篮球竞赛30秒倒计时电路设计.doc

篮球竞赛30秒倒计时电路设计摘 要随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，计时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。要实现30秒倒计时的功能，必须要有一个脉冲，本设计是以555构成震荡电路，再通过74LS161十分频来产生周期为1秒的脉冲。计数部分用74LS192芯片来实现，192芯片是8421码计时的，符合30秒读数的需要。译码部分采用74LS248芯片，74LS248是把8421BCD码经过内部作用和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接推动LED，显示十进制数。显示部分采用共阴极七段数码管，整个线路就是把以上几个主要的部分用导线连接焊接起来。该电路简单，无需用到晶振，芯片都是市场上容易购得的。设计功能完善，能实现直接清零、启动和暂停/连续计时，还具有报警功能。关键词：倒计时 ； 译码显示； 光电报警 目 录1 引言12 设计任务及要求 22.1篮球竞赛30秒计时器（基本要求）22.2设计任务及目标2 3 电路设计原理与设计电路23.1 设计原理23.2设计方案33.3单元模块43.3.1时钟模块43.3.2 8421BCD码递减计数器模块83.3.3 控制电路113.3.4 译码显示模块113.3.5 报警电路模块134 电路仿真、安装与调试144.1 电路仿真144.2 电路制版与焊接154.3 电路安装154.4 电路调试155 结论15参考文献16附录A 原件清单16 附录B 实物图17附录C PCB图18篮球竞赛30秒倒计时电路设计1 引 言随着科学技术与计算机应用的不断发展，在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机、还可以用来做为各种药丸，药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会是何其重要的。篮球作为一项全民健身项目，已有一定的历史。在中国，篮球很盛行，篮球比赛也日趋职业化。篮球比赛中有一项违例时间要用倒计时器，目前多数采用的是24秒制，但随着篮球制度的改革将会采用30秒制。有需要就会有市场，因此设计一款30秒计时器是非常有必要也非常有前景的。该款计时器是在原来的基础上把24秒制改为30秒制。该计时器要有递减计时及报警功能。因此符合比赛中违例判罚的需要。 在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒限制。一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。 本设计主要能完成：显示30秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为30秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。 2 设计任务及要求2.1篮球竞赛24秒计时器（基本要求）（1）具有显示30S计时功能；（2）设置外部操作开关，控制计数器的直接清零，启动和暂停/连续功能；（3)在直接清零时，要求数码显示器灭灯； （4)计时器为30S递减计时，计时间隔为1S；（5)计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。2.2设计任务及目标：（1） 根据给出的电路原理图分析各单元电路的功能；（2） 熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能；（3） 进行电路的安装、调试，直到电路能达到规定的设计目标；（4） 写出完整、详细的课程设计报告。3 电路设计原理与设计电路3.1 设计原理分析设计任务，该系统包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路5个部分构成。其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30秒倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的清零，启动和暂停/连续功能、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能。为满足设计要求，设计控制电路及控制开关时，应该正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。当启动开关J2闭合时，控制电路应该封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样，计数器开始进行递减计数；当暂停/连续开关J1闭合（即拨到暂停位置）时，计数器停止计数，处于保持状态；当J1断开时，计数器继续递减计数。当开关J3闭合与地连接时，计数器直接清零，同时数码显示器灯灭。当开关J3闭合与高位那片74LS192的借位端连接时，计数器正常计数。且当计数器递减计数到零时（即定时时间到），控制电路发出报警信号。30s计时器的方框图如下图1所示。它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路、控制电路五部分组成。该设计中用发光二极管来代替报警电路，二极管发光即代表报警。