數(shù)電籃球秒倒計時器課程設計

1、長春工業(yè)大學 課 程 設 計（說明書）籃球競賽30秒計時器設計設計項目： 班級 / 學號： 學 生 姓 名: 指 導 教 師: 設 計 日 期：目錄一 論證.21.1 設計原理1.2 設計方案1.3 各分電路功能分析 計數(shù)器電路 脈沖發(fā)生電路 譯碼顯示電路1.3.4 控制電路1.4 仿真原理圖二 課程設計總結.三 參考文獻.附錄電子技術課程設計任務書題目：具有數(shù)字顯示的籃球競賽30S計時器1任務要求設計一個籃球競賽30S進攻時間限制計時器。2性能指標要求：  （1）工作時間可在130S內任意設定。（2）30S計時器是遞減計時器，間隔為1S。能用LED數(shù)碼管顯示剩余工作時間，

2、還能顯示到1/10秒。即當計時開始時顯示出所設定的總時間，每當計時10個1/10S，顯示器的數(shù)字立即減1。(3）減1計時到7S時，發(fā)出三聲低音預告信號。(4) 減1計時到零時(工作時間到)，發(fā)出三聲高聲，并自動停止計時。(5) 具有暫停/繼續(xù)工作、清零復位和啟動計時功能。3設計與測試按任務要求，設計電路，計算參數(shù)，選擇元器件。根據(jù)所設計電路原理圖，選擇所需元器件連接電路，并按照調試步驟進行調試。4. 成果要求(1)課程設計說明書一本。要求：內容完整，圖表完備，字跡工整，條理清晰，分析有據(jù)。(2)所用元器件清單(3)電路實體和仿真。要求：電路必須有仿真結果（可利用Multisim進行電路仿真分析

3、），該電路實體必須是自己安裝調試通過并達到性能指標要求的電路實體。參考器件：兩片74LS192、74LS00，叁片74LS48，一片555、74LS04、CC40161，共陰LED顯示器3塊，電阻、蜂鳴器、發(fā)光二極管等5答辯 在規(guī)定時間內，完成敘述并回答問題。 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、還可以用來做時間提醒設備等等，由此可見計時器在現(xiàn)代社會是何其重要的。籃球作為一項全民健身項目

4、，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，但隨著籃球制度的改革將會采用30秒制。有需要就會有市場，因此設計一款30秒計時器是非常有必要也非常有前景的。該款計時器是在原來的基礎上把24秒制改為30秒制。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。 在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時間不能超過30秒，否則就犯規(guī)了。本課程設計的“籃球競賽30秒計時器”，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間30秒限制。一旦球員的持球時間超過了30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30秒倒計時功

5、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；在直接清零時，數(shù)碼管顯示器全部顯示為“0”；計時器為30秒遞減計時其計時間隔為0.1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Multisim 10.0.1仿真軟件和數(shù)字邏輯電路相關理論知識，并在Multisim 10.0.1下設計和進行仿真，得到了預期的結果。 一 電路設計原理與設計電路1.1 設計原理我們可以用555時基電路構成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為10Hz的脈沖，即輸出周期為0.1秒的方波脈沖，將該方波脈沖信號送到計數(shù)器74LS192的CP減計數(shù)脈沖端,再通過譯碼器74

6、LS48把輸入的8421BCD碼經(jīng)過內部作和電路“翻譯”成七段（a，b，c，d，e，f，g）輸出，顯示十進制數(shù)，然后在適當?shù)奈恢迷O置開關或控制電路即可實現(xiàn)計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能。1.2 設計方案經(jīng)過初步的設計，可以確定該系統(tǒng)應包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、輔助時序控制電路(簡稱控制電路)和報警電路等5個部分構成。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30s計時功能，而控制電路具有直接控制計數(shù)器的啟動計數(shù)、暫停、連續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈功能以及工作時間的調節(jié)。為了滿足系統(tǒng)的設計要求，在設計控制電路時，應正確處理

