源原理框图 电网供给的交流电压u1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变
3、、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。 篮球竞赛的30秒计时器的原理参考框图如图2所示。图2 篮球竞赛30秒计时器原理框图篮球竞赛30秒计时器包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路、报警电路等5个部分组成。其中计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30秒计时功能，由555多谐振荡器与74LS161分频而成。而控制电路控制计数器的启动计数、暂停继续计数。当启动置数开关时，计数器完成置数功能
4、显示30秒字样；当启动开关时，计数器开始计数；暂停继续开关连接到连续计数端时，计数器开始连续计数，当连接到暂停计数端时，计数器暂停计数。计数器递减到零时，发出光电报警信号。方案二：方案二由555定时器直接定时1秒，不用74LS161进行分频。由于多谐振荡电阻电容参数不够精确，因此直接使用555定时器定1秒会产生比较大的误差，而通过分频计时的方法可以减小这种误差，因此本实验采用方案一。3、 电路设计 (1)直流稳压电源模块 直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图3所示。图3 直流稳压电源电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电除了少数直接利用干电池和直流发电机
5、外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。电网供给的交流电压V1为220V，50HZ；稳压电源输出直流可调电压6Vu015V，最大负载电流100mA左右；驱动负载120RL240。参数计算如下：输出电压U0=（1+R11/R10）1.25V，取R10为230，则可取R12最大值为2.5K，同时取负载电阻为150，可满足电流要求。(2)秒脉冲发生器模块 1. 用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供时钟，如图4连接。555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R4、R5向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器C1输出翻转，输出电压
6、为零，同时放电管T导通，电容C1通过R5放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过R4、R5又开始充电；周而复始，形成振荡。则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响。图4 多谐振荡器输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：tpH ： uC (0) = VCC /3 V、uC () =VCC、 t1=(Ra+ Rb)C、 当t= tpH时，uC (tpH) =2 VCC /3代入三要素方程。于是可解出tpH=0.7(Ra+ Rb)CtpL ： uC (0) = 2VCC /3 V、 uC () =0V、 t1= R
7、BC、当t= tpL时，uC (tpL) =VCC /3代入公式。于是可解出tpL=0.7RbC 振荡周期T = tpH+tpL=0.7 ( Ra + 2Rb) C =0.1 (s) 555定时器的内部电路框图及管脚排列分别如图5和图6所示。图5 555定时器的内部电路框图 图6 555定时器的管脚排列 555定时器功能表1所示。 表1输入输出复位THQVT1状态00导通11截止10导通1原状态不变图7是555多谐振荡器的工作波形图7 多谐振荡器的工作波形2. 用74LS161构成10进制计数器，当周期为0.1秒的脉冲信号由图8 CLK端进入计数器时，每隔10个脉冲74LS161计数一次，所以
8、从RCO输出端输出周期为1秒的脉冲信号，完成秒脉冲的设计。图8 十进制计数器 74LS161功能表如表2所示。表2 （3）8421BCD码递减计数器模块电路本实验中计数器选用中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是十进制同步加法/减法计数器，它采用8421BCD码二-十进制编码，其功能表如表3所示。 表3 74LS192的功能表CPUCPDCR操作00置数110加计数110减计数1清零 由此看出,当LD=1,CR=0,CPD=1时,如果有时钟脉冲加到CPU端,则计数器在预置数的基础上进行加法计数,当计数到9时,CO端输出进位下降沿跳变脉冲；当LD=1，CR=0，CPU=1时，如果
