数字电路

课程设计报告

课题名称：篮球竞赛30秒计时器

姓    名：

学    号：

专业班级：通信工程1

指导教师：

设计日期：20##年1月5日

摘要：随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，计时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。电子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一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。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。

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。它由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和时序控制电路五个部分组成。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。通过控制电路来完成计时器的启动、计数、暂停/继续、译码显示电路的显示等功能。本电路用两个74LS192芯片构成递减计数器（30进制）；控制电路由74LS00和74LS08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。

关键字 :  秒脉冲发生器  计时器   光电报警  模块化

一、设计原理及要求

1.1设计原理

                

              图1  篮球竞赛30秒计时器原理框图

篮球竞赛30秒计时器原理框图如图1所示。功能的电路采用模块化设计，分别都有各自的功能。

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，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。

1.2设计要求

（1）  具有显示30秒计时功能；

（2）  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；

（3）  计时器为30秒递减计时，其计时间隔为1秒；             

（4）  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。

二、电路设计

(1) 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1所示。

74LS192引脚图如下所示

74LS192引脚图

                        表1 74LS192的功能表

由此看出,当LDˊ=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,COˊ端输出进位下降沿跳变脉冲；当LDˊ=1，CR=0，CPU=1时，如果有时钟脉冲加到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，BOˊ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2所示,图中的Q0-Q7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BOˊ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，高位计数器的借位输出端BOˊ输出借位脉冲，使置数端LDˊ=0，则计数器完成置数，在CPD端输入脉冲的作用下，进行下一循环的减法计数。

 图2 三十进制减法计时器

(2) 时钟信号控制电路

                  

                        图3时钟信号控制电路

图3是时钟脉冲信号 CP 的控制电路 ,控制 CP 的放行与停止。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S2的控制，当S2处于“暂停”位置时，门U10A输出0，门U7A关闭，封锁CLK信号，计数器暂停计数；当S2处于“连续”位置时，门U10A输出1，门U2A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U7A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。

(3) 秒脉冲信号产生模块电路

NE555秒脉冲发生器由555集成定时器构成，其引脚图如图4所示。

NE555秒脉冲发生器的周期与其充电的时间有关，充电时间由图11中的电容C1、电阻R1和R2所决定周期的计算公式为：T=Ln2(R1+2R2)×C1。本实验需要的周期是1s，计算出较为稳定的电阻电容值为：R1=15kΩ,R2=68kΩ, C1=10μF,C2=10nF。计算得T=1s。

                                   

                        图4秒脉冲发生电路

(4) 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，计时模块输出计时信号通过译码器译码由数码管显示出来。如图5所示。

               

图5显示译码电路

(5) 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6所示。

 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反馈到二极管负极性端,此时+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,端输出为高（1）,二极管不报警。

 图6发光报警电路

三、    性能的测试

(1) 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7所示。观察输出波形，如图8所示。  

 图7秒脉冲信号发生器仿真

图8秒脉冲信号的波形图

(2) 30秒置数仿真测试

       启动S1（低电平）成置数功能 , LD置为低电平出现30秒字样 ; 断开S1（高电平），LD置为高电平，计数器开始进行递减计数，如图9所示。

图9 30秒置数仿真测试

(3) 暂停/继续仿真测试

    当暂停/继续开关S2处于暂停位置（低电平）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10所示；当暂停/继续开关S2处于连续位置（高电平）时，计数器正常计数如图11所示

                          图10暂停仿真测试

                        图11连续仿真测试

(4) 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。

图12报警电路的仿真

四、设计体会

    本次课程设计是我到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次学习。设计是我们将来必需的技能，而这次课设恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。

从通过理论设计，到仿真软件仿真，最后到确定具体方案，整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，本次课设是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。总的来说，这次课设虽然累，但非常充实。

     在这次课程设计中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。我经过一段时间的查找资料和思考问题，最终把设计方案设计出来了。其中在查找资料的过程中收获颇丰，在这个过程中使我学会了如何查找文献资料并运用到自己的方案中去。经过一番深思熟虑后设计出比较实用的电路图，然后用仿真软件进行仿真。在仿真的过程中发现了一些问题，并通过自己的努力最终解决了出现的各种问题，在这解决问题的过程中使我学到了许多以前不太了解的知识，同时也培养了思考问题的习惯，经过一番奋斗后，仿真的结果符合设计要求。在连接实物图的过程中须得步步为营，若是一着不慎连错了后果是很严重的，不好检查线路，因此连线时须的小心再小心。经过最后的努力，终于把实物图所产生的结果与仿真一致。

