籃球競賽30秒計時器-數(shù)電課程設計

1、第 頁籃球競賽30秒計時器序言籃球比賽中除了有總時間倒計時外，為了加快比賽的節(jié)奏，新的規(guī)則還要求進攻方在24秒內(nèi)有一次投籃動作，否則視為違例。本人設計了一個籃球比賽計時器，可對比賽總時間和各方每次控球時間計時。該計時器采用按鍵操作、LED顯示，非常實用。此計時器也可作為其他球類比賽的計時器。一、設計要求：130秒計時器具有顯示30秒的計時功能。2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。3計時器為30秒遞減計時時，其計時間隔為1秒。4當計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，應發(fā)出光電報警信號。二、設計方案分析設計任務，該系統(tǒng)包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、輔助

2、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。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)碼顯示器滅燈。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)。另外，外部操作開關都應采取

3、去抖動措施，以防止機械抖動造成電路工作不穩(wěn)定。系統(tǒng)設計框圖如圖下圖所示。三、各個電路的功能分析1、譯碼顯示電路用發(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BBCD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74LS194在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中，都需要將數(shù)字量直觀地顯示出來，一方面供人們直接讀取測量和運算的結果；另一方

4、面用于監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。因此，數(shù)字顯示電路是許多數(shù)字設備不可缺少的部分。數(shù)字顯示電路通常由譯碼器、驅動器和顯示器等部分組成，如圖5.3.5所示。下面對顯示器和譯碼驅動器分別進行介紹。驅動器顯示器A數(shù)碼顯示器是用來顯示數(shù)字、文字或符號的器件，現(xiàn)在已有多種不同類型的產(chǎn)品,廣泛應用于各種數(shù)字設備中，目前數(shù)碼顯示器件正朝著小型、低功耗、平面化方向發(fā)展。數(shù)碼的顯示方式一般有三種：第一種是字形重疊式，它是將不同字符的電極重疊起來，要顯示某字符，只須使相應的電極發(fā)亮即可，如輝光放電管、邊123光顯示管等。第二種是分段式，數(shù)碼是由分布在同一平面上若干段發(fā)光的筆劃組成，如熒光數(shù)碼管等。第三種是點陣式，它由

5、一些按一定規(guī)律排列的可發(fā)光的點陣所組成，利用光點的不同組合便可顯示不同的數(shù)碼，如場致發(fā)光記分牌。D數(shù)電課程設計數(shù)字顯示方式目前以分段式應用最普遍，圖5.3.6表示七段式數(shù)字顯示器利用不2同發(fā)光段組合方式，顯示015等汙拉伯數(shù)字。在實際應用中，1015并環(huán)采用，而是用2位數(shù)字顯示器進行顯示。顯示器按發(fā)光物質不同，數(shù)碼顯示器可分為下列幾類：（1）半導體顯示器，亦稱發(fā)光二極管顯示器；（2）熒光數(shù)字顯示器，如熒光數(shù)碼管、場致發(fā)光數(shù)字板等；（3）液體數(shù)字顯示器，如液晶顯示器、電泳顯示器等；（4）氣體放電顯示器，如輝光數(shù)碼管、等離子體顯示板等。如前所述，分段式數(shù)碼管是利用不同發(fā)光段組合的方式顯示不同數(shù)碼的

6、。因此，為了使數(shù)碼管能將數(shù)碼所代表的數(shù)顯示出來，必須將數(shù)碼經(jīng)譯碼器譯出，然后經(jīng)驅動器點亮對應的段。例如，對于8421碼的0011狀態(tài)，對應的十進制數(shù)為3,則譯碼驅動器應使a、b、c、d、g各段點亮。即對應于某一組數(shù)碼，譯碼器應有確定的幾個輸出端有信號輸出，這是分段式數(shù)碼管電路的主要特點。74LS148LBI3DCB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/RBO234第3頁數(shù)電課程設計第 頁BI/RBO是特殊控制端，有時作為輸入，有時作為輸出。當BI/RB

7、O作輸入使用且BI=0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LT=0時，BI/RBO是輸出端，且RBO=1,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LT=1，RBI=0且輸入代碼DCBA=0000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=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RBO74LS148功能表輸入輸出ST瓦坯瓦石X石1AK1111101111111111110a

8、KKKKKKK0000010KKKK01001010XXXXX011010010XXXX011101101aKKK01111100010A-011111101010s0A-1111111100100111111111101BI/RBO作為輸出使用時，受控于LT和RBI。當LT=1且RBI=0，輸入代碼DCBA=0000時，RBO=0；若LT=0或者LT=1且RBI=1，則RB0=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。從功能表還可看出，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LT=1,這時候，譯碼器各段ag輸出的電平是由輸入BCD碼決定的，