9、有时钟脉冲加到CPD端，则计数器在预置数的基础上进行减法计数，当计数到0时，BO端输出借位下降沿跳变脉冲。由此设计出三十进制减法计数器，具体电路图如图9所示,图中的QA-QD分别接到显示译码器的输入端，CPD端接到秒脉冲发生器的脉冲输出端。图中预置数为N=（0011000）8421BCD=（30）10，当低位计数器的借位输出端BO输出借位脉冲时，高位计数器才开始进行减法计数。当计数到高、低位计数器都为零时，报警电路、控制电路皆工作，使74LS161停止计数，LED报警二极管发亮。 图9 三十进制减法计时器74LS161时钟输入(4) 时钟信号控制电路555输出 图10 时钟信号控制电路图10是
10、时钟脉冲信号 CP 的控制电路 ,控制 CP 的放行与停止。其中，U4A的另一个输入来自555多谐振荡器输出，其输出送入74LS161时钟输入端。当定时时间未到时，74LS192的借位输出信号BO2=1时，则CLK信号受“暂停/继续”开关J3的控制，当J3处于“暂停”位置时，门U13A输出1，门U4A关闭，封锁CLK信号，计数器暂停计数；当J3处于“连续”位置时，门U14A输出1，门U4A打开，放行CLK信号，计数器在CLK作用下，继续累计计数。当定时时间到时，BO2=0，门U10A关闭，封锁CLK信号，计数器保持零状态不变。从而实现了当暂停/连续开关处于暂停状态时，控制电路封锁计数脉冲，计数
11、器停止计数，显示原来的数，而且保持不变；当暂停/连续开关处于连续状态时，计数器正常计数，的功能要求。注意，BO2是脉冲信号，只有在CPD保持为低电平才能保持不变。(5) 显示模块电路显示模块用来显示计时模块输出的即时计时和中途计时结果。是由七段数码管构成，直接将两片74LS192的QA、QB、QC、QD接到译码管的A、B、C、D端，即可对数字进行显示。七段数码管如图11所示。 图11 显示译码电路(6) 光报警模块当计数器递减计数到零 ( 即定时时间到 ) 时 , 控制电路应发出报警信号 , 使计数器保持零状态不变 , 同时报警电路工作。如图12所示。当芯片1和2输出为低电平时，发光二极管工作
12、，发出光电报警。BO1和BO2分别为两片74LS192的BO输出端。 BO2BO1 图12 光报警电路4、 性能的测试（1）直流电源电路仿真直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图13所示。图13 直流稳压电源稳压电源输出直流可调电压6Vu015V，最大负载电流100mA左右；驱动负载120RL240。最大电压和最大电流如图14所示。图14 直流电压电流由图可知，稳压电源输出电压电流的最大值满足参数要求。(2) 秒脉冲信号发生电路的仿真 将秒信号发生器接到示波器上，如图15所示。观察输出波形，如图16所示。 图15 秒脉冲信号发生器仿真 图16 秒脉冲信号的波形
13、图由图可知，555定时器的定时时间为0.1s，经过74LS161十分频后，74LS192的时钟信号即为1s，符合要求。(3) 30秒置数仿真测试启动J1（按键A闭合）（低电平）成置数功能 , LD置为低电平出现30秒字样 ; 断开J1（高电平），LD置为高电平，计数器开始进行递减计数，如图17所示。图17 30秒置数仿真测试(4) 暂停/继续仿真测试当暂停/继续开关J3（空格键）处于暂停位置时，控制电路封锁计数脉冲计数器停止计数，显示原来的数，而且保持不变，如图18所示；当暂停/继续关J3处于连续位置时，计数器正常计数如图19所示。当电路处于暂停/计数状态时，开关J1、J2皆断开。图18 暂停
14、仿真测试图19 连续仿真测试(5) 报警电路的仿真当计数器计到状态“00”时，高位片的借位输出端BO产生低电平借位脉冲信号，由此导通发光二极管产生光报警信号。如图20所示。此时电路处于计数状态时，开关J1、J2皆断开。图20 报警电路的仿真(6) 清零仿真测试启动J2（按键B闭合），使两片74LS194处于清零状态，数码管显示零状态。如图21所示。图21 清零状态五、 结论根据实验结果，本设计方案基本完成了设计的要求，总的来说该方案是十分可行的，电路结构简单，条理清晰，结果符合要求。但是由于产生的脉冲信号不易保持以及产生的秒脉冲信号不够稳定和精确的原因还存在着报警时间过短和计数时间不够精确的缺陷，可以通过用分频电路来代替555信号发生器来产生稳定的秒脉冲计时信号，来进一步改善电路计时的准确性；对产生的借位脉冲信号时间过短的原因可以用展宽电路把脉冲扩展到足够宽，使发光二极管持续发光。六、 性价比 综合各种因素来看，该方案所设计的电路比较经济实惠。虽然由于该电路中的元气件价格低廉但电路的总体性能比较稳定，效果很好，由此可见该方案的性价比还是很高的，若把该方案所设计的电路做成实物图完全可以
