籃球賽計時器設計報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上籃球賽計時器設計1、設計目的綜合運用數(shù)字電子技術相關知識設計具有指定用途的數(shù)字電路，學會由分立器件與集成電路組成電子電路的方法。2、設計任務設計一種籃球賽計時器電路，主要技術指標與要求：（1）籃球比賽上下半場四節(jié)制,每節(jié)12min，要求能隨時暫停,啟動后繼續(xù)計時，一節(jié)比賽結束后應可清零。（2）按籃球比賽規(guī)則,進攻方有24s為倒計時。要求進攻方得到發(fā)球權后，必須在24s內(nèi)完成一次進攻，否則將球權判給對方，因此需要一個具有24s的倒計時功能。（3）“分”、“秒”顯示用LED數(shù)碼管，應配用相應譯碼器。（4）用按鈕開關控制計時器的啟動/暫停。（5）24s計時時間到、每節(jié)結束和

2、全場結束能自動音響提示。3、設計要求（1）合理的設計硬件電路，說明工作原理及設計過程，畫出相關的電路原理圖；（2）選擇常用的電器元件（說明電器元件選擇的過程和依據(jù)）；（3）對設計的電路進行仿真，驗證各性能指標；（4）按照規(guī)范要求，按時提交課程設計報告，并完成答辯。4、參考資料（1）李立主編.電工學實驗指導.北京：高等教育出版社，2005（2）高吉祥主編.電子技術基礎實驗與課程設計.北京:電子工業(yè)出版社，2004（3）謝云等編著.現(xiàn)代電子技術實踐課程指導.北京:機械工業(yè)出版社，2003籃球賽計時器設計報告目錄一 設計任務和要求.(2)1. 設計任務2. 設計要求二 設計方案的選擇與論證.(3)1

3、. 總體的設計思路2. 方案的比較與論證3. 方案可行性分析4. 方案的選擇三 電路設計分析與計算.(7) 1. 主要芯片的功能介紹 2. 秒脈沖發(fā)生器的設計 3. 12分倒計時器的設計 4. 24秒倒計時器的設計5. 譯碼電路和顯示器的設計 6. 節(jié)次電路的設計 7. 報警提示音電路的設計 8. 總體電路的設計四 總結及心得.(20)五 附錄.（22)六 參考文獻.(23)一設計任務和要求1.設計任務 設計一種籃球賽計時器電路，主要技術指標與要求：（1）籃球比賽上下半場四節(jié)制，每節(jié)12min，要求能隨時暫停，啟動后繼續(xù)計時，一節(jié)比賽結束后應可清零。（2）按籃球比賽規(guī)則，進攻方有24s為倒計時

4、。要求進攻方得到發(fā)球權后，必須在24s內(nèi)完成一次進攻，否則將球權判給對方，因此需要一個具有24s的倒計時功能。（3）“分”、“秒”顯示用LED數(shù)碼管，應配用相應譯碼器。（4）用按鈕開關控制計時器的啟動/暫停。（5）24s計時時間到、每節(jié)結束和全場結束能自動音響提示。2設計要求（1）合理的設計硬件電路，說明工作原理及設計過程，畫出相關的電路原理圖；（2）選擇常用的電器元件（說明電器元件選擇的過程和依據(jù)）；（3）對設計的電路進行仿真，驗證各性能指標；（4）按照規(guī)范要求，按時提交課程設計報告，并完成答辯。二設計方案的選擇與論證1.總體的設計思路籃球比賽計時器的主要功能包括： 12分鐘倒計時、進攻方2

5、4秒倒計時計時暫停，重新開啟和結束警報提示。該計時系統(tǒng)由以下五個電路模塊組成：（1）秒脈沖的產(chǎn)生：這部分電路用于產(chǎn)生周期為1秒的脈沖信號，為了截圖方便利用555多諧振蕩器完成，由于555多諧振蕩器不穩(wěn)定，所以實際電路要用晶振產(chǎn)生秒脈沖。（2）12分鐘倒計時：這部分電路完成12分鐘倒計時的功能，比賽準備開始時，屏幕上顯示12：00字樣。當比賽開始時，倒計時從12：00開始逐秒遞減到00：00。這一模塊主要利用雙向計數(shù)器74LS192的減計數(shù)功能來實現(xiàn)。（3）攻方24秒倒計時：這部分電路與12分鐘倒計時功能類似，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

