1、沈陽航空航天大學綜合課程設計1、 概述在籃球比賽中，規定了一方的持球時間不能超過30秒，否則就被判做犯規。本課程設計的“籃球競賽30秒計時器”，就可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間30秒進行限制。一旦球員的持球時間超過了30秒，它自動的報警。 本課程設計是脈沖數字電路的簡單應用，設計了籃球競賽30秒計時器。此計時器功能齊全，可以直接清零、啟動、暫停和連續以及具有光電報警功能，同時用了數碼管來顯示時間。此計時器有了啟動、暫停和連續功能，可以方便的實現斷電計時功能，當計數器減到零時，會發出光電報警信號。本設計完成的中途計時功能，實現了在許多特定場合進行時間追蹤的功能，在社會生活中也具有廣泛的應用

2、價值。此計時器的設計采用模塊化結構，主要由以下4個組成：直流穩壓電源模塊、計時模塊、控制模塊、譯碼顯示模塊。當計數器接收到秒脈沖后開始倒記數，等遞減到0時，發光二極管亮光報警。本電路用兩個74LS192芯片構成遞減計數器（30進制）；控制電路由74HC04D和74HC00D構成；秒脈沖發生器由555集成定時器構成；兩個數碼管構成顯示電路。2、 方案論證 方案一： 直流穩壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩壓電路四部分組成，其原理框圖如圖1所示。圖1 直流穩壓電源原理框圖 電網供給的交流電壓u1(220V,50Hz) 經電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，然后由整流電路變換成方向不變

3、、大小隨時間變化的脈動電壓u3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓uI。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩定。 籃球競賽的30秒計時器的原理參考框圖如圖2所示。圖2 籃球競賽30秒計時器原理框圖籃球競賽30秒計時器包括秒脈沖發生器、計數器、譯碼顯示電路、控制電路、報警電路等5個部分組成。其中計數器和控制電路是系統的主要部分。計數器完成30秒計時功能，由555多諧振蕩器與74LS161分頻而成。而控制電路控制計數器的啟動計數、暫停繼續計數。當啟動置數開關時，計數器完成置數功能

4、顯示30秒字樣；當啟動開關時，計數器開始計數；暫停繼續開關連接到連續計數端時，計數器開始連續計數，當連接到暫停計數端時，計數器暫停計數。計數器遞減到零時，發出光電報警信號。方案二：方案二由555定時器直接定時1秒，不用74LS161進行分頻。由于多諧振蕩電阻電容參數不夠精確，因此直接使用555定時器定1秒會產生比較大的誤差，而通過分頻計時的方法可以減小這種誤差，因此本實驗采用方案一。3、 電路設計 (1)直流穩壓電源模塊 直流穩壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩壓電路四部分組成，其原理框圖如圖3所示。圖3 直流穩壓電源電子設備一般都需要直流電源供電。這些直流電除了少數直接利用干電池和直流發電機

5、外，大多數是采用把交流電（市電）轉變為直流電的直流穩壓電源。電網供給的交流電壓V1為220V，50HZ；穩壓電源輸出直流可調電壓6V<u0<15V，最大負載電流100mA左右；驅動負載120<RL<240。參數計算如下：輸出電壓U0=（1+R11/R10）×1.25V，取R10為230，則可取R12最大值為2.5K，同時取負載電阻為150，可滿足電流要求。(2)秒脈沖發生器模塊 1. 用555集成電路組成多諧振蕩電路為系統提供時鐘，如圖4連接。555定時器應用為多諧振蕩電路時，當電源接通Vcc通過電阻R4、R5向電容C充電，其上電壓按指數規律上升，當u上升至2

6、/3Vcc，會使比較器C1輸出翻轉，輸出電壓為零，同時放電管T導通，電容C1通過R5放電；當電容電壓下降到1/3Vcc，比較器C2工作輸出電壓變為高電平，C放電終止，Vcc通過R4、R5又開始充電；周而復始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時間有關，也就是與外接元件有關，不受電源電壓變化影響。圖4 多諧振蕩器輸出波形的振蕩周期可用過渡過程公式計算：tpH ： uC (0) = VCC /3 V、uC () =VCC、 t1=(Ra+ Rb)C、 當t= tpH時，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

7、/3 V、 uC () =0V、 t1= RBC、當t= tpL時，uC (tpL) =VCC /3代入公式。于是可解出tpL=0.7RbC 振蕩周期T = tpH+tpL=0.7 ( Ra + 2Rb) C =0.1 (s) 555定時器的內部電路框圖及管腳排列分別如圖5和圖6所示。圖5 555定時器的內部電路框圖 圖6 555定時器的管腳排列 555定時器功能表1所示。 表1輸入輸出復位THQVT1狀態0××0導通11截止10導通1原狀態不變圖7是555多諧振蕩器的工作波形圖7 多諧振蕩器的工作波形2. 用74LS161構成10進制計數器，當周期為0.1秒的脈沖信號由圖

