籃球競賽24秒計時器設計-

1、數(shù)字電子技術課程設計 數(shù)字電子技術課程設計說明書 籃球競賽24秒計時器設計 系 、 部：電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 職稱 講師 專 業(yè)：電氣 班 級：電氣 完成時間： 2012-6-6 設計題目籃球比賽24秒倒計時器的設計課程論文要 求設計制作一個籃球競賽計時系統(tǒng)，具有進攻方24秒倒計時功能，具體設計要求如下：1、具有顯示 24s 倒計時功能：用兩個共陰數(shù)碼管顯示，其計時間隔為1s。2、分別設置啟動鍵和暫停/繼續(xù)鍵，控制兩個計時器的直接啟動計數(shù)，暫停/繼續(xù)計數(shù)功能。3、設置復位鍵：按復位鍵可隨時返回初始狀態(tài)，即進攻方計時器返回到24s。 4、計時器遞減計數(shù)到“00”時，計時器跳

2、回“24”停止工作，并給出聲音和發(fā)光提示，即直流振蕩器發(fā)出聲響和發(fā)光二極管發(fā)光。 前 言電子課程設計是電子技術學習中非常重要的一個環(huán)節(jié)，是將理論知識和實踐能力相統(tǒng)一的一個環(huán)節(jié)，是真正鍛煉學生能力的一個環(huán)節(jié)。 在許多領域中計時器均得到普遍應用，諸如在體育比賽，定時報警器、游戲中的倒時器，交通信號燈、紅綠燈、行人燈、交通纖毫控制機、還可以用來做為各種藥丸，藥片，膠囊在指定時間提醒用藥等等，由此可見計時器在現(xiàn)代社會是何其重要的?；@球作為一項全民健身項目，已有一定的歷史。在中國，籃球很盛行，籃球比賽也日趨職業(yè)化?；@球比賽中有一項違例時間要用倒計時器，目前多數(shù)采用的是24秒制。有需要就會有市場，因此設計

3、一款24秒計時器是非常有必要也非常有前景的。該計時器要有遞減計時及報警功能。因此符合比賽中違例判罰的需要。 在NBA比賽中，規(guī)定了球員的持球時間不能超過24秒，否則就犯規(guī)了。本課程設計的“籃球競賽24秒計時器”，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間24秒限制。一旦球員的持球時間超過了24秒，它自動的報警從而判定此球員的犯規(guī)。 本設計主要能完成：顯示24秒倒計時功能；系統(tǒng)設置外部操作開關，控制計時器的直接清零、啟動和暫停/連續(xù)功能；計時器為24秒遞減計時其計時間隔為1秒；計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不滅燈，同時發(fā)出光電報警信號等。 整個電路的設計借助于proteus仿真軟件和數(shù)字邏輯電路相關

4、理論知識，并在proteus下設計和進行仿真，得到了預期的結果。 目錄第1章電路方案的選擇及電路框圖 51.1 設計方案51.2 電路框圖5第2章 設計思路及其工作原理的介紹62.1 設計思路62.2 基本原理6第3章 單元電路的設計83.1 24進制計數(shù)器的設計83.2 數(shù)碼顯示電路的設計93.3 秒脈沖的設計113.4 控制開關電路的設計133.5 報警電路的設計133.6 整機工作原理14第4章 電路仿真154.1計時預備階段.154.2計時階段 164.3暫停連續(xù)功能的實現(xiàn)174.4電路報警18第5章 安裝及調(diào)試步驟19第6章 故障分析與電路改進206.1故障的分析和解決206.2電路

5、的改進.20結束語21參考文獻22附錄1 籃球競賽24秒計時器總電路原理圖23附錄2 元器件清單24第1章 電路方案的選擇及電路框圖1.1 設計方案方案一：采用計數(shù)器74LS192作為核心部分。同時選擇74LS48作為BCD碼譯碼器來對7段數(shù)碼顯示管進行譯碼驅動，兩個七段數(shù)碼顯示管進行顯示。采用555計時器制成的多諧振蕩器，進行秒脈沖的輸入。因為我們需要對其進行暫停、清零、報警等控制，所以我們使用了兩個開關來控制計數(shù)器的各功能的實現(xiàn)，從而實現(xiàn)各種功能。方案二：采用單片機AT89S51作為核心部分，編寫程序。用74LS48和7段數(shù)碼顯示管組成顯示電路。采用三個開關控制啟動、暫停、清零、報警從而實

