篮球竞赛30秒计时器-数电课程设计

1、第 页篮球竞赛30秒计时器序言篮球比赛中除了有总时间倒计时外，为了加快比赛的节奏，新的规则还要求进攻方在24秒内有一次投篮动作，否则视为违例。本人设计了一个篮球比赛计时器，可对比赛总时间和各方每次控球时间计时。该计时器采用按键操作、LED显示，非常实用。此计时器也可作为其他球类比赛的计时器。一、设计要求：130秒计时器具有显示30秒的计时功能。2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。3计时器为30秒递减计时时，其计时间隔为1秒。4当计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，应发出光电报警信号。二、设计方案分析设计任务，该系统包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助

2、时序控制电路（简称控制电路）和报警电路等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30s计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。为了满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP,同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；当暂停连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。另外，外部操作开关都应采取

3、去抖动措施，以防止机械抖动造成电路工作不稳定。系统设计框图如图下图所示。三、各个电路的功能分析1、译码显示电路用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。因为计算机输出的是BBCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成7段字型数码管所要求的代码。我们把能够将计算机输出的BCD码换成7段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常用的74LS194在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方

4、面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成，如图5.3.5所示。下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。驱动器显示器A数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品,广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。数码的显示方式一般有三种：第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示某字符，只须使相应的电极发亮即可，如辉光放电管、边123光显示管等。第二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成，如荧光数码管等。第三种是点阵式，它由

5、一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组合便可显示不同的数码，如场致发光记分牌。D数电课程设计数字显示方式目前以分段式应用最普遍，图5.3.6表示七段式数字显示器利用不2同发光段组合方式，显示015等汙拉伯数字。在实际应用中，1015并环采用，而是用2位数字显示器进行显示。显示器按发光物质不同，数码显示器可分为下列几类：（1）半导体显示器，亦称发光二极管显示器；（2）荧光数字显示器，如荧光数码管、场致发光数字板等；（3）液体数字显示器，如液晶显示器、电泳显示器等；（4）气体放电显示器，如辉光数码管、等离子体显示板等。如前所述，分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的

6、。因此，为了使数码管能将数码所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3,则译码驱动器应使a、b、c、d、g各段点亮。即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出端有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。74LS148LBI3DCB七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：灭灯输入BI/RBO234第3页数电课程设计第 页BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RB

7、O作输入使用且BI=0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0,所以字形熄灭。试灯输入LT当LT=0时，BI/RBO是输出端，且RBO=1,此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。动态灭零输入RBI当LT=1，RBI=0且输入代码DCBA=0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。动态灭零输出RBO74LS148功能表输入输出ST瓦坯瓦石X石1AK1111101111111111110a

8、KKKKKKK0000010KKKK01001010XXXXX011010010XXXX011101101aKKK01111100010A-011111101010s0A-1111111100100111111111101BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT=1且RBI=0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT=1且RBI=1，则RB0=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT=1,这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入BCD码决定的，

9、并且满足显示字形的要求。2、CC40161计数电路计数器是一个用以实现计数功能的时序部件。它不仅可用来计脉冲数，还常用作数字系统的定时，分频和数字运算的逻辑功能。计数器种类很多。按材料来分有TTL型及CMOS型，按工作方式来分有同步计数器和异步计数器。根据计数制的不同分为二进制计数器、十进制计数器和N进制计数器。根据计数的增减趋势，又分为加法、减法和可逆计数器。还有可预置数和可编程功能计数器等等。常用计数器见表2-26。经查器件手册可根据器件不同特点分别选用。表2-26常用计数器类型TTLCMOS十同递异步清除7416040160增同步清除74162进步可单时钟74168,1904510逆双时

10、钟7419240192制异二五十进制74196,90步74290四同递异步清除7416140161位增同步清除74163二可单时钟74169,1914516进步逆双时钟7419340193制异二八十八进制74197,93步74293异二六十二进制74927位二进制4024步12位二进制404014位二进制40601）异步清除：当莎=0时QQQQ=OOOO。01232)同步预置：当CR=1,LD=0时在CP上升沿作用下，QQQQ=DDDD。01230123。计数：CR=1,LD=1当使能端CT=CT=1时，对CP脉冲实现同步计数。PT锁存：当使能端ET=0或ET=0时，计数器禁止计数，为锁存状态

