下棋定时钟设计 -毕业设计

下棋定时钟设计
学生：XX 指导教师：XX
内容摘要：下棋定时钟设计是在下棋比赛过程中，两人下棋时对双方的每一步行棋时间设定一个倒计时。

本设计采用CD4060分频实现秒脉冲，可逆十进制计数器74LS192实现倒计时，LED数码管显示剩余时间。

此设计应用十分广泛，可用于下棋比赛或者是平常的对羿中限定时间等。

经过小小的改动，此设计还可用于其它倒计时，例如：篮球比赛中的24秒进攻倒计时，交通灯电路的设计等。

本设计还有很多优点，如结构简单，制作成本低，便于空闲时个人制作。

关键词：下棋分频倒计时 LED显示
Chess set clock design
Abstract: The timing design of playing chess is that when two people play chess in playing chess competition process, a time countdown is set up to the both sides to limit the time of each foot. The design uses the CD4060 to divide frequency to gain the second of pulse, reversible decimal system counter 74LS192 to realize the countdown of time, and the LED numerical code to demonstrate the remaining time. The application of this design is very broad, it may be used to play chess prescribing a time limit to wait among competition or two people’s game in the usual time. By a little changing, this design may be used in other time countdown, for instance: Countdown 24 seconds in basketball attacking game, circuital design of traffic light and so on. The design still having many merits, for example, its structure is simple and the cost is low, and it is fit to personal making in spare time very well.
Keywords: Play chess Frequency division Time countdown LED display
目录
前言.................................................................................................................. 错误!未定义书签。

1 下棋倒计时系统设计介绍 ..................................................................... 错误!未定义书签。

2 下棋倒计时整体电路设计 ..................................................................... 错误!未定义书签。

2.1 选手按键部分的设计................................................................... 错误!未定义书签。

2.1.1 RS触发器的特点............................................................. 错误!未定义书签。

2.1.2 按键部分的实现................................................................. 错误!未定义书签。

2.2 秒脉冲的设计................................................................................ 错误!未定义书签。

2.2.1 4060的特点 ...................................................................... 错误!未定义书签。

2.2.2 4013的功能 ...................................................................... 错误!未定义书签。

2.3 倒计时的设计................................................................................ 错误!未定义书签。

2.3.2 秒倒计时的实现................................................................. 错误!未定义书签。

2.4 显示部分的设计 ........................................................................... 错误!未定义书签。

2.4.1 数码管的选择..................................................................... 错误!未定义书签。

2.4.2 显示部分的实现................................................................. 错误!未定义书签。

2.5 报警部分........................................................................................ 错误!未定义书签。

2.5.1 蜂鸣器工作原理................................................................. 错误!未定义书签。

2.5.2 报警电路的实现................................................................... 错误!未定义书签。

2.6 电源部分电路设计....................................................................... 错误!未定义书签。

3 设计总电路图 ............................................................................................ 错误!未定义书签。

4 方案局部仿真.......................................................................................... 错误!未定义书签。

4.1 按键部分........................................................................................ 错误!未定义书签。

4.2 秒脉冲部分.................................................................................... 错误!未定义书签。

4.3 倒计时部分.................................................................................... 错误!未定义书签。

4.4 显示时部分.................................................................................... 错误!未定义书签。

5 元件清单..................................................................................................... 错误!未定义书签。

6 结束语....................................................................................................... 错误!未定义书签。

参考文献......................................................................................................... 错误!未定义书签。

下棋定时钟设计
前言
为使用方便，下棋定时钟总体上只设计了两个按键，一个拨动开关和两个拨码开关，拨动开关用于开始或暂停，两个按键用于选手，以上每个器件配备一个指示灯，哪位选手按键的指示灯亮就表示对这位选手进行倒计时，开始开关指示亮表示开始，未亮则表示暂停，拨码开关用于设定倒计时时间。

过程说明：下棋倒计时器通电后，所有指示灯熄灭，用拨码开关进行倒计时时间设定，拨动开关导通后，开始指示灯亮，可进行倒计时，甲乙中某方首先出棋，如甲方出棋后按下其按键，则乙的指示灯亮（甲的指示灯不亮），且同时对乙进行倒计时，乙方必须在倒计时结束前行棋并按下其对应的按键，此时甲的指示灯亮，对甲进行倒计时，如此循环，某一方在设定时间内未行完棋的，即未在倒计时到零前按下选手键的，蜂鸣器将报警。