6、模塊主要也是利用雙向計數(shù)器74LS192來實現(xiàn)。（4）節(jié)數(shù)記次：四個LED分別表示四場節(jié)次，根據(jù)比賽場次的轉換，用適當?shù)姆椒ㄊ惯@四個LED依次自動指示四場節(jié)次。（5）警報提示：當兩個計數(shù)器中任一個計時到零時，BO端出現(xiàn)低電平。通過一個非門作用于蜂鳴器，起到報警作用。2.方案的比較與論證（1）方案一系統(tǒng)框圖如圖1所示:報警提示裝置秒脈沖發(fā)生器計數(shù)器計數(shù)器譯碼驅(qū)動譯碼驅(qū)動12分鐘顯示24秒顯示控制電路圖1：方案一的系統(tǒng)框圖工作原理簡述：倒計時功能主要是利用192計數(shù)芯片來實現(xiàn)，同時利用反饋和置數(shù)實現(xiàn)進制的轉換，以適合分和秒的不同需要。由于該系統(tǒng)特殊的需要，到各計時器到零時，通過停止控制電路使計數(shù)器

7、停止計數(shù)并用LED發(fā)出警報。而節(jié)次計數(shù)是通過12分鐘的重置來實現(xiàn)的。接通電源后，場外裁判將計時器開關撥到"置數(shù)"狀態(tài)，鎖存器處于禁止狀態(tài)，計時顯示器顯示12:00和24數(shù)字。主裁判拋球時，計時開始，若雙方有暫?；蚍敢?guī)，裁判暫停計時，此時計數(shù)被鎖存，暫停結束，計數(shù)繼續(xù)。此外，24秒進攻時間到時，報警提示響起，轉而進入下一個24秒進攻階段，每小節(jié)時間結束時，報警同樣響起，節(jié)數(shù)增加一。（2）方案二系統(tǒng)框圖如圖2所示：12分鐘譯碼器12分鐘計數(shù)器比賽時間顯示24秒計數(shù)器24秒譯碼器進攻時間顯示報警喇叭555多諧振蕩器控制電路圖2：方案二的系統(tǒng)框圖工作原理簡述：接通電源后，場外裁判撥

8、到單節(jié)"置數(shù)"狀態(tài)，使的顯示屏上顯示12:00和24的字樣，當主裁拋球，比賽開始，同時計時開始，12分和24秒倒計時，如果在比賽當中有犯規(guī)或其他情況需要暫停，裁判按下“暫?！卑粹o，時間被鎖存器鎖存，等罰完球或者情況處理完后，按下按鈕，24秒清零，計時繼續(xù)。如果在比賽當中出現(xiàn)進攻時間超過24秒。此時警報響起，如果比賽時間少于24秒，則以比賽時間為準，忽略進攻時間。一旦12分鐘計時結束，同樣報警提示。當下一節(jié)比賽開始，比賽節(jié)數(shù)就加一，直到四節(jié)比賽結束。3.方案可行性分析：對于方案一不可行，因為缺少幾個重要的計時器的功能；報警聲電路和提示音電路不能用一個電路實現(xiàn)，報警電路是由蜂鳴

9、器和一個非門組成的，提示音電路是由發(fā)光二極管構成的，至于置數(shù)功能，不能將24秒進攻時間結束后很好的置回到24秒。專心-專注-專業(yè)對于方案二可行，是在方案一的基礎之上進行修改和完善的。實現(xiàn)報警電路和提示音電路分開，以達到各自的工作狀態(tài)；本電路采用的是報警提示音電路，使計數(shù)器的功能更加獨立完善，彼此不會產(chǎn)生干擾。另外，更加具有操作性。4.方案的選擇比較方案一和方案二可以看出，方案二比方案一更加可靠，而且使用到的元器件也都是我們所常用到的一些元件比如：555，CD4511、74LS192以及開關、電容、電阻、各種門電路等一些我們所學過，用過的基本器件；從操作行和可行性上說方案二思路清晰，成品的使用方

10、便等優(yōu)勢；從自身的勢力上來說，方案二略顯復雜一些，但由于本次設計是第一次將數(shù)字電子電和模擬電子運用于實際的電路設計中，我們尚未完全的掌握這2門知識，對電路還不能達到最優(yōu)化的設計，所以綜合各個方面的因素，我選擇了方案二作為本次課題的主要研究對象，本文也將注重介紹方案二的設計方法。但對于方案二而言實際電路要用晶振產(chǎn)生秒脈沖，因為用555多諧振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖不穩(wěn)定，但為了實現(xiàn)仿真截圖所以我使用了555多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖。三 電路設計分析與計算1.主要芯片的功能介紹（1）計數(shù)器74LS192Multisim中計數(shù)器74LS192元件符號如圖3.8.1.1。192的清除端是異步的，當清除端（MR）為