11、。PT其外引线排列图见图2-47所示，CC40161的功能表详见表2-27。(3)N进制计数器构成法采用复位法或置位法通过在片外添加适当逻辑即可实现任意进制计数器。1）复位法利用清除端CR构成。即当计数计到N时，例如N=10则QQQQ=1010TOC o 1-5 h z3210（十进制10）时通过反馈逻辑强制计数器清零，见图2-48。该电路由于1010状态只是瞬间，工作不太可靠，因此很少采用。2）置位法利用预置端LD构成。把计数器输入端DDDD全部接地。当计0123数器计到N1时，例如1001（十进制9时）通过反馈逻辑使LD=0则当第十个CP到来时，计数器输出端为QQQQ=0000。这样可以克

12、服利用清除端CR构成的0123计数器的缺点。利用预置端LD构成的计数器见图2-49。或者利用串行进位输出CO同步预置补数的方法实现任意进制计数器，简称CO置补法。CO置补法具有通用性。使DDDD预置M,M=MN，M则指选用计数器。即预置DDDD=0110即32103210可。在实际应用中，往往需要多片计数器构成多位计数状态即计数器的级联方法。级联可分为串行进位和并行进位两种。串行进位的级联电路其缺点是速度较慢。并行进位（也称超前进位）。后者比前者的速度大大提高。定时器电路习惯上称为555电路，这是因为内部参考电压使用了3个5KQ的电阻分压,故取此名。555电路是一种数字和模拟混合型的中规模集成

13、电路,它能产生时间延迟和多种脉冲信号，应用十分广泛。其电路类型有双极型（TTL型）和单极型（CMOS型）两大类，二者的电路结构和工作原理类似。TTL型产品型号最后的3位数码是555或556；CMOS型产品型号最后4位数码是7555或7556；二者的逻辑功能和管脚排列完全相同,易于互换。555芯片和7555芯片是单定时器,556芯片和7556芯片是双定时器。双极型的电源电压VCC=+5V+16V,单极型的电源电压Vdd=+3V_+18V。它含有3个分压电阻和两个高、低电平比较C、C2,一个基本RS触发器，一个放电开关管T。高电平比较器C1的同相输入端参考电平为2VCC/3，低电平比较器C2的反相

14、输入端的参考电平为Vcc/3,C1与C2的输出端控制基本RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6管脚输入并超过参考电平2VCC/3时,触发器置0，定时器的输出端3管脚输出低电平,同时放电开关管导通；当输入信号自2管脚输入并低于VCC/3时,触发器置1,定时器的3管脚输出高电平,同时放电开关管截止。R是直接复位端，当R=0,定时器输出低电平。平时R端开路。DDDvc是外接控制电压输入端(5管脚)，当vc外接一个输入电压uvc时，则改变比较器的参考电压(UT+=UVc，Ut-=Uvc/2)；不接外加电压时，通常接一个0.01pF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来干扰，确保参考电平的稳定。T

15、为放电管，当T导通时，将给接于7管脚的电容器提供放电通路。3、555定时器555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。用555定时器构成多谐振荡器：用555定时器构成多谐振荡器电路如图2.8.2(a)所示。电路没有稳态，只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用电源VCC通过R1和R2向电容器C充电，使uc逐渐升高，升到2VCC/3时,uO跳变到低电平，放电端D导通，这时，电容器C通过电阻R2

16、和D端放电，使uc下降，降到VCC/3时,uO跳变到高电平,D端截止，电源VCC又通过R和R2向电容器C充电。如此循环，振荡不停，电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电,输出连续的矩形脉冲，其波形如图2.8.2(b)所示。数电课程设计+Vdd数电课程设计第 页a)第9页(b)RiR2uc8465553u21;p0.01|iF_23丁3a)输出信号UO的脉宽tW1、tW2、周期T的计算公式如下：tW严0.7(R+R2)Ctw2=0.7R2CTtwi+tW2O,7(R1+2R2)C用555定时器构成施密特触发器：用555定时器构成的施密特触发器如图2.8.3(a)所示。将2管脚和6管脚连

