篮球秒倒计时的设计

1、21武汉理工大学电工电子综合设计说明书附件1：学 号： 0121210340515课 程 设 计题 目篮球24秒计时器的设计与制作学 院专 业班 级姓 名指导教师2014年06月24日目录目录2 篮球24秒计时器的设计与制作31设计任务及要求31.1设计任务31.2基本要求32设计原理与方案选择.42.1 设计原理42.2设计方案42.3 方案的选择52.4 方案论证73 单元模块的工作原理83.1 8421BCD码递减计数器模块8 3.2 时钟模块103.3 24进制计数器113.4 译码显示电路133.5控制电路143.6声光报警电路144. 仿真与调试16 4.1仿真16 4.2调试方法

2、164.3调试步骤174.4调试中出现的问题及解决方案174.5调试结果17参考文献19 篮球24秒计时器的设计与制作1设计任务及要求1.1设计任务本设计主要能完成：在篮球比赛中，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，它就自动报警从而判定此球员的犯规。1.2基本要求 1.2.1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1.2.2要求完成的主要任务: （包

3、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2 设计原理与方案选择2.1 设计原理24秒计时器的总体参考方案框图如图2-1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

4、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集成电路或由TTL与非门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代替。 译码显示部分（高位）声光报警电路译码显示部分（低位）计数器（高位）计数器（低位）回馈时钟脉冲发生器开关控制电路图2-1 24秒计时器系统设计框图2.2设计方案该篮球竞赛倒计时电路的最重要的部分是24进制计数器，用 74LS192进行24进制同步减法计数。同时选择74LS48作为BCD码译码器来对7段数码显示管进行译码驱动，选择两个

5、七段数码显示管进行显示。根据设计要求，本课程设计采用555定时器制成的多谐振荡器，对24进制计数器进行秒脉冲的输入。在本设计中，因为我们需要对其进行暂停、清零、报警等控制，所以我们使用了三个开关来控制计数器的各功能的实现。设计的电路图如下所示：选取的减计数器电路原理图2.3 方案的选择方案一（如图2-1）：优点：设计思路及电路连接简单，工作速度快，各部分反应灵敏。缺点：电路稳定性差，信号发生器易受外界干扰输出不稳定波形，有开关抖动，暂停后再计数会产生跃变，集成数码管不稳定。图2-1 方案一电路原理图方案二（电路原理图）：优点：电路稳定性高，大大削弱了开关抖动带来的计数跃变。缺点：电路较为复杂，

6、易出错。图2-2 方案二电路原理图2.4 方案论证经过对电路功能的分析，整个24秒倒计时电路可由秒脉冲信号发生器、计数器、译码器、显示电路、报警电路和辅助控制电路组成。其中方案一没有消抖模块，在人为使用机械按钮进行操作时会产生机械抖动，而使得数码管显示数值不稳定，但还是可以达到最终目的即最终数值。方案二的稳定性更高，加入了消抖木块，由电容，电阻连接而成，消除机械抖动，达到高的稳定性。由于方案一与方案二的其他组成部分大致相同，故选择稳定性更高的方案厄二为最佳方案。3 单元模块的工作原理3.1 8421BCD码递减计数器模块计数器选用汇总规模集成电路74LS192进行设计较为简便，74LS192是

7、十进制可编程同步加锁计数器，它采用8421码二-十进制编码，并具有直接清零、置数、加锁计数功能。图3-1是74LS192外引脚及时序波形图。图中、分别是加计数、减计数的时钟脉冲输入端（上升沿有效）。是异步并行置数控制端（低电平有效）， 、分别是进位、借位输出端（低电平有效），CR是异步清零端，D3-D0是并行数据输入殿，Q3-Q0是输出端。74192的功能表见下表2-1所示。其工作原理是：当=1，CR=0时，若时钟脉冲加到端，且=1 图3-1 74LS192外引脚图表2-1 74LS192功能表CPULDRD功 能1xxxxx00010111清零 零零置数 数加法计数减法计数CPD则计数器在预

