篮球三十秒倒计时课设说明书

目录

第一章绪论 (2)

1.1课题简介 (2)

1.2课程设计的内容和要求 (2)

1.3对课程设计成果的要求 (3)

1.4 课程设计任务分配 (3)

第二章电路设计原理 (4)

2.1电路组成 (4)

2.2设计思路 (5)

2.3设计方案 (5)

第三章单元模块 (6)

3.1 秒脉冲发生器 (6)

3.2 8421BCD码递减计数器模块 (8)

3.3 译码显示电路 (9)

3.4 辅助控制电路 (13)

第四章电路连接及工作过程 (17)

4.1总电路图 (17)

4.2 工作过程 (17)

第五章课设心得 (20)

一、绪论

1.1课题简介

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。

此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。在设计此计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。此电路是以时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。

1.2课程设计的内容和要求：

设计任务与要求

(1)设计一个30秒倒计时电路，并具有时间显示功能。

(2)设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续计时。

(3)要求计时电路递减计时，每隔一秒钟，计时器减1。

4)当计时器定时时间到时，显示器上显示00，同时发出声光报警信号。

设计要求

(1)认真思考，充分理解设计任务。

(2) 确定设计原理框图及方案。

(3) 设计出计时器电路，实现控制功能。

(4) 选择元器件。

(5) 画出相关设计图。

(6) 撰写设计说明书。

1.3对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：

撰写设计说明书，画出计时器原理图、计时器电路图、计时器功能转换图、对各个部件环节功能的说明等，列出元器件明细表。

1.4 课程设计任务分配

二、电路设计原理

2.1电路组成

30秒计时器的总体参考方案框图如图2-1所示。它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路（简称控制电路）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。计数器完成30秒计时功能，而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。

图2-1 30秒计时器系统设计框图

秒脉冲发生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。报警电路在实验中可用发光二极管与蜂鸣器代替。

2.2设计思路

定时电路主要由振荡器和计数器组成。该电路设计思路如下：

1．设计一个秒脉冲发生器，这里采用555定时器来产生这个计时脉冲。通过555定时器外接电阻，将其脉冲宽度调整为1秒

2．设计30秒递减计时电路，由秒脉冲发生器控制其计数，每隔1秒钟，计数器减1。

3．设计译码显示电路，显示器能显示计数器的即时计数数值。

4．设计报警电路，当计数器递减计时到零时（即定时时间到，显示器上显示00），发出报警信号。

5．设计外部操作开关控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续计时。2．3设计方案

分析设计任务，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。

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；当暂停／连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停／连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。

系统设计框图如图2-1所示。

三、单元模块

根据设计思路和原理框图，对各个单元电路进行分析，逐次设计出各个单元电路。

3.1 秒脉冲发生器

555定时器内部结构图如图3.1所示。 3.1.1 555定时器电路的基本原理

由3.1图可以看出，555内部结构包括两个电压比较器C 1和C 2，一个基本RS 触发器和一个集电极开路的放电三极管T D 三部分构成。

V I1是比较器C 1的反相输入端，也称阈值端，用TH 表示。V I2是比较器C 2的同相输入端，也称触发端，用TR 表示。V R1和V R2是C 1和C 2的基准电压，V CO 是控制电压输入端，当V CO 悬空时，V R1=2/3V CC ，V R2= 1/3V CC 。若V CO 接固定电压时，V R1=V CO ， V R2=1/2V CO 。/RD 是清零端，当/RD=0时，V O =0；当/R D =1时，电路处于工作状态。

555定时器的逻辑功能主要取决于比较器C 1、C 2的工作状态，分析如下，在无外加控制电压V CO 的情况下：

1、当V I1>V R1，V I2>V R2时，比较器输出V Cl =0，V C2=1，触发器置0，使得定时器输出V O =0，同时T D 导通。

2、当V I1

图3.1 555定时器内部结构

Vi1(T H)

Vi2

(T R)

Vco

.

.

.

(a) 555的逻辑符号

(b) 555的引脚排列

图3.2 555定时器逻辑符

号和引脚

3、当V I1V R2时，比较器输出V Cl =1，V C2=1，触发器维持原状态不变。 根据以上分析，可得到555集成定时器功能状态表，如表3.1所示。

为了提高电路的负载能力，在输出端接缓冲器G 4。TD 与/R 接成的反相输出端V O ′与V O 在高、低电平状态上完全相同。 3.1.2 秒脉冲发生器电路设计

555定时器是一种电路结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路， 可产生各种脉冲,为了给计数器74LS192提供一个时序脉冲信号,使其进行减计数,本设计采用555构成的多谐振荡电路(即脉冲产生电路),其基本电路如图3.3示. 其中555管脚图如上图3.2示.由555工作特性和其输出周期计算公式可知,其产生的脉冲周期为: T=0.7(R 1+2R 2)C 。

因此,我们可以计算出各个参数通过计算确定了R1取15k 欧姆,R2取65k 欧姆,电容取C 为10uF.这样我们得到了比较稳定的脉冲,且其输出周期为1秒.