6、現(xiàn)各種功能。在兩個方案中，單片機價格比較貴，編寫程序繁瑣，原理說明性不夠強，在考慮到用低成本都能完成同樣的效果的前提下以及此次做的是數(shù)字電子技術課程設計，因緊貼數(shù)字電子技術的相關知識，所以在本次設計采用方案一。1.2 電路框圖 24秒倒計時計時器的方案框圖如圖1-1所示。它是由秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、報警電路和控制電路等五個部分組成。其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成24秒計時功能，控制電路完成計數(shù)器的直接清零、啟動計數(shù)、暫停/連續(xù)計數(shù)功能，譯碼顯示電路完成數(shù)字顯示功能，報警電路產(chǎn)生光電報警功能。秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生時鐘脈沖信號，這個信號作為電路的定時標準，其電路可采用5

7、55集成電路或由TTL與非門組成的多諧振蕩其構成。控制電路計數(shù)器報警電路譯碼顯示秒脈沖發(fā)生器圖1-1 24秒計時器系統(tǒng)設計框圖控制電路手動置數(shù)計數(shù)器，譯碼顯示電路出現(xiàn)顯示，秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生秒脈沖刺激計數(shù)器遞減，隨之譯碼顯示電路遞減。暫停/連續(xù)時，控制電路控制秒脈沖發(fā)生器暫停/連續(xù)秒第2章 設計思路及其工作原理的介紹2.1設計思路  本課程設計是脈沖數(shù)字電路的簡單應用，設計了籃球競賽24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(xù)以及具有光電報警功能，同時應用了七段數(shù)碼管來顯示時間。此計時器有了啟動、暫停和連續(xù)功能，可以方便地實現(xiàn)斷點計時功能，當計時器遞減到零時，會發(fā)出光

8、電報警信號。本設計完成的中途計時功能，實現(xiàn)了在許多的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實用價值。  籃球競賽記時系統(tǒng)的主要功能包括：進攻方24秒倒計時和計時結束警報提示。攻方24秒倒計時，當比賽準備開始時，屏幕上顯示24秒字樣，當比賽開始后，倒計時從24逐秒倒數(shù)到00。這一模塊主要是利用雙向計數(shù)器74LS192來實現(xiàn)；警報提示：當計數(shù)器計時到零時，給出提示音。這部分電路主要通過移位寄存器和一些門電路來實現(xiàn)。  此計時器的設計采用模塊化結構，主要由以下3個組成，即計時模塊、控制模塊、以及譯碼顯示模塊。在設計此計時器時，采用模塊化的設計思想，使設計起來更加簡單

9、、方便、快捷。此電路是一時鐘產(chǎn)生，觸發(fā)，倒計時計數(shù)，譯碼顯示、報警為主要功能，在此結構的基礎上，構造主體電路和輔助電路兩個部分。2.2基本原理 24秒計時器的總體參考方案框圖如圖1所示。它包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、報警電路和輔助時序控制電路（簡稱控制電路）等五個模塊組成。其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。計數(shù)器完成24秒計時功能，而控制電路完成計數(shù)器的直接清零、啟動計數(shù)、暫停/連續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈、定時時間到報警等功能。  秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的信號是電路的時鐘脈沖和定時標準，但本設計對此信號要求并不太高，故電路可采用555集成電路或由TTL與非

10、門組成的多諧振蕩器構成。  譯碼顯示電路由74LS48和共陰極七段LED顯示器組成。報警電路在實驗中可用發(fā)光二極管和鳴蜂器代替。                主體電路： 24秒倒計時。24秒計數(shù)芯片的置數(shù)端清零端共用一個開關，比賽開始后，24秒的置數(shù)端無效，24秒的倒數(shù)計時器的倒數(shù)計時器開始進行倒計時，逐秒倒計到零。選取“00”這個狀態(tài)，通過組合邏輯電路給出截斷信號，讓該信號與時鐘脈沖在與門中將時鐘截斷，使計時器在計數(shù)到零時

