篮球24秒倒计时器课程设计报告

1、数字逻辑电路设计厦门城市学院2014-2015学年 第一学期1EDA软件设计课程设计论文课 题：篮球比赛24秒倒计时器的设计与仿真分析所在系部：电子信息与工程系年级：11级班级：电信Z1姓名：林鑫豪学号： W140242131提交时间：2015年 1 月 8 日一、设计题目篮球比赛24秒倒计时器、主要内容1、分析设计题目的具体要求2、完成课题所要求的各个子功能的实现3、用multisim软件完成题目的整体设计三、具体要求(1)具有显示24s倒计时功能：用两个共阴数码管显示，其计时间隔为1s。(2)分别设置启动键和暂停/继续键，控制两个计时器的直接启动计数，暂 停/继续计数功能。(3)设置复位键

2、：按复位键可随时返回初始状态，即进攻方计时器返回到24so(4) 计时器递减计数到“ 00”时，计时器跳回“ 24”停止工作，并给出声音和发光 提示，即蜂鸣器发出声响和发光二极管发光。四、进度安排第一天：介绍所用仿真软件；布置任务，明确课程设计的完整功能和要求。第二天：消化课题，掌握设计要求，明确设计系统的全部功能，图书馆查阅资 料。第三天：确定总体设计方案，画出系统的原理框图。第四天：绘制单元电路并对单元电路进行仿真。第五天：分析电路，对原设计电路不断修改，获得最佳设计方案。第六天:完成整体设计并仿真验证。第七天：对课程设计进行现场运行检查并提问，给出实践操作成绩。第八天:完成实践报告的撰写

3、五、成绩评定课程设计成绩按优、良、中、及格、不及格评定，最终考核成绩由四部分组成:1、 理论设计方案，演示所设计成果，总成绩 40%;2、 设计报告，占总成绩30%;3、 回答教师所提出的问题，占总成绩 20%;4、 考勤情况，占总成绩10%;无故旷课一次，平时成绩减半；无故旷课两次平时成绩为0分，无故旷课三 次总成绩为0分。迟到20分钟按旷课处理。目录前言-.5.-1、总体设计思路、基本原理和框图 -6-1.1 设计思路-.6-1.2 设计原理和功能 .-.7-1.2.1 基本功能-.7-1.3 总体设计框图 -.8-2、单元电路设计 -.9 -2.1 各芯片的用法和功能-.9-2.1.1

4、74LS00-.9-2.1.2 555 定时器.-.9-2.1.3 74LS90二 10 -2.1.4 74LS192二 11-2.2 单元模块-.1 2 -2.2.1 秒脉冲发生模块-.12 -2.2.2 倒计时模块-.13 -2.2.3 控制电路模块-.14 -2.2.4 报警提示模块 -.15 -3、电路仿真调试（总电路图） -.16 -3.1 总电路图-.16 -3.2 仿真调试-.17 -3.2.1 启动功能.-.17 -3.2.2 复位功能二18 -3.2.3 暂停功能.-.18 -3.2.4 自动停止、复位功能 -.19 -4、故障分析与电路改进 -.21 -4.1 故障分析和解

5、决 -21 -4.2 电路改进-.21-5、总结.-.2.3 -6、元件清单-24 -前言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的 应用是相当普遍的。在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过 24秒，否则就违例了。本 课程设计“智能篮球比赛倒计时器的设计”，可用于篮球比赛中，用于对球员持 球时间24秒限制。一

6、旦球员的持球时间超过了 24秒，它自动报警从而判定此球 员的违例。本设计主要能完成一下功能：显示 24秒倒计时功能；系统设置外部操作开 关，控制计时器的直接复位、启动和暂停/继续功能；在直接复位时，数码管显 示为“24” ；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“00” 时，数码显示器不灭灯，并且直接回到“ 24”，同时报警电路发出光电报警信号 等。整个电路的设计借助于Multisim仿真软件以及数字电路相关理论知识，并 在Multisim下设计和进行仿真，得到了预期的结果。1、总体设计思路、基本原理和框图1.1 设计思路本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球比赛24