图3.3 555多谐振荡电路

R R u C

cc

3.2 8421BCD 码递减计数器模块

计数器选用中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是十进制可编程同步加/减计数器，它采用8421码二一十进制编码，并具有直接清零、置数、加/减计数功能。74LS192的功能表如表3.2所示。

74192功能表：

表3.2 74LS192功能表

3.2.1 74LS192的工作原理

当/LD= 1，CR=0时，若时钟脉冲加入到CPu 端，且CPd=l 则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，/CO 端发出进位下跳变脉冲；若时钟脉冲加入到端CPd ，且CPu=1，则计数器在预置数基础上完成减计数功能，当计数减到0时，/BO 端发出借位跳变脉冲。由74LS192构成的三十进制递减计数器如图3.4所示。

图3.4 三十进制递减计数器

图中CP U 、CP D 分别是加计数、减计数的时钟脉冲输入端（上

升沿有效）。/LD 是异步并行置数控制端（低电平有效）。/CO 、/BO 分别是进位、

借位输出端（低电平有效）。CR是异步清零端，D

3~D

是并行数据输入端，Q

3

~Q

是输出端。

3.2.2 计数器单元电路

74LS192的计数原理是：只有当借位/BO

1

端发出借位脉冲时，高位计数器才

作减计数。当高、低位计数器处于全零，且CPd为0时，置数/LD

2

端等于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循环减计数。计数器单元电路如图3.5所示。

3.5 计数器单元电路

该电路图上的两个74LS192的输出端分别接译码器74LS48的ABCD端作为译码输入，计数器预置数为30，但计数器减为00时，高位的计数器/BO端输出报警信号报警电路报警。

3.3 译码显示电路

此模块主要是由74LS48译码器和共阴极七段LED显示器组成，通过计数器加到译码器，从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数显示功能。

3.3.1 74LS48七段显示译码器

其管脚图如下图3.6所示。现将各管脚功能介绍一下：

A、B、C、D是BCD码的输入端；

a,b,c,d,e,f,g是输出端；

试灯输入端L T：低电平有效。当L T＝0时，数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏；

动态灭零输入端R B I：低电平有效。当L T＝1、R B I＝0、且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。

本输入端用于消隐无效的0。如数据0034.50可显示为34.5；

灭灯输入/动态灭零输出端RBO：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当RBO作为输入使用，且RBO＝0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。当RBOBI/作为输出使用时，受控于L T和R B I：当L T＝1且R B I＝0时，RBO＝0；其它情况下RBO＝1。本端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。

图3.6 74LS48管脚图

74LS48功能表：

3.3.2 共阴极七段LED显示器

共阴极七段LED显示器是较常用的显示数码管，但在使用时要注意的是：

1.看清楚自己用的数码管是共阴极还是共阳极的，最好在焊之前用万电用表测一下它的极性，其管脚图如下图2-10所示，如果为共阴极的，其管脚COM端接地；如果为共阳极的，起管脚COM段要接高电平。

2.还要注意在数码管电路上加上一保护电阻，起限电流的作用。

图3.7 共阴极七段LED显示器管脚图

3.4 辅助控制电路

为了保证系统的设计要求 , 在设计控制电路时 , 应正确处理各个信号之间的时序关系。从系统的设计要求可知 , 控制电路要完成以下四项功能 :

①操作“清零”开关，要求计数器清零；闭合启动，减计时器进入计数状态。

②闭合“启动” 开关时 , 计数器应完成置数功能 , 显示器显示 30 秒字样 ; 断开“启动”开关时 , 计数器开始进行递减计数。

③当“暂停 / 连续”开关处于“暂停”位置时 ,控制电路封锁时钟脉冲信号CP , 计数器暂停计数 , 显示器上保持原来的数不“暂停 / 连续” 开关处于“连续”位置时 , 计数器继续累计计数。

④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。

3.4.1 报警电路

报警电路用二极管和蜂鸣器设计。报警电路如图3.8所示。

图3.8 报警电路

当计数到零时,两计数器借位端输出多为低（0）,故

本设计将高位片借位

B O反馈到二极管负极性端,此时

2

+5V电源经1k电阻使发光二极管发出光电报警信号,完成

报警功能,而在递减计数时,

B O端输出为高（1）,二极管

2

不报警.