主要技术指标：
▲应用数字电路设计一个下棋定时数字钟；
▲限定时间为0～60秒；
▲两人使用，停止本方计时，启动对方计时；
▲超时报警；
▲功耗低，体积小，重量轻，交直流两用。

1 下棋倒计时整体电路设计
按照系统设计的要求，系统由6个模块组成：电源、秒脉冲、倒计时、选手操作、倒计时显示、超时报警。

电源部分主要提供较稳定的5V直流电源；选手操作部分是要实现停止本方计时，启动对方计时；秒脉冲部分是要实现1Hz的脉冲信号，为倒计时部分提供信号源，下棋倒计时系统结构图如图2-1所示。

图2-1 下棋倒计时系统结构框图
1.1 选手案件部分的设计
按键部分要求甲方按下其按键时，乙的指示灯亮，甲的指示灯不亮；乙方按下其按键时，甲的指示灯亮，乙的指示灯不亮。

因此可以采用RS 触发器对电路进行转换，具体设计如下： 1.1.1 RS 触发器的特定
基本 RS 触发器具有置“ 0 ” 和置“1” 的功能，这种功能是由触发信号决定的。

RS 触发器的真值表如图1.1.1-1，它由两个或非门组成，为高电平触发，此设计采用的是由四或门CMOS 器件CD4001组成RS 触发器[1]。

图1.1.1-1 触发器真值表
1.1.2案件部分的实现
如图1.1.2-1连接按键部分后，当按键A 被按下时，Q 端输出高电平B 方指示灯亮，Q 端输出低电平，A 方指示灯不亮；当按键B 按下时，Q 端输出低电平B 方指示灯不亮，Q 端输出高电平，A 方指示灯亮。

从而可以实现停止本方计时，启动对方计时的要求。

图中限流电阻
R 31 和R 32阻值参数计算如下[2]：
门电路输入信号为高电平，输出为低电平，故有：
D
OL
F CC I V V U R --=
(1.1.2-1)
（其中D I 为LED 的电流，F V 为LED 的正向压降，OL V 为门电路的典型输出低电平电压）
由于D I =5mA ，F V =2.2V ，CC U =5V ，OL V =0.5V ，所以可得：
mA
V
.V .V R 540225--=
＝480Ω (1.1.2-2)
可取常用值470Ω。

下拉电阻R33和R34是为了保证门电路没有悬空状态，阻值选择1kΩ。

图1.1.2-1 按键部分的设计
1.2 秒脉冲的设计
脉冲源是倒计时器的心脏，它能自动不停地产生脉冲信号，以供计时之用，其的稳定性和准确性对计时器起着至关重要的作用。

由于整个电路需要1Hz的脉冲，采用将32768Hz的晶振用CD4060进行14级分频，分频后可得到2Hz的脉冲，再用4013进行一次分频，就可得到1Hz的脉冲。

1.2.1 4060的特点
CD4060在数字集成电路中可实现的分频次数较高，而且CD4060还包含振荡电路所需的非门，使用更为方便。

CD4060计数为14级2进制计数器，可以将32768Hz的信号分频为2Hz，图4的电路为常用的石英振荡电路，外接小容量电容和石英晶体与内部电路形成振荡，振荡
22，……142的频率，C b用于微调频频率有很高的稳定度和精度，Q5~Q14输出的是分别除以56
率。

图1.2.1-1 CD4060常用电路图
1.2.2 13的功能
用双D触发器4013构成T＇触发器，实现二分频。

1.2.3 秒脉冲的实现
由CD4060和4013组成的秒脉冲部分电路如图5，设计中C
4选取15pF的瓷介电容，C
5
选
30pF的微调电容。

秒脉冲部分总电路如图1.2.3-1所示。

图1.2.3-1 秒脉冲部分总电路图
在4013的信号输出端和两块74LS192计数脉冲进入端之间加入一个拨动开关S3（见总电路图），作为开始或暂停键使用。

再加入发光二极管做指示灯，为保证其正常工作，采用与按键指示灯相同的接法，电阻采用同样大小的470Ω。

1.3 倒计时的设计
要实现倒计时，除了秒脉冲之外，还需要倒计时计数器，此处可采用74LS192实现，因为74LS192是异步置数，同步可逆十进制计数器，且输出为BCD码。