7、秒倒计时器。此计时器功能齐全，具有直接复位、启动、暂停|继续以及光电报警功能，同时 使用了两个共阴极数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和继续功能，可 以方便地在中途实现暂停计时功能。当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下5个部分组：秒信号产生模块、 计时模块、控制模块、译码显示模块以及报警电路模块。在设计此倒计时器时， 采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。篮球比赛24秒倒计时系统的主要功能包括：进攻方 24秒倒计时和计时结 束警报提示。秒信号产生电路由555定时器构成的多谐振荡器和74LS90构成的 分频器构成，为计数电路提供计

8、数秒脉冲。攻方 24秒倒计时，当比赛准备开始 时，屏幕上显示24秒字样，当比赛开始后，倒计时从 24逐秒倒数到00。这一 计时模块主要是利用双向计数器 74LS192来实现；控制电路主要利用 SR锁存器 的锁存功能和计时电路的反馈信息来控制电路的计时模块，以实现倒计时器的多项功能。当计数器计时到零时，警报电路给出发光提示和提示音。这部分电路主 要通过一些门电路来实现。1.2 设计原理和功能篮球比赛24秒倒计时器的总体电路包括秒脉冲发生电路、计数电路、显示 电路、报警电路和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复位、启

9、动 计数、暂停/继续计数、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，本电路采用555定时器组成的多谐振荡器产生秒脉冲信号。显示电路采用共阴极数码管对计数器的输出信号直接进行译码显示。报警电路在实验中可用发光二极管和蜂鸣器代替。主体电路：24秒倒计时部分由74LS192计数器组成的计数电路完成。计数 芯片清零端接低电平，并使计数器工作在减计数状态。系统启动后，计数器的置 数端无效，24秒倒计时器开始进行倒计时，逐秒倒计到零。利用计数器减计数 到“00”状态后将自动跳变到“ 99”状态继续进行倒计时这一特点，将短暂出现 的“ 99”状态信息通过与

10、非门反馈到控制电路，使控制电路控制计数器的置数端持续有效，电路回到“ 24”状态并停止计时。另外，在控制电路中还设置了控制 开关来实现电路的启动、直接复位以及暂停/继续等功能。1.2.1 基本功能本电路基本功能主要包括启动、直接复位、暂停 /继续等功能，这些功能的 实现由控制电路的控制作用来完成。启动功能：控制电路部分主要由与非门组成的 SR锁存器和一些门电路、控 制开关组成。在保证74LS192双向计数器工作在减计数状态的前提下， 将其置数 端接在控制电路SR锁存器的输出端。在按下启动键J1之前，锁存器输出为低电 平，置数端有效，计数器处于置数状态。当按下 J1后，锁存器输出翻转为高电 平，

11、置数端无效，计数器进入计数状态。直接复位功能：单刀双掷开关J3为复位键，当其接在锁存器输出端时，计 数器按照其他控制信号正常工作，当按下 J3将其接地时，计数器置数端被置零 处于有效状态，计数器直接复位为“ 24”当再次按下开关时，计数器再次工作进 入计数状态。暂停/继续功能：开关J2为暂停/继续键，当其断开时多谐振荡器产生的秒脉冲信号被截断，因而计数器暂停计数并保持；当开关 J2闭合时，秒脉冲信号 接通继续为计数器提供脉冲信号，计数器继续进行计数。1.3 总体设计框图图1.1总设计框图2、单元电路设计2.1 各芯片的用法和功能2.1.1 74LS0074LS00为二输入与非门，本电路利用其构

12、成了 SR锁存器和其他一些基本功 能。与非门逻辑功能为两输入端有“ 0”为“1”，全“1”为“0”。两输入与非门 74LS00弓|脚图如图2.1所示。Vcc 骷 M ¥1£1 AJ *3W LE>Fl Pn1234$ yAlBl ¥|4?32 tl GNU图2.1 74LS00 引脚图2.1.2 555 定时器555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，具应用极为广泛。 它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。555定时器的内部电路由分压器、电压比较器 G和C2、简单SR锁存器、放 电三极管T以及缓冲器G组成，其内部结构图如图2.2所

