籃球30秒計(jì)時(shí)器

1、 摘要 計(jì)時(shí)器在人類生活中有著非常重要而廣泛的應(yīng)用，古時(shí)候人們就開始用沙漏和水漏做定時(shí)工具，隨著科技和社會(huì)的發(fā)展，人們開始用全新的方法來改造計(jì)時(shí)器以達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)時(shí)的目的?；@球競(jìng)賽計(jì)時(shí)器就是一種典型的計(jì)時(shí)器的應(yīng)用。在籃球比賽中規(guī)定球友持球的時(shí)間不能超過30秒，否則就是犯規(guī)。本課程設(shè)計(jì)的“籃球競(jìng)賽30秒計(jì)時(shí)器”，可用于籃球比賽中，用于對(duì)球員持球時(shí)間進(jìn)行30秒限制，一旦球員持球的時(shí)間超過了30秒，它將自動(dòng)報(bào)警從而判定球員的犯規(guī)。 正文1 課程設(shè)計(jì)背景二十一世紀(jì)，人類邁入信息時(shí)代，電子科學(xué)技術(shù)在人們生活中的運(yùn)用越來越普遍。運(yùn)用模電和數(shù)電知識(shí)設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品成為社會(huì)生活不可缺少的一部分，特別是在各種競(jìng)技運(yùn)動(dòng)

2、中，計(jì)時(shí)器成為檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的一個(gè)重要工具?；@球作為一項(xiàng)全民健身項(xiàng)目，已有一定的歷史。在中國(guó)，籃球很盛行，籃球比賽也日趨職業(yè)化。籃球比賽中有一項(xiàng)違例時(shí)間要用倒計(jì)時(shí)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(huì)采用30秒制。有需要就會(huì)有市場(chǎng)，因此設(shè)計(jì)一款30秒計(jì)時(shí)器是非常有必要也非常有前景的。該款計(jì)時(shí)器是在原來的基礎(chǔ)上把24秒制改為30秒制。該計(jì)時(shí)器要有遞減計(jì)時(shí)及報(bào)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(shí)間不能超過30秒，否則就犯規(guī)了。本課程設(shè)計(jì)的“籃球競(jìng)賽30秒計(jì)時(shí)器”，可用于籃球比賽中，用于對(duì)球員持球時(shí)間30秒限制。一旦球員的持球時(shí)間超過了30秒，它自

3、動(dòng)的報(bào)警從而判定此球員的犯規(guī)。 本設(shè)計(jì)是74LS192芯片作為減數(shù)功能的30秒倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器。該計(jì)數(shù)器主要包括555構(gòu)成的震蕩電路，74LS192模塊，數(shù)碼管等模塊單元。經(jīng)測(cè)試，計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)顯示30秒倒計(jì)時(shí)功能，系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計(jì)時(shí)器的直接清零、啟動(dòng)功能，發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)。該設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、使用方便，功能穩(wěn)定多樣，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。2課題設(shè)計(jì)要求（1）具有顯示30S的計(jì)時(shí)功能；（2）設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計(jì)時(shí)器的直接清零、啟動(dòng)和暫停/連續(xù)功能；（3）計(jì)時(shí)器為30S遞減計(jì)時(shí)器，其計(jì)時(shí)間隔為1S；（4）計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，數(shù)碼顯示器不能滅燈，應(yīng)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)3設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo)（1）根據(jù)給

4、出的電路原理圖分析各單元電路的功能；（2）熟悉電路中所用到的各集成塊的管腳及其功能；（3）進(jìn)行電路的安裝、調(diào)試，直到電路能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)；（4）寫出完整、詳細(xì)的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。4課題設(shè)計(jì)框圖秒脈沖發(fā)生器計(jì)數(shù)器譯碼顯示報(bào)警電路控制電路外部操作開關(guān)5電路設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)原理分析設(shè)計(jì)任務(wù)，該系統(tǒng)包括秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路和報(bào)警電路5個(gè)部分構(gòu)成。其中，計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計(jì)數(shù)器完成30秒倒計(jì)時(shí)功能，而控制電路具有直接控制計(jì)數(shù)器的清零，啟動(dòng)和暫停/連續(xù)功能、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報(bào)警等功能。為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)控制電路及控制開關(guān)時(shí)，應(yīng)該正確處理各個(gè)信號(hào)之間的時(shí)