11、高電平時，不管時鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，即可完成清除功能。192 的預置是異步的。當置入控制端（LOAD）為低電平時，不管時鐘CP的狀態(tài)如何，輸出端（Q0Q3）即可預置成與數(shù)據(jù)輸入端（D0D3）相一致的狀態(tài)。192 的計數(shù)是同步的，靠UP、DN同時加在4 個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。在UP、DN作用下Q0Q3 同時變化，從而消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當進行加計數(shù)或減計數(shù)時可分別利用UP或DOWN ，此時另一個時鐘應為高電平。當計數(shù)上溢出時，進位輸出端（CO）輸出一個低電平脈沖，其寬度為UP低電平部分的低電平脈沖；當計數(shù)下溢出時，借位輸出端（BO）輸出一個低電平脈沖，其寬度為DOWN低電平

12、部分的低電平脈沖。當把CO和BO分別連接后一級的DOWN和UP，即可進行級聯(lián)。74ls192的元件符號（2）BCD碼七段譯碼器CD4511如下圖所示，該圖為BCD碼七段譯驅(qū)動器及數(shù)碼顯示器。.A、B、C、D為BCD碼輸入端QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG為譯碼輸出端,輸出 “1”有效,用來驅(qū)動共陰極 LED數(shù)碼管。當有輸入信號輸入時，對應的輸出端輸出高電平“1”，此時數(shù)碼顯示器相對應的端腳接受到信號，從而使對應的燈管亮起，顯示對應的數(shù)字。LT為測試輸入端,=”0”時,譯碼輸出全為”1”。 為消隱輸入端,=”0”時,譯碼輸出全為”0”，即七段顯示器處于消隱狀態(tài)。LE為鎖定端，LE=“1”

13、時譯碼器處于鎖定狀態(tài)，譯碼輸出保持在LE=0時的數(shù)值，LE=0時正常譯碼。CD4511的元件符號CD4511的引腳圖（3）555時鐘芯片如圖所示，555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖器5個部分組成。它的各個引腳功能如下：1腳：GND(或Vss)外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。8腳：VCC(或VDD)外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.516V，CMOS型時基電路VCC的范圍為318V。一般用5V。|3腳：OUT（或Vo）輸出端。2腳：TR低觸發(fā)端。6腳：TH高觸發(fā)端。4腳：R是直接清零端。當R端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH

14、處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：CO(或VC)為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。7腳：D放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。電阻分壓器由三個5k的等值電阻串聯(lián)而成。電阻分壓器為比較器C1、C2提供參考電壓，比較器C1的參考電壓為2/3Vcc，加在同相輸入端，比較器C2的參考電壓為1/3Vcc，加在反相輸入端。比較器由兩個結構相同的集成運放C1、C2組成。高電平觸發(fā)信號加在C1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS觸發(fā)器R端的輸入

15、信號；低電平觸發(fā)信號加在C2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結果作為基本RS觸發(fā)器S端的輸入信號?；綬S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器C1、C2的輸出端控制。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個比較器C1、C2基準電壓分別為2/3Vcc、1/3Vcc。555的元件符(4) D觸發(fā)器芯片D觸發(fā)器工作原理：主從JK觸發(fā)器是在CP脈沖高電平期間接收信號，如果在CP高電平期間輸入端出現(xiàn)干擾信號，那么就有可能使觸發(fā)器產(chǎn)生與邏輯功能表不符合的錯誤狀態(tài)。邊沿觸發(fā)器的電路結構可使觸發(fā)器在CP脈沖有效觸發(fā)沿到來前一瞬間接收信號，在有效觸發(fā)沿到來后產(chǎn)生狀態(tài)轉換，這種電路結構的觸發(fā)器大大提高了抗干擾能力和電路

16、工作的可靠性。下面以維持阻塞D觸發(fā)器為例介紹邊沿觸發(fā)器的工作原理。維持阻塞式邊沿D觸發(fā)器的邏輯圖如圖3所示，邏輯符號如圖4所示，元件符號如圖5所示。該觸發(fā)器由六個與非門組成，其中G1、G2構成基本RS觸發(fā)器，G3、G4組成時鐘控制電路，G5、G6組成數(shù)據(jù)輸入電路。和分別是直接置0和直接置1端，有效電平為低電平。分析工作原理時，設和均為高電平，不影響電路的工作。電路工作過程如下圖3：D觸發(fā)器的邏輯圖圖4：D觸發(fā)器的邏輯符號圖5：D觸發(fā)器的元件符號 CP=0時，與非門G3和G4封鎖，其輸出為1，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。同時，由于至G5和至G6的反饋信號將這兩個門G5、G6打開，因此可接收輸入信號，使=，

