篮球竞赛24秒计时器设计与制作

资料 学学 号 号 电子课程设计电子课程设计 题题 目目篮球竞赛24秒计时器设计与制作 学学 院院电气与信息工程学院 专专 业业电气工程及其自动化 班班 级级就好 姓姓 名名好好 指导教师指导教师 2016 年 11 月 16 日 资料 课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 好好好好 专业班级 专业班级 电气工程好好电气工程好好 指导教师 指导教师 工作单位 工作单位 湖南工业大学电气学院湖南工业大学电气学院 题题 目目 篮球篮球2424秒记时器的设计与制作秒记时器的设计与制作 初始条件 初始条件 1 具备显示24秒记时功能 2 计时器为递减工作 间隔为1S 3 递减到0时发声光报警信号 4 设置外部开关 控制计时器的清0 启动及暂停 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及说明书撰写等具体要求 1 设计任务及要求 2 方案比较及认证 3 系统框图 原理说明 4 硬件原理 完整电路图 采用器件的功能说明 5 调试记录及结果分析 6 对成果的评价及改进方法 7 总结 收获及体会 8 参考资料 9 附录 器件表 芯片资料 时间安排 时间安排 10 11月14日 明确课题 收集资料 方案确定 11 11月15日 整体设计 硬件电路调试 12 11月16日 报告撰写 交设计报告 答辩 资料 指导教师签名指导教师签名 20142014年年 6 6月月 日日 资料 目录目录 一 设计题目一 设计题目 1 1 二 设计目的二 设计目的 1 1 三 设计任务及要求三 设计任务及要求 1 1 3 13 1 设计方案与框图设计方案与框图 1 3 23 2基本工作原理基本工作原理 1 四 设计步骤四 设计步骤 1 1 4 14 1计数器的设计计数器的设计 1 4 24 2 数码显示电路的设计数码显示电路的设计 1 4 34 3 秒脉冲的设计秒脉冲的设计 1 4 44 4 控制开关电路的设计控制开关电路的设计 1 4 54 5 报警电路的设计报警电路的设计 1 五 仿真与测量五 仿真与测量 1 1 5 15 1准备计时准备计时 1 5 2 5 2 计时进行计时进行 1 5 3 5 3 暂停状态暂停状态 1 5 4 5 4 报警状态报警状态 1 六 总结六 总结 1 1 资料 一 设计题目一 设计题目 在NBA比赛中 规定了球员的持球时间不能超过24秒 否则就犯规了 本课程设计的 篮球竞赛24秒计时器 可用于篮球比赛中 用于对球 员持球时间24秒限制 一旦球员的持球时间超过了24秒 它自动的报警从 而判定此球员的犯规 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 有需要就会有市场 因此设计一款24秒计时器是 非常有必要也非常有前景的 资料 二 设计目的二 设计目的 电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节 是将理论知识和实 践能力相统一的一个环节 是真正锻炼学生能力的一个环节 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 本设计主要能完成 显示24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 计时器为24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 整个电路的设计借助于proteus仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识 并在 proteus下设计和进行仿真 得到了预期的结果 资料 三 设计任务及要求三 设计任务及要求 3 13 1 设计方案设计方案与框图与框图 采用计数器74LS192作为核心部分 同时选择74LS248作为BCD码译码器来 对7段数码显示管进行译码驱动 两个七段数码显示管进行显示 采用555计时 器制成的多谐振荡器 进行秒脉冲的输入 以及多个逻辑门控实现计时器的为0 报警 我们需要对其进行暂停 清零 报警等控制 所以我们使用了3个开关来 控制计数器的各功能的实现 从而实现各种功能 24秒倒计时计时器的方案框图如图3 1所示 它是由秒脉冲发生器 计数器 译码显示电路 报警电路和控制电路等 五个部分组成 其中计数器和控制电路是系统的主要部分 计数器完成24秒计 时功能 控制电路完成计数器的直接清零 启动计数 暂停 连续计数功能 译 码显示电路完成数字显示功能 报警电路产生光电报警功能 秒脉冲发生器产 生时钟脉冲信号 这个信号作为电路的定时标准 其电路采用555定时器组成 的多谐振荡其构成 图3 1 24秒计时器系统设计框图 控制电路手动置数计数器 译码显示电路出现显示 秒脉冲发生器产生秒 脉冲刺激计数器递减 随之译码显示电路递减 暂停 连续时 控制电路控制秒 脉冲发生器暂停 连续秒 3 23 2基本工作原理基本工作原理 24秒计时器的总体参考方案框图如图3 1所示 它包括秒脉冲发生器 计数器 译码显示电路 报警电路和辅助时序控 制电路 简称控制电路 等五个模块组成 其中计数器和控制电路是系统的主 控制电路 计数器 报警电路 译码显示秒脉冲发生器 资料 要模块 计数器完成24秒计时功能 而控制电路完成计数器的直接清零 启动 计数 暂停 连续计数 译码显示电路的显示与灭灯 定时时间到报警等功能 秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准 但本设计对此信号要 求并不太高 故电路可采用555定时器组成的多谐振荡器构成 译码显示电路由74LS48和共阴极七段LED显示器组成 报警电路在实验中可用 发光二极管和鸣蜂器代替 主体电路 24秒倒计时 24秒计数芯片的置数端清零端共用一个开关 比赛开始后 24秒 的置数端无效 24秒的倒数计时器的倒数计时器开始进行倒计时 逐秒倒计到 零 选取 00 这个状态 通过组合逻辑电路给出截断信号 让该信号与时钟 脉冲在与门中将时钟截断 使计时器在计数到零时停住 资料 四四 设计步骤 设计步骤 4 14 1计数器的设计计数器的设计 计数器选用集成电路74LS192进行设计较为简便 74LS192是十进制可编程 同步加法计数器 它采用8421码十进制编码 并具有直接清零 置数 加减计 数功能 图4 1是74LS192引脚排列 