7、各個信號之間的時序關系。在操作直接清零開關時，要求計數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器顯示零。當啟動開關閉合時，控制電路應封鎖時鐘信號CP，同時計數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示30s字樣；當啟動開關斷開時，計數(shù)器開始計數(shù)；當按下十位調節(jié)開關時，計數(shù)器加1；當按下個位調節(jié)開關時，計數(shù)器同樣加1；當暫停、連續(xù)開關撥在暫停位置上時，計數(shù)器停止計數(shù)，處于保持狀態(tài)；當暫停、連續(xù)開關撥在連續(xù)時，計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù)。系統(tǒng)設計框圖如圖1.1所示。脈沖發(fā)生器計數(shù)器計數(shù)器十位顯示個位顯示1/10位顯示譯碼器譯碼器譯碼器計數(shù)器報警電路控制電路圖1.1系統(tǒng)設計框圖在此，提出兩種方案，主要是針對脈沖發(fā)生電路。方案一是采用555構

8、成的多諧振蕩電路（即脈沖產(chǎn)生電路），其電路原理圖如圖.。另一種方案是用555構成的多諧振蕩器直接產(chǎn)生頻率為10Hz的秒脈沖，原理圖如圖.5。相比較之下方案一的秒脈沖會穩(wěn)定些，但因為電路加入了74LS161用于異步清零法分頻而使電路變得復雜許多，而本次課設都是采用軟件仿真的方式來驗證最后結果的，因此不會存在因為元器件的誤差而使結果受到影響的情況，因此沒有必要用復雜的電路來替代簡單電路就可以完成的功能的電路。所以本次課設采用第二種方案來產(chǎn)生10Hz的秒脈沖。圖.2方案一的秒脈沖發(fā)生電路.3 各分電路功能分析 脈沖發(fā)生電路555定時器555定時器主要是通過外接電阻R和電容器C構成充、放電電路,并由兩

9、個比較器來檢測電容器上的電壓,以確定輸出電平的高低和放電開關管的通斷。這就很方便地構成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路、以及多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器等脈沖波形產(chǎn)生和整形電路。圖2.2是NE555的內部功能原理框圖和內部管腳圖圖1.3 555管腳圖用555定時器構成多諧振蕩器用555定時器構成多諧振蕩器電路如圖2.3(a)所示。電路沒有穩(wěn)態(tài),只有兩個暫穩(wěn)態(tài),也不需要外加觸發(fā)信號,利用電源VCC通過R1和R2向電容器C充電,使uC逐漸升高,升到2VCC/3時,uO跳變到低電平,放電端D導通,這時,電容器C通過電阻R2和D端放電,使uC下降,降到VCC/3時,uO跳變到高電平,D端截止,電源

10、VCC又通過R1和R2向電容器C充電。如此循環(huán),振蕩不停, 電容器C在VCC/3和2VCC/3之間充電和放電,輸出連續(xù)的矩形脈沖,其波形如圖2.3(b)所示。8 476 555 321 5R1R2ucC+VCCuo0.01µFtuo0tw2tw1tuc0T（a）5555555（b）圖1.4 555構成的振蕩電路及即波形輸出信號uO的脈寬tW1、tW2、周期T的計算公式如下:tW10.7(R1R2)CtW20.7R2CTtW1tW20.7(R12R2)C根據(jù)要求，該系統(tǒng)中要使555構成的多諧振蕩電路產(chǎn)生10Hz的脈沖，因此我們可以令R1= 51k，R2= 49k，C= 970nF，得到

11、周期T=0.70.101s，即按照圖2.4連接的電路就可以產(chǎn)生10Hz的方波脈沖。圖1.5 555定時器構成的多系振蕩電路1.3.2 計數(shù)器電路計數(shù)器是一個用以實現(xiàn)計數(shù)功能的時序邏輯部件，它不僅可以用來對脈沖進行計數(shù)，還常用做數(shù)字系統(tǒng)的定時、分頻和執(zhí)行數(shù)字運算以及其他特定的邏輯功能。本次課程設計中選用74LS192來實現(xiàn)要求的減法計數(shù)功能。圖2.5是74LS192的管腳圖。圖1.6 74LS192管腳圖74LS192具有下述功能： 異步清零：MR=1，Q3Q2Q1Q0=0000 。（此功能可實現(xiàn)計數(shù)器的清零）異步置數(shù)：MR=0， =0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0 。保持： MR=0，=