13、示。CTH)m 一01少vww. nTfj swT -ccsm, Cn图2.2 555定时器内部结构图本电路采用555定时器构成的多谐振荡器产生脉冲信号用555定时器构成的多谐振荡器如图2.3(a)所示。接通电源后，电容 C被 充电，当Vc上升到2Vcc/3时，是V。为低电平，同时放电三极管 T导通，此时电 容C通过尾和T放电，Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，V。翻转为高电平。电容器 C放电所需时间为tPL=RC In 2 = 0.7R2c当放电结束时，T截止，Vcc将通过R、R向电容器C充电，Vc由Vcc/3上 升到2Vcc/3所需时间为tpH=(Ri+R)C In 2=0.7(Ri+R

14、)C当vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电 路的输出端就得到了一个周期性的举行波。电路的工作波形如图2.3 (b),器振荡频率为f=1/( tpl+ t ph) = 1.43/(R i+2R)C(a)电路图(b)工作波形图2.3 由555定时器组成的多谐振荡器2.1.3 74LS90本电路秒脉冲发生信号由多谐振荡器和74LS90构成的分频器组成。首先由多谐振荡器产生频率为1000Hz的周期矩形波信号，然后经过分频器分频最终得 到频率为1Hz的脉冲信号。74LS90计数器是一种中规模二一一五进制计数器,将三片74LS90级联便可构成分频比为1000的分频器。其功

15、能表如图2.4所示。复位输入Mr HlRjS jSgQb Ql Qn QaH H L XII H XLX X EI 11X LXLLXLXLXXLXLLXL L L LL L L L 11 L L 11 计atii-故计数it数图2.4 74LS90功能表A.将输出Q与输入B相接构成8421BC驷计数器。B.将输出Q与输入A相接构成5421BC驷计数器。C.表中H为高电平、L为低电平、X为不定状态。74LS90逻辑电路图如图2.5所示，它由四个主从JK触发器和一些附加门电 路组成。在74LS90计数器电路中，设有专用置“ 0”端R、R和置位（置“9” 端）Si、S20图2.5 74LS90 引

16、脚图2.1.4 74LS19274LS192是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进 位和借位输出端。当需要进行多级扩展连接时，只要将前级的端接到下一级的 CP端，端接到下一级的CR端即可。74192功能表和引脚图如图2.6、2.7所示:UPDOWNLDCLR操作XxX1清零Xx00T110加计数1T10减计数1110保持74LS192D图2.6 74LS192 功能表图2.7 74LS192引脚图图中：LOA时置数端，接低电平是预置数置入，正常计数时接高电平；CLR 为清零端，接高电平时计数器清零；UP为加计数端，DOWN减计数端，实现加 计数时DOWN高电平，UP接脉冲信

17、号，实现减计数时 UP接高电平，DOWN脉 冲信号；CO为进位输出端，BO借位输出端；A、B、C、D为计数输入端；Q、 Q、Q、Q为数据输出端。2.2单元模块2.2.1 秒脉冲发生模块秒脉冲的产生由555定时器所组成的多谐振荡电路和 74LS90构成的分频器 完成。电路图如图2.7所示，首先由多谐振荡器产生频率为1000Hz的周期矩形波信号，然后经过分频器分频最终得到频率为1Hz的脉冲信号。当开关闭合时，分频器输出的频率为1Hz的脉冲信号输入到74LS192中；当开关断开时，没有脉 冲输入74LS192中，故74LS192处在保持状态，即实现暂停功能。1:L 0DVC3L3T555VIRTUA