17、=。 當CP由0變1時，門G3和G4打開，它們的輸出和的狀態(tài)由G5和G6的輸出狀態(tài)決定。=，=。由基本RS觸發(fā)器的邏輯功能可知，=。 觸發(fā)器翻轉后，在CP=1時輸入信號被封鎖。G3和G4打開后，它們的輸出和的狀態(tài)是互補的，即必定有一個是0，若為0，則經(jīng)G4輸出至G6輸入的反饋線將G6封鎖，即封鎖了D通往基本RS觸發(fā)器的路徑；該反饋線起到了使觸發(fā)器維持在0狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)?狀態(tài)的作用，故該反饋線稱為置0維持線，置1阻塞線。G3為0時，將G4和G5封鎖，D端通往基本RS觸發(fā)器的路徑也被封鎖；G3輸出端至G5反饋線起到使觸發(fā)器維持在1狀態(tài)的作用，稱作置1維持線；G3輸出端至G4輸入的反饋線起到阻

18、止觸發(fā)器置0的作用，稱為置0阻塞線。因此，該觸發(fā)器稱為維持阻塞觸發(fā)器。 由上述分析可知，維持阻塞D觸發(fā)器在CP脈沖的上升沿產(chǎn)生狀態(tài)變化，觸發(fā)器的次態(tài)取決于CP脈沖上升沿前D端的信號，而在上升沿后，輸入D端的信號變化對觸發(fā)器的輸出狀態(tài)沒有影響。如在CP脈沖的上升沿到來前=0，則在CP脈沖的上升沿到來后，觸發(fā)器置0；如在CP脈沖的上升沿到來前=1，則在CP脈沖的上升沿到來后觸發(fā)器置1。維持阻塞觸發(fā)器的邏輯功能表如表1所示。功能00復位11置位表1 觸發(fā)器的邏輯功能表依據(jù)邏輯功能表可得觸發(fā)器的狀態(tài)方程為 ：2.秒脈沖發(fā)生器的設計該部分電路要完成一個功能，也是該設計的驅(qū)動部分：由集成電路定時器555與

19、RC組成的多諧振蕩器作為時間標準信號源，原理圖如圖6所示，Multisim仿真如圖7所示:圖6：555多諧振蕩器圖7:555多諧振蕩器仿真圖用555組成的脈沖產(chǎn)生電路: R1=15*103，R2=68*103，C=10F，則555所產(chǎn)生的脈沖的為：f=1.43/(R1+2*R2)*103*10*10-6=0.947Hz。3.12分倒計時器的設計該部分主要由555定時器、十進制同步加減計數(shù)器74LS192減法計數(shù)電路、CD4511譯碼電路和4個7段數(shù)碼管及相關電路組成。運用2片可逆計數(shù)器74LS192來構成60進制的減計數(shù)器。這個計數(shù)器的低位即個位，不需要搭接任何反饋電路而直接運用74LS192

20、芯片的減計數(shù)功能：時鐘脈沖接到DN端，置數(shù)、清零端無效，即可以實現(xiàn)十進制的倒計時計數(shù)功能。而最低位的計數(shù)變化應當與時鐘脈沖的變化同步。所以，原則上應當將時鐘脈沖直接引到這片192計數(shù)器的減計數(shù)時鐘脈沖輸入端DN。該計數(shù)器的高位即十位，與低位的計數(shù)進制不相同。由于時間的分和秒都是60進制，所以這里的計數(shù)芯片74LS192必須要接成六進制的計數(shù)器。這里，我選用反饋置數(shù)的方法來實現(xiàn)這個功能。置數(shù)時，輸出的數(shù)是與輸入的數(shù)是一樣的，所以我設置的數(shù)是5（二進制0101），這樣，當計數(shù)器從0變到9時，由于進行了異步置數(shù)，9就在瞬間變成了5，計數(shù)輸出的結果就變?yōu)?543210，實現(xiàn)了六進制的功能。12分鐘倒計