17、在一起作为信号输入端即可。在输入端外接三角波片,当ui上升到2VCC/3时，输出uO从高电平翻转为低电平;当ui下降到VCC/3时，输出UO从低电平翻转为高电平。施密特触发器将输入的三角波整形为矩形波输出。电路的工作波形如图2.8.3(b)所示。回差电压电压3VCC_tVCC1VCCui如图所示：用555定时器构成单稳态触发器：b)1U8447*6555325一LuiRuc+Vcc0.01|iF用555定时器构成单稳态触发器电路如图2.8.4(a)所示。R、C是定时元件。输入脉冲信号ui加于2管脚。输入触发信号片的有效电平是低电平，当ui处于高电平时，放电端D导通,uC和uO均为低电平，电路为

18、稳态。当输入触发信号ui的下降沿到来时刻,2管脚电位瞬间低于VCC/3,使输出uO变为高电平,放电端D截止,电源VCC通过电阻R向电容器C充电，使uC按指数规律上升,电路为暂稳态。当uC上升到2VCC/3时,使输出uO变为低电平,D端导通，电容器C经D端迅速放电,暂态结束,自动恢复到稳态,为下一个触发脉冲的到来作好准备。波形图如2.8.4(b)所示a)输出脉宽tW是暂稳态的持续时间为tW=1.1RC此电路要求输入信号的负脉冲宽度一定要小于tW4、74LS192计数器计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的

19、逻辑功能。计数器的种类很多。按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分有：同步计数器和异步计数器；根据计数进制的不同分为：二进制、十进制和任意进制计数器；根据计数的增减趋势分为：加法、减法和可逆计数器；还有可预置数和可编程功能计数器等。目前，TTL和CMOS集成计数器都有较齐全的品种。74LS192具有下述功能：异步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000异步置数：CR=O,LD=0,Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0保持：CR=0,LD=1,CPu=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态加计数：CR=0,LD=1,CPU=CP,CPD=1,Q3Q2Q1Q0按加法规律计数减计数：CR=

20、0,LD=1,CPU=1,CPD=CP,Q3Q2Q1Q0按减法规律计数利用集成计数器芯片可方便地构成任意（N）进制计数器。方法：反馈归零法：是利用计数器清零端的清零作用，截取计数过程的某一个中间状态控制清零端,使计数器由此状态返回到零重新开始计数把模数大的计数器改成模数小的计数器。关键是清零信号的选择与芯片的清零方式有关。异步清零方式以N作为清零信号或反馈识别码，其有效循环状态为0N-1；同步清零方式以N-1作为反馈识别码，其有效循环状态为0N-1。还要注意清零端的有效电平，以确定用与门还是与非门来引导。反馈置数法：是利用具有置数功能的计数器，截取从Nb到Na之间的N个有效状态构成N进制计数器

21、。其方法是当计数器的状态循环到Na时，由Na构成的aa反馈信号提供置数指令，由于事先将并行置数数据输入端置成了Nb的状态，所以置数指令到来时，计数器输出端被置成Nb，再来计数脉冲，计数器在Nb基础上继续计数直至Na，又进行新一轮置数、计数。a关键是反馈识别码的确定与芯片的置数方式有关。异步置数方式以Naa=Nb+N作为反馈识别码，其有效循环状态为NbNa；同步置数方式以Na=Nb+N-1作为反馈识别码，其有效循环状态为NbNa。还要注意置数端的有效电平，以确定用与门还是与非门来引导。四、总体电路图五、参考文献1、电子电路设计与实践、姚福安编著山东科学技术出版社2、电子技术基础课程设计、粱宗善华中理工大学出版社3、数字逻辑电路设计与实验、绳广基编著上海交通大学出版社4、数字集成电路应用300例、黄继昌等主编人民邮电出版社5、电子技术实验指导书李国丽、朱维勇主编，中国科技大学出版社6、电