5、序關(guān)系。在操作直接清零時(shí)，要求計(jì)數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器為零。當(dāng)置數(shù)開關(guān)閉合時(shí)，控制電路應(yīng)該封鎖時(shí)鐘信號(hào)CP，同時(shí)計(jì)數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示30s字樣。當(dāng)啟動(dòng)開關(guān)閉合時(shí)，計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)；當(dāng)暫停/連續(xù)開關(guān)斷開計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，處于保持狀態(tài)；當(dāng)暫停/連續(xù)開關(guān)閉合時(shí)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)遞減計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)到零時(shí)（即定時(shí)時(shí)間到），控制電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。5.2設(shè)計(jì)方案 用555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖，即輸出周期為1秒的方波。利用2個(gè)74LS192作為計(jì)數(shù)模塊，最后通過兩個(gè)帶有譯碼功能的數(shù)碼管顯示。6單元模塊6.1脈沖模塊利用555集成電路組成多諧振蕩電路為系統(tǒng)提供時(shí)鐘

6、秒脈沖。555定時(shí)器應(yīng)用為多諧振蕩電路時(shí)，當(dāng)電源接通Vcc通過電阻R1、R2向電容C充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)u上升至2/3Vcc，會(huì)使比較器C1輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓為零，同時(shí)放電管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電；當(dāng)電容電壓下降到1/3Vcc，比較器C2工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖?，C放電終止，Vcc通過R1、R2又開始充電；周而復(fù)始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時(shí)間有關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響 公式計(jì)算： T1=(R1+R2)Cln2; T2=R2Cln2; 振蕩周期T = T1+T2=0.7 ( R1 + 2R2) C =1 (s) 若取C=10F，結(jié)合實(shí)際選取電阻為R1=

7、51K,R2=47K。555多諧振蕩電路圖秒脈沖仿真圖芯片NE555NE555是時(shí)基集成電路，它在應(yīng)用和工作方式上一般可歸納為3類。每類工作方式又有很多個(gè)不同的電路。在實(shí)際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個(gè)單穩(wěn)、多個(gè)雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。下圖是NE555的內(nèi)部功能原理框圖和內(nèi)部管腳圖。NE555內(nèi)部管腳圖6.2計(jì)數(shù)模塊倒計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)原理圖如下圖計(jì)數(shù)電路選用兩片74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)，74LS192是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，有“異步清零”和“異步置數(shù)”功能，且有進(jìn)位和借位輸出端。兩片74LS192構(gòu)成預(yù)置數(shù)的三十進(jìn)制遞減計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器十位接成三進(jìn)制，計(jì)數(shù)器個(gè)位接

8、成十進(jìn)制，置數(shù)端A、B、C、D通過開關(guān)接高低電平，若接高電平可進(jìn)行其他置數(shù)；此計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)為（0011 0000）=（30）10，只有當(dāng)?shù)臀欢税l(fā)出錯(cuò)位脈沖，高位計(jì)數(shù)器才做減計(jì)數(shù)。1片74LS192構(gòu)成1秒減計(jì)數(shù)電路（即個(gè)位）。74LS192的引腳圖和功能表如圖所示。它的計(jì)數(shù)原理是：使加計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)引腳CPu=1，計(jì)數(shù)脈沖加入個(gè)位74LS192引腳CPD腳，當(dāng)減計(jì)數(shù)到零時(shí)，個(gè)位 74LS192的端發(fā)出錯(cuò)位脈沖，使十位計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，當(dāng)高、低位計(jì)數(shù)器處于全零時(shí)，在芯片74LS04和74LS03的作用下鎖住不在計(jì)時(shí)。倒計(jì)時(shí)模塊設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)原理如下：（1）電阻 74LS192芯片的最大工作電流是34m