1.3.1 74LS192的特点
选用74LS192是因为要求一开始显示的值为0～60秒中预选的数，而74LS192是可以预置的，其功能简介如下：
▲ CR是异步清零端，且高电平有效；
▲LD是并行置数端，低电平有效，且在CR＝0时有效；
▲ CP
U 和CP
L
是两个时钟脉冲，当CP
L
＝1时，时钟脉冲由CP
U
端接入，并且CR＝0，LD
＝1时，74LS192处于加计数状态；当CP
L ＝1脉冲从CP
D
端输入，且CP
L
＝CP
U
=1时，计数器
处于保持状态。

当CP
L ＝1脉冲从CP
D
端输入，且CR＝0，LD＝1计数器处于减计数状态。

▲CO是非同步进位输出端，BO是非同步借位输出端。

74LS192的视图及管脚简介如图1.3.1-1，其真值表如1.3.1-1。

图1.3.1-1 74LS192引脚图
表1.3.1-1 74LS192的真值表
输入输出 CR CP L CP D D3 D2 D1 D0 Q3Q2 Q1Q0
1 ××××××× 0 0 0 0
0 0 ×× d c b a d c b a
0 1 1 1 ××××加计数
0 1 1 1 ××××减计数
1.3.2 秒倒计时的实现
电路设计：由于一个74LS192只能实现十以内进制的倒计时，要实现0～60进制都可进行的倒计时，必须由两个74LS192组成可以实现0～99进制的倒计时器。

具体设计如图1.3.2-1。

图2.3.2-1 由两个74LS192组成99进制倒计时
1.4倒计时过程描述
▲在甲选手按键按下前，乙选手两个74LS192的CR＝0，LD＝0，CP L和CP D为任意值时为置数状态，两个74LS192输出数据为预先设定的0～60中的数；甲选手按键按下后对甲方两个74LS192置数，乙方两个74LS192的LD＝1，CR＝0，LD＝CP L＝1，CP接高电平，计数脉冲由减计数端CP D输入，进行减计数。

▲减计数时，计个位数的74LS192计数到0时借位输出端BO输出低电平，输入到计十位数的74LS192，计十位数的74LS192计数减少一位。

▲若乙方按下按键，则又对甲方倒计时；当某方两个74LS192的数据都减少到0时，选手还未按下按键，计十位数的74LS192的BO端就会发出低电平驱动蜂鸣器发出鸣叫声。

▲控制置数部分由两个拨码开关控制。

1.4.1 显示部分的设计
由于倒计数部分输出的是BCD码，采用74LS48译码，译码之后可直接用共阴极的数码管显示。

1.4.2 74LS48的特点
74LS48是较常用的译码器，它能将BCD码转换为和七段数码管相对应的信号输出，其译码对应表如表1.4.2-1所示。

表1.4.2-1 译码器74LS48的功能表
1.4.3 数码管的选择
七段LED数码显示管由8个发光二极管组成，通常构成字形“日”。

各段光二极管由74LS48驱动，74LS48控制二极管导通，则相应的一个笔画或一个点就发光，由此就能显示出对应字符。

通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端。

将各段发光二极管阳极连在一起的叫共阳极显示器，用低电平驱动；将阴极连在一起的叫共阴极显示器，用高电平驱动。

此处选用常用的发红光共阴极数码管BS202 [5]。

1.4.4 显示部分的实现
将74LS48和共阴极数码管用电阻连接就可实现译码显示，电阻阻值选取与按键发光二极管相同的470Ω,选取显示部分电路如图2.4.3-1所示。

图2.4.3-1 显示部分电路
1.5 报警部分
报警控制电路使用电磁式蜂鸣器发出报警声，用三极管的开关、放大作用对蜂鸣器发出的声音进行控制。

1.5.1 蜂鸣器工作原理
电磁式蜂鸣器内部的线圈（音圈）在通电之后产生的磁场与喇叭磁铁所产生的永久磁场相互作用,于是线圈振动从而带动与其黏结在一起的振膜振动而发出声音。

电磁式蜂鸣器的线圈与膜片并不是黏结在一起,而且线圈是固定不能移动[6]。

1.5.2 报警电路的实现
当某放选手的限时到00时，计十位的74LS192的BO端发出借位信号（低电平），该信号先通过一个非门，再通过一个限流电阻（通常选择1kΩ）与8050三极管的基极相连接。

