篮球倒计时牌;.doc

河南科技学院机电学院电子课程设计报告题目：篮球倒计时牌设计 专业班级：电气工程及其自动化061 姓名： 祖向前 时 间：2008.06.16 2008.06.27指导教师： 田熙燕 邵 锋 苗青林 完成日期：2008年06月 27日篮球倒计时牌设计任务书1设计目的与要求设计一个篮球倒计时牌。准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：（1）设计的倒计时牌，能直接显示“分”，“秒”；（2）实现1分钟暂停倒计时，中场10分钟暂停倒计时；（3）终场和暂停的声音提示；（4）注意3种倒计时之间的相互逻辑。2设计内容（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH文件生成与打印输出。3编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。4答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。目 录1引言12总体设计方案12.1设计思路 12.2总体设计框图 13设计组成及原理分析 13.1倒计时电路工作原理与分析 23.1.1倒计时电路所用元器件 23.1.2倒计时电路工作原理 23.2停止控制电路及原理 33.2.1 停止控制电路所用元器件33.2.2停止控制电路工作原理及分析33.3 节次控制电路及原理43.3.1 节次控制电路多用元器件43.3.2 节次控制电路工作原理及分析43.4 警报提示电路及原理53.4.1 警报提示电路所用元器件53.4.2 警报提示电路工作原理及分析54总结与体会 6参考文献 7附录 8篮球倒计时器摘 要：本系统由倒计时电路、停止控制电路、节次控制电路、报警电路、和显示电路组成。系统能够完成12分钟、10分钟、60秒倒计时功能和节次计数功能外，还能完成暂停报警停止报警功能。关键词：篮球倒计时器 减计数器 数码管显示1 引言篮球倒计时牌是篮球比赛的重要组成部分，是篮球比赛不可或缺的工具，也是数字电路的重要应用，所以对于我们电气的学生来说熟悉它的原理，能够正确设计应用尤为重要。2 总体设计方案用四片十进制同步加减计数器74192实现篮球计时牌的分钟和秒部分的倒计时，用两片74192实现六十秒的短暂停，用一个开关利用十二分钟倒计时电路可以实现中场十分钟暂停，从而减少芯片数量，使电路效率提高。中场和暂停时的声音提示，即报警电路用一片移位寄存器74194实现。小节结束后计时停止用一些门电路或是一些芯片控制。2.1 设计思路篮球比赛主要包括：单节12分钟倒计时、节次记数、60秒暂停中场10分钟暂停和计时结束警报提示。该计时系统由以下四个电路模块组成：单节12分钟倒计时：这部分电路完成12分钟倒计时的功能，比赛准备开始时，屏幕上显示12：00字样，当比赛开始时，倒计时从12：00开始逐秒递减到00：00。这一模块主要利用双向计数器74LS192的减计数功能来实现。 六十秒倒计时要求暂停时六十秒倒计时开始，开始屏幕上显示60字样，暂停时从60秒开始递减到00。这一模块还是利用74LS192的减计数功能来实现的。 中场十分钟暂停可以利用单节12分钟倒计时装置来实现。节数记次：用四个LED分别表示四场节次，根据比赛场次的转换，用适当的方法使这四个LED依次自动指示四场节次。警报提示：当计数器计时到零时或是暂停时，给出23秒的提示音。这部分电路主要通过移位寄存器74LS194和一些门电路来实现。2.2 总体设计框图 总体设计框图如图1所示。时钟脉冲装置12（10）分钟倒计时装置（分部分）12（10）分钟倒计时装置（秒部分）60秒暂停倒计时装置节次控制电路显示电路停止控制电路节次计数装置数码管显示警报提示装置图1 总体设计框图总体电路说明：倒计时功能主要是利用192计数芯片来实现，同时利用反馈和置数实现进制的转换，以适合分和秒的不同需要。由于该系统特殊的需要，到各计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并发出蜂鸣警报。而节次计数是通过12分钟的重置来实现的。3 设计组成及原理分析主体电路：即倒计时部分。