8、8 CLK端進入計數器時，每隔10個脈沖74LS161計數一次，所以從RCO輸出端輸出周期為1秒的脈沖信號，完成秒脈沖的設計。圖8 十進制計數器 74LS161功能表如表2所示。表2 （3）8421BCD碼遞減計數器模塊電路本實驗中計數器選用中規模集成電路74LS192進行設計，74LS192是十進制同步加法/減法計數器，它采用8421BCD碼二-十進制編碼，其功能表如表3所示。 表3 74LS192的功能表CPUCPDCR操作××00置數110加計數110減計數×××1清零 由此看出,當LD=1,CR=0,CPD=1時,如果有時鐘脈沖加到CP

9、U端,則計數器在預置數的基礎上進行加法計數,當計數到9時,CO端輸出進位下降沿跳變脈沖；當LD=1，CR=0，CPU=1時，如果有時鐘脈沖加到CPD端，則計數器在預置數的基礎上進行減法計數，當計數到0時，BO端輸出借位下降沿跳變脈沖。由此設計出三十進制減法計數器，具體電路圖如圖9所示,圖中的QA-QD分別接到顯示譯碼器的輸入端，CPD端接到秒脈沖發生器的脈沖輸出端。圖中預置數為N=（0011000）8421BCD=（30）10，當低位計數器的借位輸出端BO輸出借位脈沖時，高位計數器才開始進行減法計數。當計數到高、低位計數器都為零時，報警電路、控制電路皆工作，使74LS161停止計數，LED報警

10、二極管發亮。 圖9 三十進制減法計時器74LS161時鐘輸入(4) 時鐘信號控制電路555輸出 圖10 時鐘信號控制電路圖10是時鐘脈沖信號 CP 的控制電路 ,控制 CP 的放行與停止。其中，U4A的另一個輸入來自555多諧振蕩器輸出，其輸出送入74LS161時鐘輸入端。當定時時間未到時，74LS192的借位輸出信號BO2=1時，則CLK信號受“暫停/繼續”開關J3的控制，當J3處于“暫停”位置時，門U13A輸出1，門U4A關閉，封鎖CLK信號，計數器暫停計數；當J3處于“連續”位置時，門U14A輸出1，門U4A打開，放行CLK信號，計數器在CLK作用下，繼續累計計數。當定時時間到時，BO2

11、=0，門U10A關閉，封鎖CLK信號，計數器保持零狀態不變。從而實現了當暫停/連續開關處于暫停狀態時，控制電路封鎖計數脈沖，計數器停止計數，顯示原來的數，而且保持不變；當暫停/連續開關處于連續狀態時，計數器正常計數，的功能要求。注意，BO2是脈沖信號，只有在CPD保持為低電平才能保持不變。(5) 顯示模塊電路顯示模塊用來顯示計時模塊輸出的即時計時和中途計時結果。是由七段數碼管構成，直接將兩片74LS192的QA、QB、QC、QD接到譯碼管的A、B、C、D端，即可對數字進行顯示。七段數碼管如圖11所示。 圖11 顯示譯碼電路(6) 光報警模塊當計數器遞減計數到零 ( 即定時時間到 ) 時 , 控

12、制電路應發出報警信號 , 使計數器保持零狀態不變 , 同時報警電路工作。如圖12所示。當芯片1和2輸出為低電平時，發光二極管工作，發出光電報警。BO1和BO2分別為兩片74LS192的BO輸出端。 BO2BO1 圖12 光報警電路4、 性能的測試（1）直流電源電路仿真直流穩壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩壓電路四部分組成，其原理框圖如圖13所示。圖13 直流穩壓電源穩壓電源輸出直流可調電壓6V<u0<15V，最大負載電流100mA左右；驅動負載120<RL<240。最大電壓和最大電流如圖14所示。圖14 直流電壓電流由圖可知，穩壓電源輸出電壓電流的最大值滿足參數要求。

13、(2) 秒脈沖信號發生電路的仿真 將秒信號發生器接到示波器上，如圖15所示。觀察輸出波形，如圖16所示。 圖15 秒脈沖信號發生器仿真 圖16 秒脈沖信號的波形圖由圖可知，555定時器的定時時間為0.1s，經過74LS161十分頻后，74LS192的時鐘信號即為1s，符合要求。(3) 30秒置數仿真測試啟動J1（按鍵A閉合）（低電平）成置數功能 , LD置為低電平出現30秒字樣 ; 斷開J1（高電平），LD置為高電平，計數器開始進行遞減計數，如圖17所示。圖17 30秒置數仿真測試(4) 暫停/繼續仿真測試當暫停/繼續開關J3（空格鍵）處于暫停位置時，控制電路封鎖計數脈沖計數器停止計數，顯示原