21、時分部分。也是運用兩片可逆計數(shù)器74LS192來構成減計數(shù)器。在兩片計數(shù)器的連接上，與秒部分一樣。也是把低位的借位信號作為高位的時鐘脈沖進行連接。而低位計數(shù)器的時鐘脈沖則是用秒部分高位計數(shù)器的借位輸出信號來充當?shù)?。運用以上兩個計數(shù)器組合，就在低位計數(shù)器從0變到9或從0變到5的瞬間，在它的借位輸出端出現(xiàn)一個電平的上升脈沖沿，從而使高位的計數(shù)器倒倒計一個數(shù)，實現(xiàn)倒計時功能，仿真如圖8所示：圖8：12分倒計時器4.24秒倒計時器的設計24秒計數(shù)器的倒計時功能。用兩片74LS192分別做個位（低位）和十位（高位）的倒計時計數(shù)器，由于本設計只需要從開始時的“24”倒計到“00”然后停止，所以可以直接運用

22、十進制的74LS192進行減計數(shù)。因為預置的數(shù)不是“00”，所以我選用置數(shù)端LOAD來進行預置數(shù)。低位的借位端BO輸出低電平用作高位的時鐘脈沖，仿真如圖9所示：圖9：24秒倒計時器5.圖 3-6譯碼電路和顯示器的設計 譯碼電路的功能是將“秒”、“分”計數(shù)器的輸出代碼進行翻譯，變成相應的數(shù)字。用于驅(qū)動LED七段數(shù)碼管的譯碼器常用的有CD4511。CD4511是BCD-7段譯碼器/驅(qū)動器，其輸出是OC門輸出且低電平有效，專用于驅(qū)動LED七段共陰極顯示數(shù)碼管。若將“秒”、“分”計數(shù)器的每位輸出分別接到相應七段譯碼器的輸入端，便可進行不同數(shù)字的顯示。其特點是，具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及

23、驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流，可以直接驅(qū)動LED顯示器。仿真如圖10所示下：圖10:譯碼器和顯示器的設計6.節(jié)次電路的設計將這四個D觸發(fā)器依次命名為D1、D2、D3、D4。四個D觸發(fā)器級連，前一個輸出送入下一個輸入，用一個共同的時鐘脈沖，形成同步動作。為了保證每次輸出只有一位是高電平，用個或門把Q2、Q3進行或運算后，送入或非門與Q1進行運算后送回D1。當電源剛接通、開關不沒有接地，整個計時系統(tǒng)沒有進行工作，Q1-Q4為低電平（0000狀態(tài)），D=1，四個LED都不亮。合上不，接高電平，這樣，當不接通時就有了一個電平的上升沿跳變，Q1=D1=1；1000狀態(tài)，LED1亮，指示第一節(jié)

24、比賽。電路進入循環(huán)狀態(tài)，倒計時電路重置一次，該電路狀態(tài)轉換一次，實現(xiàn)節(jié)次自動指示，仿真如圖11所示：圖11：節(jié)次顯示器7報警提示音電路的設計報警電路和提示音電路，由一個蜂鳴器和一個非門構成，BO端輸出低電平時，經(jīng)非門作用產(chǎn)生高電平作用于蜂鳴器，導致蜂鳴器發(fā)出聲音，起到報警作用。仿真如圖12所示：圖12:報警電路8.總體電路的設計簡要說明：當開關A打到高電平一側時，十二分鐘對應的譯碼顯示器清零，清零后將A打到低電平一側，利用開關B對其進行置數(shù)為十二分鐘，此時，節(jié)次顯示電路對應的第一節(jié)顯示燈亮，再按一次開關B則對第一節(jié)十二分鐘進行倒計時，當?shù)褂嫊r到零的時候，報警電路工作發(fā)出響聲，利用開關B重新對其

25、進行預置數(shù)，此時節(jié)次顯示電路對應的第二節(jié)顯示燈亮，以此類推。當開關D打到高電平一側時，進攻方二十四秒對應的譯碼顯示器清零，清零后將D打到低電平一側，利用開關Space對其進行預置數(shù)為二十四秒，再按一次Space則對其進行倒計時，當?shù)褂嫊r為零時，報警電路會發(fā)出響聲提示，為了對電路有更好的控制，我還設計了利用開關C控制比賽的暫停和繼續(xù)?？傠娐返姆抡嫒鐖D13所示：圖13：總電路仿真圖四總結及心得課程設計需要的是活學活用所涉及的知識。在兩周與小組同學的交流中，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

26、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，在摸索該如何設計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)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(zhì)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(yǎng)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。電子技術發(fā)展呈現(xiàn)出系統(tǒng)集成化，自動化，設計自動化，用戶專業(yè)化和測試智能的優(yōu)勢，作為一個大學生。我們必須時代的發(fā)展，這使我們必須要擴展自己的知識，并利用計算機來輔助分析和設計，這對我們是有益的