9、并且滿足顯示字形的要求。2、CC40161計數(shù)電路計數(shù)器是一個用以實現(xiàn)計數(shù)功能的時序部件。它不僅可用來計脈沖數(shù)，還常用作數(shù)字系統(tǒng)的定時，分頻和數(shù)字運算的邏輯功能。計數(shù)器種類很多。按材料來分有TTL型及CMOS型，按工作方式來分有同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)制的不同分為二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器和N進制計數(shù)器。根據(jù)計數(shù)的增減趨勢，又分為加法、減法和可逆計數(shù)器。還有可預置數(shù)和可編程功能計數(shù)器等等。常用計數(shù)器見表2-26。經(jīng)查器件手冊可根據(jù)器件不同特點分別選用。表2-26常用計數(shù)器類型TTLCMOS十同遞異步清除7416040160增同步清除74162進步可單時鐘74168,1904510逆雙時

10、鐘7419240192制異二五十進制74196,90步74290四同遞異步清除7416140161位增同步清除74163二可單時鐘74169,1914516進步逆雙時鐘7419340193制異二八十八進制74197,93步74293異二六十二進制74927位二進制4024步12位二進制404014位二進制40601）異步清除：當莎=0時QQQQ=OOOO。01232)同步預置：當CR=1,LD=0時在CP上升沿作用下，QQQQ=DDDD。01230123。計數(shù)：CR=1,LD=1當使能端CT=CT=1時，對CP脈沖實現(xiàn)同步計數(shù)。PT鎖存：當使能端ET=0或ET=0時，計數(shù)器禁止計數(shù)，為鎖存狀態(tài)

11、。PT其外引線排列圖見圖2-47所示，CC40161的功能表詳見表2-27。(3)N進制計數(shù)器構成法采用復位法或置位法通過在片外添加適當邏輯即可實現(xiàn)任意進制計數(shù)器。1）復位法利用清除端CR構成。即當計數(shù)計到N時，例如N=10則QQQQ=1010TOC o 1-5 h z3210（十進制10）時通過反饋邏輯強制計數(shù)器清零，見圖2-48。該電路由于1010狀態(tài)只是瞬間，工作不太可靠，因此很少采用。2）置位法利用預置端LD構成。把計數(shù)器輸入端DDDD全部接地。當計0123數(shù)器計到N1時，例如1001（十進制9時）通過反饋邏輯使LD=0則當?shù)谑畟€CP到來時，計數(shù)器輸出端為QQQQ=0000。這樣可以克

12、服利用清除端CR構成的0123計數(shù)器的缺點。利用預置端LD構成的計數(shù)器見圖2-49?；蛘呃么羞M位輸出CO同步預置補數(shù)的方法實現(xiàn)任意進制計數(shù)器，簡稱CO置補法。CO置補法具有通用性。使DDDD預置M,M=MN，M則指選用計數(shù)器。即預置DDDD=0110即32103210可。在實際應用中，往往需要多片計數(shù)器構成多位計數(shù)狀態(tài)即計數(shù)器的級聯(lián)方法。級聯(lián)可分為串行進位和并行進位兩種。串行進位的級聯(lián)電路其缺點是速度較慢。并行進位（也稱超前進位）。后者比前者的速度大大提高。定時器電路習慣上稱為555電路，這是因為內(nèi)部參考電壓使用了3個5KQ的電阻分壓,故取此名。555電路是一種數(shù)字和模擬混合型的中規(guī)模集成

13、電路,它能產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號，應用十分廣泛。其電路類型有雙極型（TTL型）和單極型（CMOS型）兩大類，二者的電路結構和工作原理類似。TTL型產(chǎn)品型號最后的3位數(shù)碼是555或556；CMOS型產(chǎn)品型號最后4位數(shù)碼是7555或7556；二者的邏輯功能和管腳排列完全相同,易于互換。555芯片和7555芯片是單定時器,556芯片和7556芯片是雙定時器。雙極型的電源電壓VCC=+5V+16V,單極型的電源電壓Vdd=+3V_+18V。它含有3個分壓電阻和兩個高、低電平比較C、C2,一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關管T。高電平比較器C1的同相輸入端參考電平為2VCC/3，低電平比較器C2的反相

14、輸入端的參考電平為Vcc/3,C1與C2的輸出端控制基本RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號自6管腳輸入并超過參考電平2VCC/3時,觸發(fā)器置0，定時器的輸出端3管腳輸出低電平,同時放電開關管導通；當輸入信號自2管腳輸入并低于VCC/3時,觸發(fā)器置1,定時器的3管腳輸出高電平,同時放電開關管截止。R是直接復位端，當R=0,定時器輸出低電平。平時R端開路。DDDvc是外接控制電壓輸入端(5管腳)，當vc外接一個輸入電壓uvc時，則改變比較器的參考電壓(UT+=UVc，Ut-=Uvc/2)；不接外加電壓時，通常接一個0.01pF的電容器到地，起濾波作用，以消除外來干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。T

15、為放電管，當T導通時，將給接于7管腳的電容器提供放電通路。3、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。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2.8.2(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

16、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VCC又通過R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2.8.2(b)所示。數(shù)電課程設計+Vdd數(shù)電課程設計第 頁a)第9頁(b)RiR2uc8465553u21;p0.01|iF_23丁3a)輸出信號UO的脈寬tW1、tW2、周期T的計算公式如下：tW嚴0.7(R+R2)Ctw2=0.7R2CTtwi+tW2O,7(R1+2R2)C用555定時器構成施密特觸發(fā)器：用555定時器構成的施密特觸發(fā)器如圖2.8.3(a)所示。將2管腳和6管腳連