整体原理框图如下图3-1所示：图3-1 工作原理框图 3.2设计方案 用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波，再将该脉冲信号加到由74LS161构即周期为1秒，接着将该信号送到计数器74LS192的CP减计数脉冲端,再通过译码器74LS248把输入的8421BCD码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接推成的十分频器上，这样由74LS161后输出的脉冲频率为1Hz，动LED，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，光电报警用发光二极管来代替，灯亮代表报警。这是方案一，电路图见图3-2。也可以用555构成的多谐振荡器直接产生频率为1Hz的秒脉冲，这是方案二。由于两个方案的原理基本相同，且实现的功能也相同，为了确保输出的脉冲的稳定，这里采用第一种方案。以下所述均针对方案一。 图3-2 篮球30秒倒计时计时器电路图3.3单元模块 3.3.1 时钟模块本设计采用555构成的多谐振荡电路（即脉冲产生电路），其内部管脚图如下图3.通过计算可以确定参数的取值：R1=51K，R2=47K,C2=1.0uF,C1=10nF.因此产生的脉冲周期为：T=0.7(R1+2R2)C2=0.1s,之后经过74LS161用异步清零法十分频，使得74LS161输出的脉冲周期为1s. 图3-3 脉冲产生电路 芯片NE555NE555是时基集成电路，它在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。下图是NE555的内部功能原理框图和内部管脚图。图3-4 NE555内部管脚图 （2）芯片74LS16174LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能. 图3-5输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1表3-1从74LS161功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0Q1Q2Q3CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。74LS00是常用的2输入四与非门集成电路，它的作用很简单，顾名思义就是实现一个与非门。Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y_ 14 13 12 11 10 9 8Y = AB ） 2输入四正与非门 74LS00 1 2 3 4 5 6 71A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 74LS00真值表： 图3-6 74LS00管脚图A1 B=1 Y=0A0 B=1 Y=1A1 B=0 Y=1A0 B=0 Y=13.3.2 8421BCD码递减计数器模块74LS192是一块同步8421BCD码加/减计数器，具有直接清零、置数、加锁计数功能。计数器选用汇总规模集成电路74LS192进行设计比较简便。74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器，CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端，LD为预置输入控制端，异步预置，CR为复位输入端，高电平有效，异步清除，CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。电路图见图3-7 图3-7 计数模块计数电路由两片74LS192来构成。由于是做30s倒计时电路，所以计数CP脉冲应从CPD端（即DOWN端）输入，并且计数器的预置数（BCD码）应为00110000，其中上片74LS192置为0000，下片74LS192置为0011，即为十进制的30.它的计数原理是：只有当低位BO端发出借位脉冲时，高位计数器才作递减计数。当高、低位计数器处于全零，且CPD为0时，置数端LD为0，计数器完成并行置数，在CPD端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下一次循环减计数。（1）芯片74LS19274LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能.Q3 Q2 Q1 Q074LS192D3 D2 D1 D0 CRCPUCPDLD（a）（b）74LS19212345678161514131211109VCC D0 CR BO CO LD D2 D3D1 Q1 Q0 CPD CPU Q2 Q3 GND图3-8 74LS192管脚图74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。其功能表如下图3-10： 输入 输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 0000 0 0 dcbadcba 0 1 1 加计数 0 1 1 减计数表3-2 74LS192的功能表3.3.3 控制电路 设置外部操作开关，控制计数器的直接清零，启动和暂停/连续功能。 开关J2在电路图中起到启动的作用，闭合启动开关J2，计数器完成置数功能，显示器显示30秒字样，计数器开始进行递减计数。 开关J1在本设计中起暂停/连续作用，当启动开关闭合后，计数器进行递减计数。若闭合开关J1，则计数暂停，控制电路封锁时钟脉冲信号CP，显示器上保持原来的数不变，当开关J1断开，计数器继续累计计数。 开关J3在电路中起到了控制计数器的直接清零，同时数码显示器灭灯的功能。如图4，当开关J3闭合与地连接时，计数器直接清零，同时数码显示器灯灭。