12、1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原態(tài)加計數(shù)：CR=0, =1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法規(guī)律計數(shù)減計數(shù)：CR=0, =1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按減法規(guī)律計數(shù)按照課程設計任務書要求，需要計時30s，并且顯示到0.1s，因此該設計中需要用到一個三進制的減法計數(shù)器和兩個十進制的減法計數(shù)器。我們可以用三片74LS192來實現(xiàn)這三個計數(shù)器。計數(shù)模塊中的三片計數(shù)器的加計數(shù)器脈沖輸入端都要接高電平，且要將低位片的借位信號加到高位片的減計數(shù)脈沖輸入端。高位片計數(shù)器的借位信號控制報警信號，在進行減計數(shù)時，借位信號一直為高。30秒倒計時計數(shù)電路可以按照圖2

13、.6連接。圖1.7 30秒倒計時器的計數(shù)電路 譯碼顯示電路本次設計中我們用發(fā)光二極管（LED）組成字型來來顯示數(shù)字。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管，因此也稱LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。因為計算機輸出的是BCD碼，要想在數(shù)碼管上顯示十進制數(shù)，就必須先把BCD碼轉換成 7 段字型數(shù)碼管所要求的代碼。我們把能夠將計算機輸出的BCD碼換成 7 段字型代碼，并使數(shù)碼管顯示出十進制數(shù)的電路稱為“七段字型譯碼器”因此在本次的設計中我們采用了常用的74LS48。圖2.7是74LS48的外部管腳圖圖1.8 74LS48管腳圖七段顯示譯碼器輸出高電平有效，用以驅動共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設有多個

14、輔助控制端，以增強器件的功能。 它有3個輔助控制端LT、RBI、BI/RBO,現(xiàn)簡要說明如下： 滅燈輸入BI/RBO BI/RBO是特殊控制端，有時作為輸入，有時作為輸出。當BI/RBO作輸入使用且BI0時，無論其它輸入端是什么電平，所有各段輸入ag均為0，所以字形熄滅。 試燈輸入LT 當LT0時，BI/RBO是輸出端，且RBO1，此時無論其它輸入端是什么狀態(tài)，所有各段輸出ag均為1,顯示字形8。該輸入端常用于檢查7488本身及顯示器的好壞。 動態(tài)滅零輸入RBI當LT1，RBI0且輸入代碼DCBA0000時，各段輸出ag均為低電平，與BCD碼相應的字形0熄滅，故稱“滅零”。利用LT=1與RBI

15、=0可以實現(xiàn)某一位的“消隱”。此時BI/RBO是輸出端，且RBO=0。 動態(tài)滅零輸出RBOBI/RBO作為輸出使用時，受控于LT和RBI。當LT1且RBI0，輸入代碼DCBA=0000時，RBO=0；若LT=0或者LT1且RBI1，則RBO=1。該端主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器之間的連接。 對輸入代碼0000，譯碼條件是：LT和RBI同時等于1，而對其它輸入代碼則僅要求LT1，這時候，譯碼器各段ag輸出的電平是由輸入BCD碼決定的，并且滿足顯示字形的要求。74LS48的功能表如下：74LS48功能表十進數(shù)或功能輸入BI/RBO輸出LTRBID C B Aabcdefg0HH0 0 0 0

16、H11111101Hx0 0 0 1H01100002Hx0 0 1 0H11011013Hx0 0 1 1H11110014Hx0 1 0 0H01100115Hx0 1 0 1H10110116Hx0 1 1 0H00111117Hx0 1 1 1H11100008Hx1 0 0 0H11111119Hx1 0 0 1H111001110Hx1 0 1 0H000110111Hx1 0 1 1H001100112Hx1 1 0 0H010001113Hx1 1 0 1H100101114Hx1 1 1 0H000111115Hx1 1 1 1H0000000BIxxx x x xL0000