3.4.2 暂停/连续电路（时钟信号控制电路）

暂停/连续电路如图3.9所示。

图 3.9 暂停/工作电路（时钟信号控制电路）

同时应注意的是，如图可以知道两个与非门构成的基本RS 触发器，构成去抖动电路，防止产生机械开关的毛刺现象，并控制输入信号的输入从而达到，暂停计时和继续计时。

控制电路中SR 锁存器功能表：

L D 接 74LS192 的预置数控制端, 当开关 1S

合上时 , L D =0,74LS192

进行置数 ; 当 1S 断开时, L D =1,74LS192 处于计数工作状态 , 从而实现功能②的要求，当然本设计只要将启动信号直接加到置数端。图3.9是时钟脉冲信号 CP 的控制电路 ,控制 CP 的放行与禁止。当定时时间未到时 ,74LS192 的借位输出信号路 , 2B O =1, 则 CP 信号受 “暂停 / 连 续” 开关2S 的控制 , 当2S 处于“暂停” 位置时 ,门 3G 输出 0, 门 2G 关闭 , 封锁 CP 信号 , 计数器暂停计数 ; 当2S 处于 “连续”位置时 , 门 3G 输出 1, 门 2G 打开 , 放行 CP 信号 , 计数器在 CP 作用下 , 继续累计计数。

当定时时间到时2B O =0, 门 G 2 关闭, 封锁 CP 信号, 计数器保持零状态不变。从而实现了功能③、④的要求。注意 ,2B O 是脉冲信号 , 只有在 D CP 保持为低电平时,2B O 输出的低电平才能保持不变。至于功能①的要求, 可通过控制 74LS192 的异步清零端CR 实现 ( 图中未画出 ) 。

3.4.3置数/工作电路

由于置数为“30”，所以要将高、低电平加在两片74LS192组成的30进制计数器的输入端D、C、B、A的相应端。第一片74LS192的DC端接高电平，BA端接低电平；第二片74LS192的四个输入端均接低电平；两片74LS192的/LOAD端均接高电平。

当开关闭合时，计数器置数，数码管显示“30”字样；当开关断开时，计数器开始进行计数。

3.4.4清零/工作电路

清零/工作电路由单刀双掷开关与电阻组成。当开关打到清零端，即接高电平时，输出高电平至74192的CLR端，计数器清零；当开关打到工作端，即接地，输出低电平至74192的CLR端，清零端无效，计数器处在工作状态。

四、电路连接及工作过程

4.1总电路图

4.2工作过程

4.2.1工作过程--开始

闭合开关S3到左侧，使计数器发出脉冲宽度为1S的脉冲。

闭合开关S1 使，这时俩个192的LD端口接收到一个低电平（LD端口为74LS192的置数端，低电平有效），这样就能使数码显示为30。

打开开关S1，使计数器开始减计数

4.2.2工作过程—暂停

将开关S4闭合到右侧，倒计时器就可实现暂停功能

4.2.3工作过程—192减计数的实现

当/LD= 1，CR=0时，若时钟脉冲加入到CPu端，且CPd=l则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，/CO端发出进位下跳变脉冲；若时钟脉

冲加入到端CPd，且CPu=1，则计数器在预置数基础上完成减计数功能，当计数减到0时，/BO端发出借位跳变脉冲。由74LS192构成的三十进制递减计数器如图3.4所示。

图3.4 三十进制递减计数器

图中CP

U 、CP

D

分别是加计数、减计数的时钟脉冲输入端（上升沿有效）。/LD

是异步并行置数控制端（低电平有效）。/CO、/BO分别是进位、借位输出端（低

电平有效）。CR是异步清零端，D

3~D

是并行数据输入端，Q

3

~Q

是输出端。

74LS192的计数原理是：只有当借位/BO

1

端发出借位脉冲时，高位计数器才

作减计数。当高、低位计数器处于全零，且CPd为0时，置数/LD

2

端等于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循环减计数。计数器单元电路如图3.5所示。

3.5 计数器单元电路

该电路图上的两个74192的输出端分别接译码器7447的ABCD端作为译码输入，计数器预置数为30。

4.2.4工作过程—报警、灭0

报警和灭0是由十位和个位74LS192的BO端口控制的。根据192的工作原理，

当192倒计时到0的时候，借位端BO发出一个低电平。由于预置数为30，所以在到计数器的一个30-0的循环内，个位192的BO端会发出3个低电平，十位的192BO端只发出一个低电平（不发出脉冲时，192的BO端口为悬空）。所以只有当个位和十位的BO端口同时发出低脉冲时，报警电路LED的下端电平才为低电平（其余时候均为高电平），所以只有此时，LED灯和蜂鸣器才能工作。而且也只有此时俩个74LS48的RBI输入端口输入的才是低电平，RBI为动态灭0端，低电平有效，所以当RBI输入低电平时，显示器会熄灭。

五、课设心得

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，集成电路倒计时器已经广泛的运用到了我们的生活中。

一周的课程设计结束了，回顾这次课程设计，至今我感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这短短的一周的日子里，可以说是苦多于甜，但在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也教会了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次器件的理论设计，我在多方面都有所提高。在设计的过程中，我综合运用了本专业所学课程的理论和生产实际知识，进行了一次篮球三十秒倒计时计数器的设计。工作的实际训练培养和提高了我独立工作的能力，巩固与扩充了数字电路等课程所学的内容，掌握倒计时计数器设计的方法和步骤，懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了模具的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的王老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风将会是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您严谨的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于我的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我十分乐意接受您的批评与指正，学生将万分感谢。