要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前提。这样才能对试验中出现的问题进行一定的分析和解决。当然能完成本次设计，更离不开老师辛勤地指导，感谢老师的指导！                                                     

五、 结论

本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求：

时钟模块为减计数提供一个频率为1Hz的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为1秒钟；

计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；

报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；

控制模块主要是为了实现计时器的启动、直接清零和暂停/连续功能，其中在直接清零时，由外控制开关控制译码器消隐端，从而可以实现显示译码器灭灯；通过暂停/连续开关从而实现断点计时功能。

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。

参考文献

[1].王毓银.数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路第三版）.高等教育出版社.1999

[2].高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002

[3].刘修文主编.是用电子电路设计制作.中国电力出版社，2005

[4].朱定华主编.电子电路测试与实验.清华大学出版社，2004

[5].路勇主编.电子电路实验及仿真.北京交通大学出版社，2004

附录I  总电路图

附录II  元器件清单

 

第二篇：数字电路课程设计

数字电路课程设计

选题：数字交通灯

学    院：电气工程与自动化学院

专业班级：电信08-3班

学    号： 

姓    名： 

指导老师： 

日    期：20##年12月27日

目录

一、设计目的. 1

二、设计要求. 1

三、设计方案. 1

四、芯片介绍. 2

1、NE555 2

2、CD4029 3

3、74LS47 3

4、74LS245 4

5、74LS00 5

五、单元模块. 5

1、秒信号产生器. 5

2、状态控制器. 6

3、状态译码器. 6

4、定时系统. 8

六、调试要点. 9

七、设计心得. 10

八、参考文献. 10

一、设计目的

1．掌握时序逻辑电路的设计方法，灵活运用理论知识。

2．提高学生的数字系统设计能力和实际动手能力。

3．进一步了解如何将数字电路设计应用到自动控制系统中，从而提高解决实际问题的能力。

4．为学习和使用计算机打下良好的基础。

二、设计要求

十字交叉路口在城市，特别是在大中城市可谓星罗棋布。为确保车辆安全通过，行人安通过，在每个十字路口都设置了交通灯控制。今设计一个十字路口的交通灯控制，设计任务如下：

·主、支干道交替通行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。

·绿灯亮表示可以通行，红灯亮表示禁止通行。

·每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒(此时另一干道上的红灯不变)。

·十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。

·在黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。

·要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均可在0---99s内任意设定。

三、设计方案

    该交通灯控制系统的组成框图如下所示。状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲减计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由BCD译码器译码、数码管显示。在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。

四、芯片介绍

1、NE555

NE555定时器的引脚图如下：

2、CD4029

CD4029是一CMOS电路二进制/十进制可异步置数的可逆计数器。在本设计中，由两片共同作用构成减法计数器。CD4029芯片由B/D端控制二/十进制计数，当B/D端为高电位（即为1）时，为二进制计数；相反为十进制计数。由U/D端控制其加/减计数，当此端为高电位（1）时，为加计数；反之，为减计数。由PSE端控制是否预置初始数，当此端为高电位时，为有预置数；为低电位时，不预置初始数。它的CO端的输出为借位输出，CI端的输出为进位输出。

CD4029管脚排列图如下：

3、74LS47

74LS47是BCD-7段译码器/驱动器 ，是数字集成电路，用于将BCD码转化成数码块中的数字，然后我们就能看到从0-9的数字。 译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用。

74LS47管脚排列图如下：

4、74LS245

74LS245是一个8位双向三态缓冲器，又称三态数据总线收发器。其逻辑功能为：当控制信号=0时，若DIR=1，则数据传输通路为A→B；若DIR=0，则数据传输通路为B→A。而当=1时，无论DIR为何值，A、B之间均呈高阻断状态。