当开关J3闭合与高位那片74LS192的借位端连接时，计数器正常计数。且当计数器递减计数到零时（即定时时间到），控制电路发出报警信号，本设计中采用发光二极管代替报警器，所以发光二极管灯亮代表报警信号。 当计数到零时，两计数器借位端输出为零，该设计中将高位片借位端通过两次反向反馈到二极管的负端，此时+5V电源经390电阻使二极管发光（光电报警信号），完成报警功能。而在递减计数时，74LS192的借位端输出为高。3.3.4 译码显示模块该模块由两片74LS248译码器和共阴极七段数码管LED显示器组成，通过计数器的输出加到译码器的输入，从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数功能。 74LS248是七段显示译码器，电路部分图为图3-11： 图3-9 译码显示模块 A、B、C、D是BCD码的输入端； OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG（即a、b、c、d、e、f、g）是输出端； 其功能表为下图表1所示：图表3-3 74LS248译码器功能表试灯输入端：低电平有效。当=0时，数码管的七段全亮，与输入的译码信号无关。该输入端用于测试数码管的好坏；动态消隐输入端：低电平有效。当=1、=0时，且译码输入全为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。本输入端用于消隐无效的0.灭灯输入/动态消隐输出端：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当作为输入使用，且为0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。但作为输出使用时，受控于和；当=1且=0时，=0；其他情况下=1.该端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。（2） 共阴极七段LED数码管 共阴极七段LED数码管是比较常用的显示数码管，其管脚COM端一定要接地（如果使用的是共阳的，则COM端接高电平），且在实验时一定要加一个保护电阻限流（这里用了一个390的电阻）。 其管脚图如下：图3-10 数码管使用条件：a、段及小数点上加限流电阻；b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定c、使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA 数码管使用注意事项说明：A、数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；B、焊接温度：度；焊接时间：C、表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。3.3.5 报警电路模块当计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。完成报警功能，同时也将借位信号反馈到/CT端，则此时/CT=1，计数器暂停。在进行multisim仿真的时候应该给发光二极管加一个限流电阻。电路如图3-11所示。 图3-114 电路仿真、安装与调试4.1电路仿真电路采用Multisim2011软件进行仿真,我们在仿真前须明白：在仿真软件上能仿真出结果的设计电路并不代表在实际电路中能得到同样的结果；仿真不出结果的电路也并不代表在实际电路中得不出结果。仿真只是给我们提供一个环境去验证一下自己的设计电路。仿真的基本步骤： 1.用虚拟器件在工作区建立电路； 2.选定元件的模式、参数值及标号； 3.选择分析功能和参数； 4.激活电路进行仿真。仿真前仔细检查电路是否连接好了，芯片的管脚是否接错。确认后即可仿真。4.2电路制版与焊接 1焊接电路时，电烙铁不可以在电路板上停留过长时间，否则调试时很可能烧坏芯片。注意焊接时：不要虚焊、漏焊以及过焊。尽量焊接,少用过线。2进行焊接时,可以先用管座进行焊接,以免破坏芯片。同时在芯片未到时，也可以提高效率。避免时间的浪费。4.3电路安装安装电路时需注意一下几点：1同一块同类元器件应采用同一安装方式，即距离实验板表面的高度应该大体一致。如果采用立体安装方式，元器件型号或标应朝同一方向，而卧式安装的元器件型号或标称值应同朝上方，集成电路的定位标志方向应一致。2元器件的引线一般不宜剪的过短，以便重复利用。实践证明，虽然元器件完好，但往往由于布线不好，造成电路工作失常。这种故障不像脱焊、断线、接触不良、器件损坏那样明显，多以寄生干扰形式表现出来，很难排除。3进行焊接时,可以先用管座进行焊接,以免破坏芯片。同时在芯片未到时，也可以提高效率。避免时间的浪费。4.4电路调试电路安装完毕后，必须经过调试才能正常工作。通常采用以下两种调试方法：1单元调试：把电路按照框图上的功能分成若干个单元分别进行调试，然后再完成各个单元电路调试的基础上逐步扩大调试范围，最后进行整个电路的调试。对于新设计的电路而言，这种方法既便于调试，又能及时发现和解决问题，该方法适用于课程设计。2待整个电路安装完毕后，再对电路进行调试，这种方法适合于产品。调试时需要记录各个部分的测试数据及波形，以便于分析和运行时参考。5 结论 本设计包括秒脉冲发生器、计数器、译码与显示电路、报警电路和控制电路（辅助时序控制电路）等五个部分组成。计时电路递减计时，每隔1秒钟，计时器减1其中计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30秒计时功能，而控制电路完成计数器的直接清零、启动计数器、暂停/连