包括12分钟、10分钟和60秒。12分钟倒计时的基本原理：比赛处于准备开始阶段，扳动启动开关G使倒计时计数器相应的置数端有效，显示设定的时间12：00，当主裁判抛起球，比赛开始，扳动G，倒数计时器开始工作，计时器逐秒进行倒计时显示。当有球员犯规，裁判吹哨，整个计时系统的倒计时需要暂停，这个功能通过暂停开关Space截断时钟脉冲来实现,此时60秒暂停装置开始启动。当倒数计时器计数到零时，选取“00：00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号将时钟脉冲截断，从而计时器在计数到零时停住。当要进行下一节比赛时，可以扳动开关G使置数重新有效，准备进行下一节比赛。中场10分钟计数芯片的分钟部分和12分的分钟部分的置数端用一个开关F控制置10还是12.两节比赛结束后，将12分钟倒计时装置的分钟部分的计数芯片置10，秒部分不变，中场倒计时开始进行。中场结束后，同样也是选取“00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。这时使芯片重新置12第三节比赛开始。节次电路:用四个D触发器和适当的组合逻辑电路搭成四位的移位寄存器，四个LED分别接在这四个D触发器的输出Q上，12分钟重置时，电路自动移位指示节次。警报提示:为了给出23秒的提示音，可以用移位寄存器74LS194先预置23个连续的高电平，然后通过停止电路给出的停止信号使移位寄存器进行移位,将高电平逐位送到警报提示蜂鸣器中使其发出相应时间的提示音。3.1 倒计时电路工作原理及分析3.1.1 倒计时电路所用元器件六块计数器74LS192.用来实现倒计时功能；六块七段译码器和六个数码管用来实现显示功能；一片移位寄存器74LS194和一些逻辑门组合实现暂停和中场报警；用四片D触发器组成移位寄存器加上四个LED显示来指示比赛节数。为了便于分析这里把双向计数器74LS192的功能表列出来见表1表1 74LS192的功能表输入输出CLRLOAD UPDOWNDCBAQDQCQBQAHLLLLLLDCBADCBALHH加计数LHH减计数LHHH保持3.1.2 倒计时电路工作原理（1）12分钟倒计时秒部分。运用两片计数器74LS192构成60进制减计数器。这个计数器的低位即个位，不需要搭接任何反馈电路而直接运用74LS192芯片的减计数功能：时钟脉冲接到DOWN端，置数、清零端无效，即可以实现十进制的倒计时计数功能。而最低位的计数变化应当与时钟脉冲的变化同步。所以，原则上应当将时钟脉冲直接引到这片192计数器的减计数时钟脉冲输入端DOWN，但是由于本系统要求计时电路需要在任何必要的情况下能完成暂停和继续的功能，所以在时钟脉冲的引入端接进了暂停/ 继续开关Space，用它来控制时钟脉冲的中断与继续从而实现计时器的的暂停/ 继续功能。当时钟脉冲通过开关Space后，时钟脉冲与反馈信号又通过一个与门，这个与门主要是实现计时器的停止功能的。该计数器的高位即十位，与低位的计数进制不相同。由于时间的分和秒都是60进制，所以这里的计数芯片74LS192必须要接成六进制的计数器。这里，用反馈置数的方法来实现这个功能。这里将74LS192芯片的输出端输出9时，即仅QD和QA输出为高电平时从QD这个引脚引出高电平信号与接地端通过或非门作用形成低电平反馈信号，送入74LS192芯片的置数端LOAD使之实现置数功能。而置数时，输出等于输入，所以设置的数是5（二进制0101），这样，当计数器从0变到9时，由于进行了异步置数，9就在瞬间变成了5，计数输出的结果就变为0543210，实现了六进制的功能。这两个计数器通过低位的借位脉冲传输给高位充当时钟脉冲来实现六十进制的功能的。这个借位信号的给出原理是这样的：在低位计数器进行正常计数而且输出不为零时，借位输出端BO输出的是高电平，当计数器输出为零时，借位输出端BO跳变为低电平，当计数器输出从0变到9时，借位输出端BO又从低电平跳变回高电平。这样，就在低位计数器从0变到9的瞬间，在它的借位输出端出现一个电平的上升脉冲沿，从而使高位的计数器倒计一个数。这样，低位每计十个数，高位就减一个数。由此，这一部分电路就实现了低位计数器每计完十个数，就会向高位借一位。