11、停住。第3章 單元電路的設計3.1 24進制計數(shù)器的設計計數(shù)器選用集成電路74LS192進行設計較為簡便，74LS192是十進制可編程同步加法計數(shù)器，它采用8421碼十進制編碼，并具有直接清零、置數(shù)、加減計數(shù)功能。圖3-1是74LS192引腳排列。圖中CU、CD分別是加計數(shù)、減計數(shù)的時鐘脈沖輸入端（上升沿有效）。PL是異步并行置數(shù)控制端（低電平有效），TCU和TCD是進位、借位輸出端（低電平有效），MR是異步清零端，P3-P0是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q3-Q0是輸出端。圖3-1 74LS192的引腳排列74LS192的功能表見表3-1所示。表 3-1 74LS192功能表輸入輸出MRCUCDP0P1

12、P2P3Q0Q1Q2Q31×××××××000000××abcdabcd011××××加計數(shù)011××××減計數(shù)當PL=1，MR=0時，若時鐘脈沖加到端CU，且CD =1則計數(shù)器在預置數(shù)的基礎上完成加計數(shù)功能，當加計數(shù)到9時，TCU端發(fā)出進位下跳變脈沖；若時鐘脈沖加到CD端，且CU=1，則計數(shù)器在預置數(shù)的基礎上完成減計數(shù)功能，當減計數(shù)到0時，TCD 端發(fā)出借位下跳變脈沖。由74LS192構成的二十四進制遞減計數(shù)器如下圖3-2所

13、示。圖3-2 8421BCD二十四遞減計數(shù)器 其預置數(shù)為N=（00100100）= (24)10。在CD端的輸入時鐘脈沖作用下，開始遞減。只有當?shù)臀?TCD 端發(fā)出借位脈沖時 , 高位計數(shù)器才作減計數(shù)。當高、低位計數(shù)器處于全零 , 完成一個計數(shù)周期，然后手動置數(shù)PL=0, 計數(shù)器完成置數(shù) ,再次進入下一循環(huán)減計數(shù)。3.2 數(shù)碼顯示電路的設計根據(jù)設計的要求采用74LS48譯碼器來驅動共陰極數(shù)碼顯示管。74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管驅動器，常用在各種數(shù)字電路和系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。74LS48和共陰極七段LED顯示器如圖3-3連接。這樣連接74LS48可直接驅動共陰極LED數(shù)碼管而不需像CC4

14、511外接限流電阻。圖3-3 顯示電路74LS48輸入信號為BCD碼，輸出端為a、b、c、d、e、f、g共7線，另有3條控制線。為測試端，低電平有效，當=0時，無論輸入端A、B、C、D為何值，ag輸出全為高電平，使7段顯示器件顯示“8”字型，此功能用于測試器件。為滅零輸入端,低電平有效。在=1， =0，且譯碼輸入為0時，該位輸出不顯示，即0字被熄滅。但當譯碼輸入不全為0時，仍能正常譯碼輸出，使顯示器正常顯示。BIRBI是一個特殊的端口，有時作用于輸入，有時作用于輸出，在這里不多做介紹。74LS48功能表見表3-2。輸入輸出字形數(shù)字A B C DBI/RBOa b c d e f g012345

15、678911111111111XXXXXXXXX0 0 0 01 0 0 00 1 0 01 1 0 00 0 1 01 0 1 00 1 1 01 1 1 00 0 0 11 0 0 111111111111 1 1 1 1 1 01 1 0 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 11 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 10123456789消隱脈沖消隱燈測試X10X0XXXXX0 0 0 0XXXX0010 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0

16、0 01 1 1 1 1 1 18表3-2 74LS48的功能表七短數(shù)碼管的引腳圖如圖3-4所示，在使用時要注意是共陽還是共陰，其中3腳和8腳相連為公共端，因為此次設計是使用的共陰極數(shù)碼管，所以在電路中接地，6腳為小數(shù)點引腳，在設計中沒要求不需要對其處理。圖3-4 七短數(shù)碼顯示管的引腳圖3.3 秒脈沖的設計根據(jù)設計要求，電路需要產(chǎn)生間隔為一秒的時間脈沖，完成正確的計數(shù)功能。所以選擇NE555定時器來設計此電路。從而產(chǎn)生標準的秒脈沖。NE555定時器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結構，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個適當?shù)淖枞菰?，就可以構成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多