8、置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，端发出进位下跳变脉冲；若时钟脉冲加到端，且 =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， 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3-2所示图3-2 8421BCD二十四递减计数器其预置数为N=（00100100）= (24)10。它的计数原理是 : 只有当低位 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 , 且 为 0 时 , 置数端 =0, 计数器完成并行置数 , 在 端的输入时钟脉冲作用下 , 计数器再次进入下一循环减计数。3.2 时钟模块为了给计数器74LS192提供一

9、个时序脉冲信号,使其进行减计数,本设计采用555构成的多谐振荡电路(即脉冲产生电路),其基本电路如图3-3示., 脚图 图3-3 555多谐振荡电路图根据上述分析，利用电路暂态分析的三要素法，得电容C充电的电压表为 VC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/） （4.1）（4.1）式中， =(R1+R2)C （4.2）t=tpH时VC =VCC ，充电结束。即： VC=2/3VCC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/(R1R2)C) （4.3）（4.3）从上式中可求得 tpH = ln2 (R1+R2)C = 0.7(R1+R2)C = 0.7(R1+R2)C （4.4）同理可求得C

10、放电的电压表示为 VC=2/3VCC e-t/ R2C （4.5） t=tpL时，VC=1/3VCC，放电结束，从式（2.5）可得VC=1/3VCC=2/3VCC e-t/ R2C （4.6） tpL=ln20.7R2 （4.7）振荡周期为 T=tpH +tpL=0.7（ R2R2）C （4.8）振荡频率为 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C （4.9）此555定时器频率为1HZ，故令C1=10nF，R1=28k，R2 =58 k，输出脉冲频率约为1HZ。 3.3 24进制计数器 计数器由两片74LS192同步十进制可逆计数器构成。74LS192功能简介如下：具有清除和置数等功能，其引脚

11、排列及逻辑符号如图3-4所示。其中PL为置数端，CPu为加计数端，CPd为减计数端，TCu为非同步进位输出端，TCd为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。 图3-4 74LS192的引脚图及逻辑符号仿真软件Multisim10中74LS192的图形如图3-3所示。其中A、B、C、D为置数输入端，LOAD为置数控制端，CLR为清零端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，QA、QB、QC、QD为数据输出端，CO为非同步进位输出端，BO为非同步借位输出端。仿真软件中的74LS192引脚图74LS192的功能表如表3-1所示：输入输

12、出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01× × ×××××00000 0× ×dcbadcba011××××加计数011××××减计数表4-1 74LS192的功能表本例为利用减计数器端输入秒脉冲信号，进行减法计数，也就是倒计时。这时计数器按8421码递减进行减计数。利用借位输出端BO与下一级74LS192的DOWN端连接，实现计数器之间的级联。利用置数控制端LOAD实现异步置数。当CL

13、R=0，且LOAD为低电平时，不管UP和DOWN时钟输入端的状态如何，将使计数器的输出等于并行输入数据，即QDQCQBQA=DCBA。24循环的设置为，十位片的DCBA=0010，个位片的DCBA=01003.4 译码显示电路译码及显示电路分两种， 一种电路是74LS192接译码驱动器74LS48和7段共阴数码管组成。74LS48芯片具有以下功能：七段译码功能、消隐功能、灯测试功能、动态灭零功能，此电路中我们用到的是七段译码功能。作为译码器，74LS48具有以下特点：74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。内部上拉输出驱动，有效高电平输出

14、，内部有升压电阻而无需外接电阻。七段数码管分共阴、共阳两种，其内部由发光二极管构成，内部有七个发光段，即a.b.c.d.e.f.g.在发光二极管两端加上适当的电压时，就会发光。另外一种显示电路由74LS192直接输出给4线输入的七段数码管进行显示，这样构成的电路简单。虽然4线输入的七段数码管构成的电路简单很多，但是市场上很难买到4线输入的七段数码管，所以我们此处利用74LS48显示译码器作为译码器，七段共阴极数码管显示。译码及显示电路如下图所示：图3-5 译码及显示电路3.5控制电路 控制电路用来完成计数器的复位、启动计数、暂停/继续计数、声光报警等功能。与非门、非门以及D触发器实现计数器的复