高位计数器的借位信号与此类似，每计完六个数，就向更高一位借一，实现“借一当六”的六进制减法逻辑。这两个计数器组合起来，就能实现六十进制的减计数功能了。12分钟倒计时秒部分电路如图2所示。图2 12分钟倒计时秒部分电路在上图中，反馈的置数信号只从QD引出，然后将其通过用或非门做成的非门形成反馈信号送入置数端LOAD进行置数，这样做的目的是为了减少整个电路系统所使用门的种类，从而达到减少使用芯片种类的目的。可以这样做的原理是QD只在输出9或8（二进制数1001或1000）时为高电平，所以选取输出9（二进制书1001）时的QD通过非门后的低电平作为反馈信号进行置数。在图中还有A、B、C三个标志，A连到的是12分钟分部分置数端，引过来的信号分别通过两个或非门接到本计数器的清零端口CLR上，这两个或非门的实际作用也是用做非门。B连接的是停止控制电路的输出信号，用来截断时钟脉冲的传输，达到计时器停在“00：00”状态的目的。C是通过一个开关给六十秒暂停电路提供脉冲信号。（2）12分钟倒计时分部分。也是运用两片可逆计数器74LS192来构成减计数器。在两片计数器的连接上，与秒部分一样。也是把低位的借位信号作为高位的时钟脉冲进行连接。而低位计数器的时钟脉冲则是用秒部分高位计数器的借位输出信号来充当的。另一方面，由于本计时系统到“00：00”时需要停止计数，也就是整个分钟计时部分只需要从“12”计到“00”就可以了。所以在这部分电路中的两片计数器都不需要接任何反馈电路，当需要进行计数时，直接从开始预置的数进行倒计即可实现需要的要求。在置数上，选用一个开关通向置数端LOAD来实现预置和计数的转换功能。活动端连接这两片计数器的置数端LOAD，另外两个引脚分别连接到电源VCC和地GND。在预置状态下，需要实现四片计数器同时预置出各自所需要的输出，因为在比赛还没开始时，各计时器都应当预置在一个稳定的输出状态而不进行计数。这一点，在分部分是通过置数端接低电平来实现，而在秒部分，则是通过清零端接高电平来实现的。而计数时分部分是通过置数端接高电平来实现，秒部分是通过清零端接低电平来实现。所以可以从分部分的置数端并行引出一个信号通过非门送入秒部分的清零端CLR，这样就可以实现预置状态分部分的置数端为低电平时秒部分清零端为高电平，而在计数状态分部分的置数端是高电平时秒部分清零端为低电平，并且在转换时可以实现同时变换，这样就可以用一个开关来实现同时置数或同时计数和同时变换的功能。在下图中，高位的LOAD 连接到秒部分清零端前的或非门，经过或非门反相后输入秒部分的清零端CLR，CP则是秒部分的高位借位输出端直接输过来的信号。开关G接到高低电平分别进行计数或置数功能。为了便于说明下图把分钟部分和秒部分同时画出如图3所示。图3 12分钟倒计时电路在上图中，可以清楚地看到时钟脉冲的传输路径，从时钟脉冲发生器出来，到达秒部分电路的低位计数器DOWN端，然后每隔十个脉冲从低位借位输出端BO出来一个低电平跳变到高位的DOWN端，又每隔六十个时钟脉冲从高位的借位输出端BO输出一个低电平跳变到分部分的低位计数器DOWN端，最后每隔三百六十个脉冲从分部分的借位输出端BO输出一个低电平脉冲到高位的输入端DOWN，从而实现12分钟减计数功能。（3）60秒倒计时电路。这部分电路的主体部分与12分倒计时电路的分部分类似，而在时钟脉冲的输入部分与12分钟倒计时的秒部分的时钟脉冲接入类似。下面进行具体分析。计数器的倒计时功能。用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统需要从开始时的“60”倒计到“00”然后停止，所以，这里的高位还需要做成六十进制的计数器。因为预置的数不是“00”，所以选用置数端LOAD来进行预置数。又由于60秒暂停进行倒计时前，置数功能就应该实现，并且计数功能是在12分钟计数停止后开始进行的，和12分钟倒计时电路并不是同时进行置数的，所以用另一个开关D来进行置数。时钟脉冲分别通过两个与门才再输进个位（低位）的DOWN端，这也和12分倒计时的功能一样，当停止控制电路送来停止信号时，截断时钟脉冲，从而实现电路的停止功能。