18、LUALCHS.>57.7产SSOD：1000 ： ' ' RI 图2.8秒脉冲发生电路图2.2.2 倒计时模块24秒倒计时电路。这部分电路的主体部分在时钟脉冲的输入情况下工作， 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，由于本系统只需要从开始时的“ 24”倒计到“ 00”然后停止， 所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。因为预置的数不是“ 00”，所以我选用置数端LOADfE进行预置数。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，GNDg地；时钟脉冲输出后接

19、到低位的DOWN然后从低位BO接到高位的DOW；N低位输入端C、高位/&入端B 接电源，其他引脚和CLRS接地。LOADt到开关J3的非活动端。电路图如图2.8 所示。11?74L $19 曲- - 3 一¥归二 fi- ffls J'UI ： 74LS1S2N图2.9秒脉冲产生电路10 ' - h2.2.3 控制电路模块倒数计数器到零时，需要将电路转换到“ 24”并且停住。现在选取计数器到 零的状态24秒计到“00”，从两片74LS192芯片的输出引脚QD引出线接到二脚 与非门，当计数器从“ 00”状态转换到“ 99”时，用与非门把该状态转换成低电平（其余时

20、间为高电平）控制LD o使电路转换到“ 24”。由于数字99是在很短 的时间才能看到，用肉眼是看不到的，于是能实现从“00”到“24”的转换。再通过与非门所组成的触发器的输出端输出低电平，使74LS192处于保持状态。这样就实现了转换并停止的电路。电路图如图 2.9所示。印田 <0图 2.10UP）卬用声 2.2.4 报警提示模块当电路由“00”至U “24”时，构成SR锁存器的下面一个与非门输出低电平，而鸣蜂器的和LED1的正极已经接了高电平，故这时由于两端存在电压差, 所以鸣虫I器和LED1均能正常工作。从而发出报警信号。如图 2.10所示3、电路仿真调试（总电路图）3.1 总电路图

21、由多谐振荡器和分频器共同产生的秒脉冲输入到计数器低位片的DOWN,作为减计数脉冲。当按下启动开关 J1使其活动端接地时，计数器开始计数。当 计数器计数计到0时，低位片的（13）脚输出借位脉冲使高位计数器开始计数。 当 计数器计数到“00”时应使计数器复位并置数“24”。本电路利用从“00”到“99” 时，通过与非门，使电路置数到“ 24”并且保持该X犬态。由于“ 99”是一个过渡 时期，不会显示出来，所以本电路采用“ 99”作为计数器复位脉冲。当计数器由 “00”跳变到“99”时，利用个位和十位的“ 9”即“1001”通过与非门U8去触 发SR触发器使电路翻转，使11脚变为低电平，计数器置数，

22、并保持为“ 24”， 同时LED发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警。若需要暂停时，断开 暂停/继续开关J2,这时CP信号被截止，计数器停止计数并保持不变。当闭合 J2后，计数器继续计数。J3为直接复位开关，当将其活动端接地时，无论计数 器处于什么状态，计数器将立即复位到“ 24”。U4UC口 H = X DIG HFDClU3 74LS192N3f1>00DCD HFK WG RFD图3.1总电路原理图3.2 仿真调试3.2.1 启动功能当按下启动开关J1使其活动端接地时，计数器开始计数jBHaM HCC IliZK D G REDDC口 HEX DIS RED图3.2 刚刚后动

23、时图图3.3 运行中图3.2.2 复位功能J3为直接复位开关，当将其活动端接地时，无论计数器处于什么状态，计 数器将立即复位到“ 24”。图3.4直接复位图555 VIRTUAL Timur1IR3.2.3 暂停功能J2 为暂停/继续开关，断开暂停/继续开关J2,这时CP信号 器停止计数并保持不变。当闭合 J2后，计数器继续计数。被截止，计数DCD HEX_MG REDI碧鸿Hvcc4LS00N555VIRTUALUlTii 汗LED1必SOM All JE1GM HiMA- 1»0QWI SH MlU9A74.LSD'0NI III IDCD HEX DG REDn74LS