17、在一起作為信號輸入端即可。在輸入端外接三角波片,當ui上升到2VCC/3時，輸出uO從高電平翻轉為低電平;當ui下降到VCC/3時，輸出UO從低電平翻轉為高電平。施密特觸發(fā)器將輸入的三角波整形為矩形波輸出。電路的工作波形如圖2.8.3(b)所示。回差電壓電壓3VCC_tVCC1VCCui如圖所示：用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器：b)1U8447*6555325一LuiRuc+Vcc0.01|iF用555定時器構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖2.8.4(a)所示。R、C是定時元件。輸入脈沖信號ui加于2管腳。輸入觸發(fā)信號片的有效電平是低電平，當ui處于高電平時，放電端D導通,uC和uO均為低電平，電路為

18、穩(wěn)態(tài)。當輸入觸發(fā)信號ui的下降沿到來時刻,2管腳電位瞬間低于VCC/3,使輸出uO變?yōu)楦唠娖?放電端D截止,電源VCC通過電阻R向電容器C充電，使uC按指數(shù)規(guī)律上升,電路為暫穩(wěn)態(tài)。當uC上升到2VCC/3時,使輸出uO變?yōu)榈碗娖?D端導通，電容器C經(jīng)D端迅速放電,暫態(tài)結束,自動恢復到穩(wěn)態(tài),為下一個觸發(fā)脈沖的到來作好準備。波形圖如2.8.4(b)所示a)輸出脈寬tW是暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間為tW=1.1RC此電路要求輸入信號的負脈沖寬度一定要小于tW4、74LS192計數(shù)器計數(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

19、邏輯功能。計數(shù)器的種類很多。按構成計數(shù)器中的各觸發(fā)器是否使用一個時鐘脈沖源來分有：同步計數(shù)器和異步計數(shù)器；根據(jù)計數(shù)進制的不同分為：二進制、十進制和任意進制計數(shù)器；根據(jù)計數(shù)的增減趨勢分為：加法、減法和可逆計數(shù)器；還有可預置數(shù)和可編程功能計數(shù)器等。目前，TTL和CMOS集成計數(shù)器都有較齊全的品種。74LS192具有下述功能：異步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000異步置數(shù)：CR=O,LD=0,Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0保持：CR=0,LD=1,CPu=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原態(tài)加計數(shù)：CR=0,LD=1,CPU=CP,CPD=1,Q3Q2Q1Q0按加法規(guī)律計數(shù)減計數(shù)：CR=

20、0,LD=1,CPU=1,CPD=CP,Q3Q2Q1Q0按減法規(guī)律計數(shù)利用集成計數(shù)器芯片可方便地構成任意（N）進制計數(shù)器。方法：反饋歸零法：是利用計數(shù)器清零端的清零作用，截取計數(shù)過程的某一個中間狀態(tài)控制清零端,使計數(shù)器由此狀態(tài)返回到零重新開始計數(shù)把模數(shù)大的計數(shù)器改成模數(shù)小的計數(shù)器。關鍵是清零信號的選擇與芯片的清零方式有關。異步清零方式以N作為清零信號或反饋識別碼，其有效循環(huán)狀態(tài)為0N-1；同步清零方式以N-1作為反饋識別碼，其有效循環(huán)狀態(tài)為0N-1。還要注意清零端的有效電平，以確定用與門還是與非門來引導。反饋置數(shù)法：是利用具有置數(shù)功能的計數(shù)器，截取從Nb到Na之間的N個有效狀態(tài)構成N進制計數(shù)器

21、。其方法是當計數(shù)器的狀態(tài)循環(huán)到Na時，由Na構成的aa反饋信號提供置數(shù)指令，由于事先將并行置數(shù)數(shù)據(jù)輸入端置成了Nb的狀態(tài)，所以置數(shù)指令到來時，計數(shù)器輸出端被置成Nb，再來計數(shù)脈沖，計數(shù)器在Nb基礎上繼續(xù)計數(shù)直至Na，又進行新一輪置數(shù)、計數(shù)。a關鍵是反饋識別碼的確定與芯片的置數(shù)方式有關。異步置數(shù)方式以Naa=Nb+N作為反饋識別碼，其有效循環(huán)狀態(tài)為NbNa；同步置數(shù)方式以Na=Nb+N-1作為反饋識別碼，其有效循環(huán)狀態(tài)為NbNa。還要注意置數(shù)端的有效電平，以確定用與門還是與非門來引導。四、總體電路圖五、參考文獻1、電子電路設計與實踐、姚福安編著山東科學技術出版社2、電子技術基礎課程設計、粱宗善華中理工大學出版社3、數(shù)字邏輯電路設計與實驗、繩廣基編著上海交通大學出版社4、數(shù)字集成電路應用300例、黃繼昌等主編人民郵電出版社5、電子技術實驗指導書李國麗、朱維勇主編，中國科技大學出版社6、電