74LS245管脚排列图如下：

5、74LS00

74LS00是二输入端四与非门。其引脚图如下：

五、单元模块

1、秒信号产生器

系统所需要的秒脉冲由定时器NE555所构成的多谐振荡器提供，多谐振荡器如图所示，其中1脚是电路地GND；8脚是正电源端Vcc，工作电压范围为5~18V；2脚是低触发端TR；3脚是输出端OUT；4脚是主复位端RD；5脚是控制电压端UcO；6脚是高触发端TH；7脚放电端DISC。R1、R2和C为定时电阻和电容，C1为电压控制端稳定电容。在信号的输出端产生矩形脉冲，其振荡频率为 f=1.44/( R1+2R2)C 。

2、状态控制器

信号灯四种不同的状态分别用(主绿灯亮，支红灯亮)、（主黄灯亮，支红灯闪烁）、（主红灯亮，支绿灯亮）、（主红灯闪烁，支黄灯亮）表示。其状态转换图如下：

采用CD4029二进制/十进制可异步置数的可逆计数器构成状态控制器，电路图如下：

3、状态译码器

主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。他们之间的关系见真值表如下：

表2-1

对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。

各信号灯的逻辑函数表达式如下：

=·+·=           =

=·                       =

=·                       =

=·+·=              =

=·                           =

=·                           =

现选择半导体发光二极管模拟交通灯。见下图2.2，由于门电路的带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出低点平时，点亮相应的发光二极管。当黄灯亮时，红灯按1Hz的频率闪|烁。从状态译码器真值表可以得出黄灯亮时，QI必为高电平；而红灯点亮信号与Ql无关。现利用Ql信号去控制一三态门电路74LS245(或模拟开关)，当Q1为高电平时，将秒信号脉冲引到驱动红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮其间闪烁；反之将其隔离。红灯信号不受黄灯信号的影响。

4、定时系统

该定时器由两片CD4029构成的二位十进制可预置减法计数器完成；时间状态由两片74LS47和两只LED数码管对减法计数器进行译码显示；预置到减法计数器的时间常数通过三片8路双向三态门74LS245来完成。三片74LS245的输入数据分别接入30、20、5三个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号控制不同74LS245的选择信号来实现。例如当状态控制器在S1（Q2Q1＝01）或在s3(Q2Q1=11)时，要求减法计数器按初值5开始计数，故采用S1、S2为逻辑变量而形成的控制信号Q1去控制输入数据接数字5的74L8245的选通信号。由于74LS245选通信号要求低电平有效，故Ql经一级反相器后输出接相应74LS245的选通信号。同理，输入数据接30的三态门74LS245的选通信号接主干道绿灯信号；输入数据接20的三态门74LS245的选通信号接支干道绿灯信号。

电路图如下所示：

六、调试要点

1、首先调试秒信号发生器。先加电检查线路，如能正常工作，即能输出信号脉冲，接下来把脉冲信号接入示波器，用示波器监视秒信号发生器的输出，调节电位器Rw，使其输出信号的周期为1s。

2、调节状态译码器、信号灯的工作，把已调节好的秒脉冲引入状态控制器脉冲输入端，使控制器开始工作，在该脉冲作用下，三色信号灯是否按要求依次转换。

3、调节减法计数器和数字显示系统，把秒脉冲信号直接接入减法计数器，检查数字显示是否正确。

4、调节各置数器，把置数器和减法计数器连接好，并接入秒脉冲信号至减法计数器，把其中一个置数器控制端接低电平另两个置数器接高电平，看置数是否正确。同样方法检查另两个置数器。

5、把各个已检查好的单元部分连接起来，接入秒脉冲信号，检查灯亮和数显之间是否正常对应。

七、设计心得

通过这次数字交通灯设计，我开阔了视野，通过搜集相关信息资料，巩固了书本上所学的知识，提高了自己分析问题和解决问题的能力，达到了学以致用的目的。同时，通过融入课本所学的知识进入分析应用，从而更加巩固了我的电子技术知识，提升了我的电子技术水平。

另外，还进一步练习了一些办公软件，如Word、Visio。为我即将融入社会作好了铺垫。

八、参考文献

[1] 康华光.电子技术基础.高等教育出版社.1999

[2] 姚福安.电子电路设计与实践.山东科学技术出版社.2007

[3] 谢处方，饶克谨.数字电子设计原理.高等教育出版社.1999