17、諧振蕩器等脈沖信號產(chǎn)生與變換電路。它在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應用。引腳功能： TH：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端， CVO：控制電壓端，OUT：輸出端。DIS：放電端，RES：復位端。工作原理見表3-3表3-3 555定時器控制功能表輸 入輸 出THRESOUTDIS××LL導通<VCC<VCCHH截止 <VCC>Error! No bookmark name given.VCCH不變不變>VCC×HL導通用555集成電路組成多諧振蕩電路

18、為系統(tǒng)提供脈沖，如圖3-5 所示。R1、R2和C1為外接定時元件，高、低電平觸發(fā)輸入端項鏈并接到定時電容C1上，R1和R2的節(jié)點與放電端相連，電壓控制端不用，通常接0.01uF電容C2。接通電源后，VCC通過R1，R2對C1充電，DIS上升。開始時DIS<VCC，即高電平觸發(fā)端TH<VCC，低電平觸發(fā)<VCC，定時器置位，放電管截止。隨后DIS越充越高，當DIS>VCC，高電平觸發(fā)端TH>VCC，低電平觸發(fā)端>VCC，定時器復位，放電管飽和導通，C1通過R5放電，DIS下降。當DIS<VCC時，又回到高電平觸發(fā)端TH<VCC，定時器又置位，放電管

19、截止，C1停止放電而重新充電。如此反復，形成振蕩波形提供脈沖。公式：Tw1=0.7 (R2 +R5) C1 Tw2=0.7R2 C1振蕩周期計算公式：T=0.7 (R2 +2R5) C11s圖 3-53.4 控制開關電路的設計在本次設計中需實現(xiàn)計數(shù)器的暫停、復位和啟動控制，為了簡單，我們只需用一個開關來控制啟動和復位功能。啟動復位開關和74192的11腳相連即可。在這里，主要介紹暫停/連續(xù)開關的設計，因為555產(chǎn)生秒脈沖全靠給C1充放電產(chǎn)生，所以只需中斷C1的充放電即可，所以在C1的另一端用一個開關控制接地，這就形成了暫停/連續(xù)開關。3.5 報警電路的設計 根據(jù)設計要求，要產(chǎn)生光電報警，我們采

20、用5個或門組成一個選擇電路，一個發(fā)光二極管產(chǎn)生光亮，一個蜂鳴器發(fā)出報警。如圖3-6所示圖 3-6報警電路設計或門OR1的輸入與高位74LS192的低兩位輸出端相連，OR2、OR3與低位74LS192輸出端相連。當輸出端全部為低電平時OR5的輸出才為低電平，此時導通發(fā)光二極管和蜂鳴器，產(chǎn)生光電報警信號。3.6 整機工作原理籃球競賽24秒計時器主要是由秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路和報警電路組成。控制電路直接控制計數(shù)器啟動計數(shù)、暫停/連續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示等功能。由附錄1可見圖中有SW2和SW3兩個開關，SW2為置數(shù)，SW3為暫停。SW2閉合，74LS192被置數(shù)，顯示電路出現(xiàn)

21、數(shù)字24。完成置數(shù)后斷開SW2，啟動計時。若此時秒脈沖電路的SW3為斷開，則產(chǎn)生連續(xù)秒脈信號輸入到計數(shù)器，數(shù)碼管上的數(shù)字就會自動減1，閉合SW3，秒脈沖暫停，計數(shù)遞減暫停，斷開SW3又恢復計數(shù)遞減，這就實現(xiàn)了暫停/連續(xù)功能。在計數(shù)遞減的同時，74LS192的8個輸出端也隨之產(chǎn)生高低電平變化來控制報警電路5個或門的高低電平的變化。由附錄1可見，5個或門的排列必須當74LS192的8個輸出全為低電平時，換而言之，就是計數(shù)到零時，或門最后一個輸出的才是低電平，從而觸發(fā)發(fā)光二極管和蜂鳴器，產(chǎn)生亮光和警報聲，達到了光電報警的。第4章 電路仿真本次設計采用的是protues軟件仿真，它是一種功能強大的電子