在电路停止后，12分钟倒计时要继续进行而不影响12分钟的计数功能所以在时钟脉冲输出端用一个开关控制12分钟倒计时和60秒倒计时的脉冲切换，使60秒停止和12分钟开始能同步进行。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。两片计数器具体接法。VCC、UP接+5V电源，GND接地；时钟脉冲经过两个与非门输出后接到低位的DOWN，然后从低位BO接到高位的DOWN；输入端高位C、B接电源，其他引脚和CLR都空脚。LOAD接到开关D的活动端，D的另外两个引脚分别接电源和地。另外说明一下，中场10分钟暂停电路可以和12分钟倒计时电路共用两片74LS192计数芯片，用一个开关F其活动端接低位芯片的输入端B，另外两端分别接电源和地以实现分钟的低位芯片置12和置10。在第二节比赛结束，即中场来临时，扳动置数与计数转换开关G使处于低电平即置数状态，然后扳动开关F使置12分钟倒计时芯片置10，再将开关G扳到高电平即可实现10分钟倒计时。当中场结束时使其重新置12，第三节比赛继续进行。秒倒计时电路如图4所示。图4 60秒倒计时电路3.2 停止控制电路3.2.1 停止控制电路所用元器件可以用三片二输入四或非门74LS02芯片来代替下面的单个或非门，用三片四输入二与非门74LS20来代替下面的与门和与非门。3.2.2 停止控制电路工作原理与分析各倒数计数器到零时，需要将电路停住。现在选取各计数器到零的状态即12分计到“00：00”，60秒计到“00”，从各引脚引出线接到二脚或非门，这时各引脚上都是低电平0，经过或非门后变成高电平1，再把或非门的输出输进与非门，在12分倒计时中用四脚与非门，60秒倒计时中也用四脚与非门，这时输出都是低电平，然后将这个电平和时钟脉冲在12分钟时钟脉冲引入端的与非门，60秒时钟脉冲引入端的与门发生作用，两个与非门输出高电平为1，时钟脉冲被截止。因为计数器只在上升脉冲沿计数，所以在与非门后还加了个与非门做的非门，使两个计数器保持同步脉冲。停止控制电路如图5所示。图5 停止控制电路3.3 节次控制电路3.3.1 节次控制电路所用原器件四个D触发器三个逻辑门四个LED显示。3.3.2 节次控制电路工作原理与分析这部分电路的要求是用四个指示灯LED分别指示四场不同的节次。我选用四个D触发器和两个门构成四位可循环同步移位寄存器。用它的输出作为指示信号分别接到四个LED指示节次。节次控制电路如图6所示。图6 节次控制电路将这四个D触发器依次命名为D1、D2、D3、D4。四个D触发器级连，前一个输出送入下一个输入，用一个共同的时钟脉冲，形成同步动作。为了保证每次输出只有一位是高电平，用个或门把Q2、Q3进行或运算后，送入或非门与Q1进行运算后送回D1。为了使比赛开始时同时显示节次，所以控制比赛开始的开关G的活动端接在节次控制电路的脉冲输入端，考虑到12分钟和10分钟倒计时共用两个芯片，所以在中场10分钟倒计时时节次控制电路的D2触发器的输出端要继续移位到D3触发器的输出端，即屏幕显示的是第三节。为了是中场开始时不进行节次变化，要使中场开始时截断节次控制电路的脉冲信号，在此我用了一个与门，使与门的一端Y1接低位芯片的输入端B;Y2接开关G的活动端，这样在中场开始时控制置10和12的开关F扳到了低电平0，和即B端输入为0，经过与门后输出信号为低电平，脉冲信号被截断。由此控制了节次的错误显示，第三节开始又开始时又正常显示。3.4 警报提示装置3.4.1 警报提示电路所用元器件移位寄存器74LS194一片，一些逻辑门和三个LED显示和一个报警装置。3.4.2 警报提示电路工作原理与分析警报提示就是完成任一计时器暂停或计时结束时，系统给出23秒的提示音。这里我选用移位寄存器74LS194作为主体电路。当比赛需要暂停时，要使计数暂停和警报响起同时进行，此时60秒倒计时电路也开始工作，因此我用一个和控制脉冲转换开关一样的开关Space来控制警报电路在随时暂停时随时响起。开关的活动端接高电平，一端C通过与门K接到74194的控制信号端S1，另一端A接低电平或空脚，所以暂停时，通过与门K的作用使控制信号端S1为零，而另一控制信号端S0一直接高点平，所以电路可以实现右移功能，在而与非门的另一输入端接比赛计时停止时的反馈信号，这个