15、位、计数和保持“24”，以及声、光报警的功能，开关功能说明如下：开关J1：清零开关。A处于高电平时，计数器清零，控制电路发出声、光报警信号；当A处于低电平时，才能够进行计数。开关J3：暂停开关。当“暂停/连续”开关处于“暂停”（开关J3接低电平）时，计数器暂停计数，显示器保持不变；当此开关处于“连续”（开关J3接高电平）时，计数器继续累计计数。开关J2：置数开关。当开关J2接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”；当开关J2接高电平时，计数器才能从24开始计数。3.6声光报警电路 声光报警电路由发光二极管和蜂鸣器以及一个非门组成，两者同时工作，当计数器计到00时

16、，控制高位的74LS192芯片的BO端输出为低电平，通过非门后得到一高电平，从而使发光二极管和蜂鸣器正常工作，进行声光报警。图3-6 声光报警电路图3.7 消抖部分3.8 元器件选择元器件清单如表3-2所示：序号元件名称个数1七段数码显示器2274LS101374LS041474LS3731574LS1922673LS4837555定时器18180排阻2920K电阻11051K电阻11110nF电容11210F电容113发光二级管114蜂鸣器115单刀双掷开关3表3-2 元器件清单4. 仿真与调试4.1仿真使用仿真软件protues进行实验仿真1.1：计时开始阶段 ：按下置数开关，置数24，数

17、码显示管显示数值24.1.2计时过程阶段：按下开始开关，开始做减法计数，如计数过程中再次按下暂停按键，则停止计数，显示为停止时的数值，再次按下，则从此数值继续做减法计数。1.3计时结束报警阶段：当减法计数到0时，停止计数，显示为0，并报警。可以通过置0或者置24来消除报警，并开始新一轮计数。4.2调试方法（1）分块调试法分块调试是把总体电路按功能分成几个模块，对每个模块分别进行调试。模块调试的顺序最好按信号的流向，一块一块进行，逐步扩大调试范围，最后完成总调。实施分块调试有两种方法一种边安装边调试；另一种是总体电路一次组装完毕后再分块调试。分块调试的优点：问题出现范围小，可及时发现，易于解决。

18、（2）整体调试此种方法是把整个电路组装完毕后，不进行分块调试，实行一次性总调。4.3调试步骤（1）检查电路对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接或出现多接线的现象。（2）接通电源观察在检查电路无误后，接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，观察各个单元电路是否能够正常工作，找出出错的单元电路，如果有错，则用万用表对各个电路逐个检查，直至查出错误，并加以改正。（3）对各个功能电路的检测闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。4.4调试中出现的

19、问题及解决方案问题一：接通电源后数码管不能正常工作。解决方案：断开电源后，检查译码显示电路的各元件引脚是否连接正确，结果发现七段共阴极数码管未接低电平。问题二：计数器计数太慢，减计数间隔远大于一秒。解决方案：多谐振荡电路输出的信号不稳定，受干扰后信号频率小于1HZ。加大多谐振荡电路中的电阻R2（最好用滑动变阻器），调节电阻的同时，用秒表校准减计数间隔，使其约等于1秒。问题三：计数器正常工作，暂停计数后，再恢复计数时，产生计数跃变。解决方案：暂停/连续计数开关产生抖动，在开关J3与三输入与非门之间接入一个D触发器，它起到锁存的作用，大大削弱计数跃变。4.5调试结果 该篮球竞赛24秒计时电路正常工

20、作，将清零开关J1至低，置数后将置数开关J2置高，再将暂停/连续计数开关J3置高电平，电路开始正常减计数。当J3置地时，计数暂停；当J3再重新至高时，进行连续计数。当计数器减至00时，报警电路工作，同时进行声光报警。结束语本次课设是本人到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习。身为电气工程系的学生，设计是我们将来必需的技能。而这次课设恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。从通过理论设计，到仿真软件仿真，再到确定具体方案。整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，本次课设是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。总的来说，这次课设虽然累，但非常充实。在这次实习中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。如果说前面电路的理论设计是一件多么令人头痛的事，那么安装、调试过程则是一个考验人耐心的过程，对电路的安装、分析、调试要一步一步来，不能急躁。因为是在仿真软件上较理论上还是存在一定的差距，仿真能出来结果的在实际电路不一定就能出来，这就需要我们有耐心，寻找一个比较正确的调试方法。要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前