22、設計自動化軟件，提供智能原理圖設計系統(tǒng)、SPICE模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真系統(tǒng)和PCB設計系統(tǒng)功能。其不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的電路分析實驗、模擬電子線路實驗、數(shù)字電路實驗等，而且可以仿真嵌入式系統(tǒng)的實驗。Proteus提供了大量的元件庫 v拜拜吧，有RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。在編譯方面，它也支持Keil和MPLAB等多種編譯器?，F(xiàn)在我們用Proteus進行仿真，仿真結果如下4.1.計時預備階段如圖4-1圖 4-1 計時預備階段閉合SW2，斷開SW3啟動仿真軟件，此時74LS192開始工作，高位74LS192輸入0010，低

23、位74LS192輸入0100，通過74LS48譯碼，數(shù)碼管顯示出了24秒的字樣，進入計時預備階段。4.2.計時階段如圖4-2圖 4-2 計時階段 斷開SW2進入計時階段，由555產(chǎn)生秒脈沖，從Q端傳送到低位74LS192的DN端。個位數(shù)碼管從4開始遞減，當個位遞減0時又通過低位74LS192的TCD端傳送到高位74LS192的DN端，十位的數(shù)字減1。如此周而復始的循環(huán)形成倒計時。4.3.暫停連續(xù)功能的實現(xiàn)如圖4-3圖 4-3 暫停/連續(xù)功能實現(xiàn)在計時階段中，由SW3來控制暫停/連續(xù),閉合SW3，555秒脈沖暫停，低位74LS192停止工作，數(shù)碼管遞減停止，反之又閉合SW3,555秒脈沖繼續(xù)進行

24、，低位74LS192繼續(xù)工作，數(shù)碼管重新開始遞減，又進入計時。4.4.電路報警如圖4-4圖 4-4 電路報警計數(shù)到零時高位和低位74LS192的八個輸出端為低電平，傳輸?shù)交蜷T組成的選擇電路。因為全部為低電平所以或門的最后輸出為低電平，于是LED燈、蜂鳴器導通，產(chǎn)生光電報警信號第5章 安裝及調(diào)試步驟5.1.按照PCB板的規(guī)格，設定好各集成芯片的排放位置、測試各芯片是否與面板接觸良好。5.2.用異步可逆雙時鐘BCD計數(shù)器74LS192及相關門實現(xiàn)定時倒計時電路。5.3.當檢測出問題后分析其原因，是元器件本身原因還是接線錯誤，更換元件或重新正確接線，保證電路的正確運行。5.4.確定個元器件是否能正常

25、工作。 5.4.整體綜合連接，測試整體性能。第6章 故障分析與電路改進6.1 故障的分析和解決在實際連線過程中，出現(xiàn)故障幾乎是不可避免的。其中接線錯誤就是第一個一個難以避免的困難。另外一個讓人頭疼的原因是實驗板與芯片接觸不良，導致形成軟型故障，難以準確找出故障點。最后，我個人認為還有一個細節(jié)也不能忽視，就是實物圖和電腦仿真上的芯片接法并不完全一樣，電腦仿真上的芯片許多管腳已經(jīng)默認接地或接電源了，這些我們在實物圖上就必須實際地接上，否則就會得到錯誤的結果。在查找故障時，首先要有耐心和細心。同時要開動腦筋，進行認真的分析和判斷。在不通電的情況下，通過目測，對照電路原理圖和裝配圖，檢查每一塊片是否正

26、確，極性有無接反，管腳有無損壞，連線有無接錯（包括漏錯線、短路和）通電后，通過類比法，高低電平比較法等方法逐一找出故障點。6.2 電路的改進 盡管用本電路圖所焊接出來的電路板能實現(xiàn)功能，而且電路也很穩(wěn)定。這也是對本電路的肯定。但從使用的過程中，其實還是有值得改進的地方。比如當數(shù)碼管顯示到“00”時，能亮燈，那應該是更完美的。但是本電路只有在從“00”轉到“24”是才能亮燈及報警，也就是說報警器慢了1秒鐘報警。實際的電路改進：可以先在兩個74LS192的輸出端接上接二個四輸入端與非門。并且接到觸發(fā)器的輸入端，這樣能實現(xiàn)當數(shù)碼管顯示到“00”時，LED發(fā)光且鳴蜂器發(fā)出聲音，實現(xiàn)報警功能。但是，這樣的代價就是使電路更加的復雜，所帶來的工作量也隨之增大。結束語在此次課程設計中，我們將課本理論知識與實際應用聯(lián)系起來。按照書本上的知識和老師講授的方法，首先和同學一起分析研究此次電路設計任務和