14、來的數，而且保持不變，如圖18所示；當暫停/繼續關J3處于連續位置時，計數器正常計數如圖19所示。當電路處于暫停/計數狀態時，開關J1、J2皆斷開。圖18 暫停仿真測試圖19 連續仿真測試(5) 報警電路的仿真當計數器計到狀態“00”時，高位片的借位輸出端BO產生低電平借位脈沖信號，由此導通發光二極管產生光報警信號。如圖20所示。此時電路處于計數狀態時，開關J1、J2皆斷開。圖20 報警電路的仿真(6) 清零仿真測試啟動J2（按鍵B閉合），使兩片74LS194處于清零狀態，數碼管顯示零狀態。如圖21所示。圖21 清零狀態五、 結論根據實驗結果，本設計方案基本完成了設計的要求，總的來說該方案是十

15、分可行的，電路結構簡單，條理清晰，結果符合要求。但是由于產生的脈沖信號不易保持以及產生的秒脈沖信號不夠穩定和精確的原因還存在著報警時間過短和計數時間不夠精確的缺陷，可以通過用分頻電路來代替555信號發生器來產生穩定的秒脈沖計時信號，來進一步改善電路計時的準確性；對產生的借位脈沖信號時間過短的原因可以用展寬電路把脈沖擴展到足夠寬，使發光二極管持續發光。六、 性價比 綜合各種因素來看，該方案所設計的電路比較經濟實惠。雖然由于該電路中的元氣件價格低廉但電路的總體性能比較穩定，效果很好，由此可見該方案的性價比還是很高的，若把該方案所設計的電路做成實物圖完全可以應用到籃球比賽中。七、 課設體會及合理化建

16、議經過一段時間的查找資料和思考問題，最終把設計方案設計出來了。其中在查找資料的過程中收獲頗豐，在這個過程中使我學會了如何查找文獻資料并運用到自己的方案中去。經過一番深思熟慮后設計出比較實用的電路圖，然后用仿真軟件進行仿真。在仿真的過程中發現了一些問題，并通過自己的努力最終解決了出現的各種問題，在這解決問題的過程中使我學到了許多以前不太了解的知識，同時也培養了思考問題的習慣，經過一番奮斗后，仿真的結果符合設計要求。在連接實物圖的過程中須得步步為營，若是一著不慎連錯了后果是很嚴重的，不好檢查線路，因此連線時須的小心再小心。經過最后的努力，終于把實物圖所產生的結果與仿真一致。課程設計需要的是活學活用

17、所涉及的知識。在本次的課程設計中通過自己選題，找材料，分析、設計等，也掌一些軟件的操作方法，這為以后的學習做了鋪墊。整個設計實現了從單一的理論學習到解決實際問題的轉變。通過本次的課程設計，我最大的收獲就是提高了自身的動手能力，培養了我的尋求解決問題的能力和團隊精神也增強了我其它方面的能力。在設計中，我充分應用我們所學的知識，例如：集成電路74LS系列、三極管、二極管、整定時器555等元件的應用。這次實踐使我受益匪淺，在摸索該如何設計電路使之實現所需功能的過程中，特別有趣，培養了我的設計思維，增強了我的實際操作能力。在讓我體會到設計電路艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。這次設計所用的的工

18、具是Multisim 10.0.1,由于之前接觸過類似的軟件，所以畫圖和仿真就比較方便，使設計的質量得到了保證。本次課程設計提高了我的綜合動手能力和工程設計能力，它使我的理論知識得到了綜合應用，培養我綜合運用所學理論的能力和解決較復雜的實際問題的能力。 最終，在自己的不懈努力和老師同學的幫助下我的課程設計終于完成了，課設中充滿了歡笑與淚水，為一小塊的成功而高興，為一時的困難而傷心，但整個過程是快樂的，因為我在過程中得到了鍛煉，動手動腦的能力得到了加強，學到了許多書本上學不到的知識，使我深刻體會了“一分耕耘一分收獲”的道理，總之我在課程設計中學到了許多真是一言難盡。在這里我謝謝老師和同學們的幫助，謝謝大家。參考文獻1. 劉修文主編.是用電子電路設計制作.【M】北京：中國電力出版社，20052. 朱定華主編.電子電路測試與實驗.【M】北京：清華大學出版社，20043. 路勇主編.電子電路實驗及仿真.【M】北京：北京交通大學出版社，20044. 康華光，電子技術基礎（數字部分），高等教育出版社，北京20005. 余孟嘗，數字電子技術基礎簡明教程（第三版），高等教育出版社，北京2006附錄I 總電路圖附錄II 元器件清單序號編號名稱型號數量1U1,U2 8421BCD碼遞減計數器 74LS192N22U3計數器74LS161N13U9A,U5A,U6A, U7A,U8A非門7