24、- D2IJ1000UI II 74LS9-DrdLsanI'iLSdU=IOpFCT图3.5 暂停状态图3.2.4自动停止、复位功能当计数器计数到“ 00”时，计数器自动复位并置数“ 24”。同时LED发光二极管亮，蜂鸣器发出报警声，即声光报警4LS00Nj-CD HEX MG IRS)74Lfi*Q2rJJ iiY用书I74LS30NLtUl10vccSOMALE1000 Ml1叩nDCD HEX CHG REDM 二二二= hU3umTdL S3。15&5 i：iSVVCC555= !Or»rCf100QVIRTUALTim jinT4LMU'CCD H

25、EX OG REDan4LSOON-Clfa555VIRTUALTimi 国LtUl1叩nj-1D0Q 用az>TdLSIlm= 10r(r C=10pF Cfkey = Soa&e二3> iT<L S9074LS1O2NI SOMALEm 1000 Hz期工匚K4LSaOf4LMU'图3.6自动停止、复位图4、故障分析与电路改进4.1 故障分析和解决电路在整体设计好之后，仿真时出现各种故障是在所难免的。比如，由于粗心造成的连线错误，电源、电容或电阻等元器件参数选择不当等都会对仿真结果 造成影响，甚至使电路不能运行。这就需要我们在完成整体设计之后不断的仔细 检

26、查与认真思考，改正电路存在的各种错误和不完美的地方，使电路应有的各项功能都能很好的实现，并且整齐美观。在分析电路故障的过程中，一定要有足够的耐心和细心。首先要利用学习的 理论知识对各种芯片、器件的工作原理、工作条件等有一个明确的认识，再根据 电路存在的问题找出原因与解决办法。遇到实在无法解决的问题要努力查阅资料 或向老师请教。4.2 电路改进经过一系列的调试、改正后，本电路已经能够正确的实现各项功能并稳定工 作，但仍存在许多不足与缺点。其中主要问题是利用555定时器构成的多谐振荡 器所产生的脉冲信号稳定性不是特别好， 而且由于让其产生正常波形的电容、 各 电阻的比例不好掌握，所以很难通过理论计

27、算使其产生理想频率的脉冲信号。而且多谢振荡器也不容易直接产生频率为 1Hz的脉冲信号。经过反复的思考和老师 的指导，我利用Mltisim软件自动编译电路功能产生了一个输出信号频率为 1kHz 的多谐振荡器，然后利用74LS90构成一个分频器对多谐振荡器产生的信号进行 分频最终得到1Hz的脉冲信号。另外，仿真时还出现了理论倒计时时间和仿真时间不一致的情况， 这一问题 主要是由于仿真步长的设置不合理和脉冲信号产生电路不太稳定造成的， 经过一 些设置和改进，最终电路倒计时时间基本上接近 1秒钟。从实际应用角度来看，本电路还是有值得改进的地方。比如当数码管显示到 “00”时便发出警报信号，应该是更合理

28、的。但是本电路只有在从“00”转到“24” 是才能报警。实际的电路改进可以先在两个74LS192的输出端接上两个四输入与 非门，并接到触发器的输入端，这样能实现当数码管显示到“ 00”时，实现报警 功能。但是，这样的代价就是使电路更加的复杂。5、总结在此次课程设计中，我们将本学期学习的数字电路的基本理论知识与其实际 应用联系起来。拿到课程设计的题目后，首先根据学到的理论和老师讲授的方法， 和同组同学一起分析研究此次电路设计的任务和要求，初步确定了整个电路的大体框架和各个功能的实现方法。然后按照分析的结果进行整体的电路设计。电路初步完成后，部分地方的思考不够缜密导致电路还不够完善，在运行过程中出现了一些问题。后来经过仔细检测和校正，电路进一步完善并能够正常工 作。在其中遇到一些凭一己之力难以解决的问题时，我们都认真分析讨论，通过大家的力量解决问题。对于一些实在难以解决的问题，我们也认真向老师询问请 教，和老师一起探