通过三极管的电压发生变化时，三极管将工作于饱和状态。

从而使压电蜂鸣器发出声音。

电路图如图1.5.2-1所示。

图1.5.2-1 报警工作电路
1.6 电源部分电路设计
本设计中多使用TTL74系列（电源电压范围+4.75V ～+5.25V ）和C4000系列（电源电压
范围+3V ～+12V ）的器件，可见这两种系列的电压要求都是可用5V 的直流电，因此可采用常用的集成直流稳压电源。

稳压器选用7805，整流部分采用常用的二极管桥式整流，二极管选用1N4001，变压器的参数以及滤波电容的电容值计算如下：
1.6.1 变压器的参数计算[7]：
▲ 保证稳压器在电网电量低时仍处于稳压状态，要求：
min O i max O i )U U (U U -+≥ (1.6.1-1)
式中，min )(O i U U -是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V 。

按一般电源指标的要求，当输入交流电压220V 变化±10%时，电源应稳压。

所以稳压电路的最低输入电压：
90./])U U (U [U min O i max O i -+≈ (1.6.1-2)
由于5≈max o U V ，所以有V 89.89.0/]V 3V 5[=+≈i U ，取值9V 。

▲ 另一方面，为保证稳压器安全工作，要求：
max O i min O i )U U (U U -+≤ (1.6.1-3)
式中max )(O i U U -是稳压器的最大输入输出压差，典型值为35V ，可见9V 在所需范围内。

▲ 由于50.I I max i i =≥A ，以变压器副边P ≥4.5W ，变压器的效率η＝0.7，则原边功
率P ≥6W ，由以上分析可见，输出电压为9V ，输出电流1A ，功率为9W 的变压器。

▲ 滤波电容C 要求满足：
3（=C R L ～2
5T
） （1.6.1-4）
（式中T 为输入交流信号周期；R L 为整流滤波电路的等效负载电路）
因此有()30001800253~U I T ~C max i max i ≈⨯≈µF （1.6.1-5）
选取C 1=2200µF ，接入电容C 2（0.33µF ）用于在输入线较长时抵消其电感效应，以仿产生自激振荡；C 3（0.1µF ）用于消除电路的高频噪声，改善负载瞬态效应[8]。

为便于随处可使用该器件，制作干电池提供电源的设计，具体设计如图1.6-1所示。

TF1
S4SW-SPST
～220V
图1.6-1 电源部分电路图
2 设计总电路
图2-1 设计总电路3 局部PCB板
图3-1 按键部分PCB版
图3-2 秒脉冲部分PCB板
4 元件清单
编号元件名称规格数量
1 变压器DS18B20 1
2 集成稳压器7805 1
3 串行计数器CD4060 1
4 双D触发器4013 1
5 可逆计数器74LS192 4
6 译码器74LS48 4
7 七段数码数码管REDCC 4
8 四或非门CD4001 1
9 保险丝FUSE 1
10 晶振32768Hz 1
11 电磁蜂鸣器BUZZER 1
12 三极管8050 1
13 二极管1N4001 7
14 发光二极管LED 3
15 拨码开关DIP-4 2
16 按钮开关SW-PB 2
17 拨动开关SW-SPST 2
18 碳膜电阻470Ω31
19 100Ω 1
20 1kΩ 4
21 1MΩ 1
22 电解电容2200μF 1
23 瓷介电容0.33μF 1
24 0.1μF 1
25 15pF 1
26 可调电容30pF 1
5 结束语
我在这一次下棋定时器设计中，收获了许多，每走一步都是新的尝试和挑战，这也是在大学期间独立完成的项目之一，我开始了独立的学习和实验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一次又一次的完善起来，每一次改进都是我学习的收获，虽然我的论文作品还不算完善，但我可以自豪的说，这里面的一切一切，都是我自己劳动学习的收获，我相信其中的酸甜苦辣最终会化为甜美的甘泉，这次做论文的经历也使我终生受益，我感受到做论文是要真真正正的用心去做一件事情，是真正自己学习
的过程和研究的过程，希望这次的经历能让我在以后的学习中激励我继续进步，在我十几年的求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成学业，怀一颗感恩的心，在以后的奋斗路上。

最后，我要特别感谢XX老师，是他在我的本次设计给了我巨大的帮助，使我能够顺利完成这次设计，在此衷心的感激，老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论都使我受益匪浅。

无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，感谢他耐心的辅导，帮助我解决了很多问题，使这个论文更加完善，这里我表示非常真诚的感谢。

附录1:交流电源部份
附录2:直流电源部分
附录3:按键部分
附录4:秒脉冲部分。