图中CU CD分别是加计数 减计数的时钟脉冲输入端 上升沿有效 PL是异步并行置数控制端 低电平有效 TCU和TCD是进位 借位输出端 低电平有效 MR是异步清零端 P3 P0是并行数据输入端 Q3 Q0是输端 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U14 74LS192 图4 1 74LS192的引脚排列 74LS192的功能表见表4 1所示 输入输出 M R CUCD P 0 P 1 P 2 P 3 Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 1 0000 00 abcdabcd 01 1 加计数 011 减计数 资料 表 4 1 74LS192功能表 当PL 1 MR 0时 若时钟脉冲加到端CU 且CD 1则计数器在预置数的基础上完成加计数功能 当加计数到9时 TCU端发出进 位下跳变脉冲 若时钟脉冲加到CD端 且CU 1 则计数器在预置数的基础上 完成减计数功能 当减计数到0时 TCD 端发出借位下跳变脉冲 由74LS192构成的二十四进制递减计数器如下图4 2所示 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U2 74LS192 R1 10k R2 10k U9 AND 图4 2 8421BCD二十四递减计数器 其预置数为N 00100100 24 10 在CD端的输入时钟脉冲作用下 开始递减 只有当低位 TCD 端发出借位脉冲时 高位计数器才作减计数 当高 低位计数器处于全零 完成一个计数周期 然后手动置数PL 0 计数器完成置数 再次进入下一循环减计数 4 24 2 数码显示电路的设计数码显示电路的设计 根据设计的要求采用74LS248译码器来驱动共阴极数码显示管 74LS48芯 片是一种常用的七段数码管驱动器 常用在各种数字电路和系统的显示系统中 74LS48和共阴极七段LED显示器如图4 资料 3连接 这样连接74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需像CC4511外接限 流电阻 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U12 74LS248 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U13 74LS248 图4 3 显示电路 74LS248输入信号为BCD码 输出端为a b c d e f g共7线 另 有3条控制线 Error Error 为测试端 低电平有效 当Error Error 0时 无论输入端A B C D为何值 a g输出全为高电平 使7段显示器件显示 8 字型 此功 能用于测试器件 Error Error 为灭零输入端 低电平有效 在Error Error 1 Error Error 0 且译码输入为0时 该位输出不显示 即0字被熄灭 但当译码输入不全为 0时 仍能正常译码输出 使显示器正常显示 BI RBI是一个特殊的端口 有时 作用于输入 有时作用于输出 在这里不多做介绍 74LS48功能表见表4 2 输入输出 数字 ErroErro r r Error Error A B C DBI RBOa b c d e f g 字形 资料 表4 2 74LS248的功能表 4 34 3 秒脉冲的设计秒脉冲的设计 根据设计要求 电路需要产生间隔为一秒的时间脉冲 完成正确的计数功 能 所以选择NE555定时器来设计此电路 从而产生标准的秒脉冲 NE555定时器是一种中规模集成电路 外形为双列直插8脚结构 体积很小 使用起来方便 只要在外部配上几个适当的阻容元件 就可以构成史密特触 发器 单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路 它在波形 的产生与变换 测量与控制 定时电路 家用电器 电子玩具 电子乐器等方 面有广泛的应用 引脚功能 TH 高电平触发端 简称高触发端 又称阈值端 Error Error 低电平触发端 简称低 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X X X X X X X X X 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 脉冲消隐 灯测试 X 1 0 X 0 X XXXX 0 0 0 0 XXXX 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 资料 触发端 CVO 控制电压端 OUT 输出端 DIS 放电端 RES 复位端 工作原理见 表4 3 输 入输 出 TH TRRESOUTDIS LL 导通 VCC 2 3 VCC 1 3 HH 截止 VCC 1 3 H 不变不变 VCC 2 3 HL 导通 表4 3 555定时器控制功能表 用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供脉冲 如图4 5 所示 R1 R2和C1为外接定时元件 高 低电平触发输入端项链并接到定时电 容C1上 R1和R2的节点与放电端相连 电压控制端不用 通常接0 01uF电容C 2 接通电源后 VCC通过R1 R2对C1充电 DIS上升 开始时DIS VCC 即 1 3 高电平触发端TH VCC 低电平触发Error Error VCC 高电平触发端TH VCC 低电平触发端Error Error 2 3 2 3 VCC 定时器复位 放电管饱和导通 C1通过R5放电 DIS下降 当DIS V 1 3 1 3 CC时 又回到高电平触发端TH VCC 定时器又置位 放电管截止 C1停止放 2 3 电而重新充电 如此反复 形成振荡波形提供脉冲 资料 公式 Tw1 0 7 R2 R5 C1 Tw2 0 7R2 C1 振荡周期计算公式 T 0 7 R2 2R5 C1 1s R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U11 NE555 R3 330 R4 760K C1 1uF C2 1uF 图 4 5 秒脉冲电路 4 44 4 控制开关电路的设计控制开关电路的设计 在本次设计中需实现计数器的暂停 复位和启动控制 为了简单 我们只 需用一个开关来控制启动和复位功能 