17、000RBIHL0 0 0 0L0000000LTLxx x x xH1111111表1.1 74LS48的功能表本次設計的譯碼顯示電路可以按照圖1.9連接電路圖1.9 譯碼顯示電路 控制電路報警電路任務要求在計時器倒計時到7秒時發(fā)出低聲警報，在倒計時到0秒時發(fā)出高聲警報，因次我們可以將192的輸出端按照下圖連接，當192的高位到低位輸出0000 1110 xxxx 時（即倒計時到7秒時）可發(fā)出報警。當計時到0秒時最高位192的借位BO會由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，蜂鳴器導通，這樣就產(chǎn)生了報警信號。因此，按照圖1.10也可以使蜂鳴器發(fā)聲報警。圖1.10 報警電路暫停、置位、清零、十位調整、個位調整控

18、制電路暫停/連續(xù) 可以通過在將借位信號和暫停/連續(xù)控制信號和時序脈沖信號加到一起相與之后作用到1/10位計數(shù)器減計數(shù)脈沖輸入端，即實現(xiàn)計數(shù)器遞減計數(shù)到零時，顯示器不滅燈。連接電路如圖2.10的“暫停”，當開關打到低電平時計時器暫停，當開關打到高電平時計時器正常計時。啟動置位 可通過192的 異步置數(shù)：MR=0 =0時，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0 來使計時器置位啟動。LCAD（即）端的置位功能連接如圖圖1.11。 清零 可以通過192的 異步清零：MR=1時，Q3Q2Q1Q0=0000 來使計時器清零。CLR（即MR）端的清零功能的電路連接如圖圖1.11。十位調整 通過給十位192的加法

19、計數(shù)的UP端產(chǎn)生脈沖來實現(xiàn)十位的加調整。個位調整 通過給個位192的加法計數(shù)的UP端產(chǎn)生脈沖來實現(xiàn)個位的加調整。十位調整、個位調整控制電路圖如圖圖1.11圖1.11 控制電路2.4 仿真原理圖具有數(shù)字顯示的籃球競賽30S計時器的設計主要分為五個模塊：時鐘模塊（即秒脈沖發(fā)生模塊）、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊、輔助時序控制模塊（簡稱控制電路）和報警電路，總體仿真電路如下圖（圖2.11的輸出端連接到 圖2.12 的輸入）。打開仿真軟件Multisim12.0按要求在Multisim12.0里連接好如圖所示的電路后就可以按下F5就可以進行電路仿真了，由于仿真界面的限制，此次課程設計的仿真分為了兩部分完成。

20、脈沖發(fā)生電路（圖1.12）和倒計時的總體電路（圖2.12）。在脈沖發(fā)生電路仿真中我們可以用示波器來觀察產(chǎn)生的脈沖是否為10Hz。而在整體電路的仿真部分用一個10Hz的脈沖源替代了脈沖發(fā)生電路，最后的仿真結果是：計時器可以從30倒計時到0停止，并且在倒計時到7時發(fā)出低聲報警，在倒計時到0時發(fā)出高聲報警。同時也可以通過圖中的開關按鈕來完成時間的調整、置位、清零和暫停。圖1.12 脈沖發(fā)生電路圖2.12 30秒倒計時器整體電路圖小結：該籃球競賽30S計時器的設計主要分為五個模塊：時鐘模塊（即秒脈沖發(fā)生模塊）、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊、輔助時序控制模塊（簡稱控制電路）和報警電路，其中計數(shù)模塊中的三片計數(shù)

21、器的加計數(shù)器脈沖輸入端都要接高電平，且要將低位片的借位信號加到高位片的減計數(shù)脈沖輸入端。高位片計數(shù)器的借位信號控制報警信號，在進行減計數(shù)時，借位信號一直為高，此過程報警信號不工作，當計數(shù)器減計數(shù)到零時，借位信號變?yōu)榈停澍Q器導通，這樣就產(chǎn)生了報警信號。這是該計時器的一個簡單的工作流程。二 課程設計總結 課程設計所需要知識都是基礎性的，本小組同學通過一周的探討與查資料，我認識到合作的重要性。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(xiàn)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(yǎng)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