9、A,最小電流不定，所以在于“清零”“啟動(dòng)”開關(guān)J1、J2串聯(lián)的電阻不應(yīng)小于147,故我選取常見的1k電阻。（2）開關(guān)J1 開關(guān)J1的作用是置數(shù)和啟動(dòng)，當(dāng)開關(guān)撥向VCC端，芯片開始減數(shù)；撥向接地端，芯片預(yù)置數(shù)。（3）開關(guān)J2 開關(guān)J2的作用是異步清零，當(dāng)開關(guān)撥向VCC端芯片異步清零；當(dāng)開關(guān)撥向接地端，芯片處于減數(shù)狀態(tài)。（4）開關(guān)J3 開關(guān)J3的作用是暫停和連續(xù)，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)暫停，開關(guān)閉合時(shí)連續(xù)。（5）00狀態(tài)的保持 當(dāng)計(jì)數(shù)器減至00時(shí)在下一脈沖的到來后十位片的錯(cuò)位點(diǎn)發(fā)出借位信號(hào)，借位信號(hào)為低電平0,0信號(hào)與脈沖信號(hào)相與非（由74lS03實(shí)現(xiàn)），結(jié)果輸出高電平1，后經(jīng)取反（由74LS04實(shí)現(xiàn)）得到

10、低電平0，此時(shí)無論脈沖輸入什么，得到的輸出都是0信號(hào)，芯片無法繼續(xù)減數(shù)。 圖4-4 74LS192管腳圖74LS192各個(gè)管腳功能如下：（1） 15、1、10、9管腳（P0P3）:并行數(shù)據(jù)輸入端（2） 13管腳（TCD）:借位輸出端（低電平有效）（3） 12管腳（TCu）：進(jìn)位輸出端（低電平有效）（4） 4管腳CPD: 減法計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端（5） 5管腳CPU：法計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端（6） 14管腳MR：異步清零端（低電平計(jì)數(shù) 高電平清零）（7） 11管腳 PL：異步并行置入控制端（8） 3、2、6、7 管腳：Q0Q3輸出端（9） 8、16管腳：接地端和接VCC端74LS192功能表 輸入 輸出 CR

11、 LD CPU CPDD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 X X X X X X X O 0 0 0 0 0 X X d c b a d c b a 0 1 1 1 X X X X 保持 0 1 1 X X X X 加計(jì)數(shù) 0 1 1 X X X X 減計(jì)數(shù) 表中CR是清零端，LD是置數(shù)端，CPU是加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD是減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，D3D2D1D0DO都是計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)輸入端，Q3Q2Q1Q0都是數(shù)據(jù)輸出端，另外，C0是非同步進(jìn)位輸出端，BO是非同步借位端輸出端。 74LS04管腳圖AY0110 74LS04功能表6.3譯碼顯示模塊此模塊主要借助multisim中特有的

12、一種數(shù)碼顯示管，該數(shù)碼顯示管區(qū)別于普通七段數(shù)碼管，它本身具備譯碼功能，因此可以在我們進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)省去譯碼電路，若要實(shí)際搭建本課程設(shè)計(jì)的電路，我們需加入相應(yīng)的譯碼電路（相關(guān)譯碼器可選用如74ls47,74ls48,74ls247,74ls248等），下面給出選用74ls48譯碼器的相關(guān)引腳資料和譯碼器電路圖。74LS48是七段顯示譯碼器，其管腳圖如所示?，F(xiàn)將各管腳功能介紹如下： （1）A、B、C、D是BCD碼的輸入端。（2）a,b,c,d,e,f,g是輸出端。 （3）試燈輸入端：低電平有效。當(dāng)0時(shí)，數(shù)碼管的七段應(yīng)全亮，與輸入的譯碼信號(hào)無關(guān)。本輸入端用于測(cè)試數(shù)碼管的好壞。 （4）動(dòng)態(tài)滅零輸入端：