启动复位开关和74LS192的11脚相连即 可 在这里 主要介绍暂停 连续开关的设计 因为555产生秒脉冲全靠给C1充 放电产生 所以只需中断C1的充放电即可 所以在C1的另一端用一个开关控 制接地 这就形成了暂停 连续开关 如图4 6 资料 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U2 74LS192 R1 10k R2 10k U9 AND 4 6 控制电路 4 54 5 报警电路的设计报警电路的设计 根据设计要求 要产生报警 我们采用6个或门 一个或非门组成一个报警 电路 一个蜂鸣器发出报警 如图4 7所示 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U2 74LS192 U3 OR U4 OR U5 OR U6 OR U7 OR U8 OR 2 3 1 U10 A 74LS02 LS1 SPEAKER A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U12 74LS248 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U13 74LS248 图4 7报警电路设计图 资料 当电路运行时 为计时到0时 译码器八位总有一个位为1 再经过或非门 输出为0 报警电路不工作 当计时到零时 经或非门输出为1 从而使蜂鸣器 通电导通 产生报警声音 五 仿真与测量 本次设计采用的是protues软件仿真 仿真结果如下 5 15 1准备计时准备计时 闭合置位开关2 断开清零开关3 闭合暂停开关1 启动仿真软件 此时7 4LS192开始工作 高位74LS192输入0010 低位74LS192输入0100 通过74LS 248译码 数码管显示出了24秒的字样 进入计时预备阶段 如图5 1 资料 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U2 74LS192 开关3 R1 10k 开关2 开关1 U3 OR U4 OR U5 OR U6 OR U7 OR U8 OR 2 3 1 U10 A 74LS02 LS1 SPEAKER U9 AND R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U11 NE555 R3 330 R4 760K C1 1uF C2 1uF A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U12 74LS248 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U13 74LS248 图 5 1 计时预备阶段 5 2 5 2 计时进行计时进行 断开置 2开关进入计时阶段 由555产生秒脉冲 从Q端传送到低位74LS19 2的DN端 个位数码管从4开始递减 当个位递减0时又通过低位74LS192的TC D端传送到高位74LS192的DN端 十位的数字减1 如此周而复始的循环形成倒 计时 如图5 2 资料 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U2 74LS192 开关3 R1 10k 开关2 开关1 U3 OR U4 OR U5 OR U6 OR U7 OR U8 OR 2 3 1 U10 A 74LS02 LS1 SPEAKER U9 AND R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U11 NE555 R3 330 R4 760K C1 1uF C2 1uF A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U12 74LS248 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U13 74LS248 图 5 2 计时阶段 5 3 5 3 暂停状态暂停状态 在计时阶段中 由开关1来控制暂停 连续 断开开关1进入暂停状态 555秒 脉冲暂停送往74LS192计数器 低位74LS192停止工作 数码管递减停止 反之 又闭合SW3 555秒脉冲继续进行 低位74LS192继续工作 数码管重新开始递 减 又进入计时 如图5 3 资料 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U2 74LS192 开关3 R1 10k 开关2 开关1 U3 OR U4 OR U5 OR U6 OR U7 OR U8 OR 2 3 1 U10 A 74LS02 LS1 SPEAKER U9 AND R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U11 NE555 R3 330 R4 760K C1 1uF C2 1uF A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U12 74LS248 A 7 QA 13 B 1 QB 12 C 2 QC 11 D 6 QD 10 BI RBO 4 QE 9 RBI 5 QF 15 LT 3 QG 14 U13 74LS248 图 5 3 暂停 连续功能实现 5 4 5 4 报警状态报警状态 计数到零时高位和低位74LS192的八个输出端为低电平 传输到或门和或 非门组成的选择电路 因为全部为低电平所以或门再或非门后输出为高电平 于是蜂鸣器导通 产生报警信号 如图5 4 资料 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U1 74LS192 D0 15 Q0 3 D1 1 Q1 2 D2 10 Q2 6 D3 9 Q3 7 UP 5 TCU 12 DN 4 TCD 13 PL 11 MR 14 U2 74LS192 开关3 R1 10k 开关2 开关1 U3 OR U4 OR U5 OR U6 OR U7 OR U8 OR 2 3 1 U10 A 74LS02 LS1 SPEAKER U9 AND R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 U11 NE555 R3 330 R4 760K C1 1uF C2 1u