13、低電平有效。當(dāng)1、0、且譯碼輸入為0時(shí)，該位輸出不顯示，即0字被熄滅；當(dāng)譯碼輸入不全為0時(shí)，該位正常顯示。本輸入端用于消隱無效的0。如數(shù)據(jù)0034.50可顯示為34.5。（5）滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅零輸出端：這是一個(gè)特殊的端鈕，有時(shí)用作輸入，有時(shí)用作輸出。當(dāng)作為輸入使用，且0時(shí)，數(shù)碼管七段全滅，與譯碼輸入無關(guān)。當(dāng)作為輸出使用時(shí)，受控于和：當(dāng)1且0時(shí)，0；其它情況下1。本端鈕主要用于顯示多位數(shù)字時(shí)，多個(gè)譯碼器之間的連接。本設(shè)計(jì)將、都置高電平。 74LS48管腳圖 顯示原理圖共陰數(shù)碼管選用限流電阻的原理：LED一直工作在最大額定值。所以正向電流IF最大額定值（一般是30mA）。根據(jù)常識(shí)我們可以知道，電流

14、大，LED發(fā)光強(qiáng)，但消耗的功率大。電流小，LED發(fā)光小，消耗的功率小。通常電路用LED是做指示用途，電路的總體功耗要控制，不能都消耗在指示燈上，當(dāng)然還要考慮電源的功率要滿足后面電路功耗的要求，并且最好要有富裕。所以這個(gè)LED的正向電流我們選取20mA，正向壓降為3.3V。限流電阻可以根據(jù)下式計(jì)算： 限流電阻=（電源電壓-LED正向穩(wěn)壓電壓）/要求的工作電流選取IF=20mA，VF=3.3V，電源電壓Vcc=5V:限流電阻=（5V-3.3V）/20mA=85歐姆 通常取個(gè)好一點(diǎn)的值（也就是相近阻值的電阻），R=100。在進(jìn)行本課程設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以在multisim軟件上進(jìn)行仿真，因此我們可以選擇

15、自帶譯碼功能的理想數(shù)碼管簡(jiǎn)化電路從而得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真數(shù)碼管顯示電路如下理想數(shù)碼管仿真電路6.4報(bào)警模塊電路當(dāng)計(jì)時(shí)器遞減計(jì)時(shí)到零時(shí)，數(shù)碼顯示器不滅燈，同時(shí)發(fā)出光電報(bào)警信號(hào)等。完成報(bào)警功能在進(jìn)行multisim仿真的時(shí)候應(yīng)該給發(fā)光二極管加一個(gè)限流電阻。電路如圖所示。光電報(bào)警電路6.5控制電路控制電路是30S倒計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)的核心，電路如圖2-6(a)(b)(c)所示。圖（a）中，用2與非門組成基本RS觸發(fā)器，開關(guān)sw1控制計(jì)數(shù)器的置數(shù)，當(dāng)SW1閉合時(shí)觸發(fā)器直低電平，送至74LS192的LD端和UP端，計(jì)數(shù)器的LD=0，計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)，反之，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)處于技術(shù)工作狀態(tài)。 圖(b)開關(guān)SW2控制計(jì)數(shù)器的暫停

16、/計(jì)數(shù)。74LS11輸出接74LS192（2）的DWN端。當(dāng)SW2下合時(shí)，觸發(fā)器輸出低電平，與十位74LS192（1）的13腳BO端輸出的高電平和555定時(shí)器輸出的時(shí)鐘脈沖一起通過三與門，使得三與門輸出低電平，送至74LS192（2）的4腳DWN端，令計(jì)數(shù)器停止工作。顯示器上保持原來的數(shù)不變，當(dāng)SW2合上時(shí)，74LS11門電路打開，脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器的減脈沖輸入端，計(jì)數(shù)器繼續(xù)累計(jì)計(jì)數(shù)。圖（C）中，開SW3控制計(jì)數(shù)器清零，SW3=”1”（合下）時(shí)，接高電平輸出，送至74LS192集成電路CLR端，計(jì)數(shù)器清零，反之，正常計(jì)數(shù)。 7總結(jié)本設(shè)計(jì)包括秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼與顯示電路、報(bào)警電路和控制電路（輔助時(shí)序控制電路）等五個(gè)部分組成。計(jì)時(shí)電路遞減計(jì)時(shí)，每隔1秒鐘，計(jì)時(shí)器減1其中計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計(jì)數(shù)器完成30秒計(jì)時(shí)功能，而控制電路完成計(jì)數(shù)器的直接清零、啟動(dòng)計(jì)數(shù)器、暫停/連續(xù)計(jì)數(shù)、定時(shí)時(shí)間到報(bào)