篮球比赛24秒计时器的设计

赣南师院物理与电子信息学院

数字电路课程设计报告书姓名:班级：电子信息工程09级学号:时间：2011年6月15日

论文题目篮球比赛24秒计时器的设计课程论文要求在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就违例了。本课程设计的“篮球比赛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违例。具体要求如下：1、 设计一个篮球比赛24秒计时器，具备显示24秒计时功能；2、 计时器为递减工作，时间间隔为1S；3、 递减到零时发光报警；4、 设置外部开关，控制计时器的启动、暂停。设计过程一、 设计方案1、 硬件实验：本次试验由秒脉冲发生器、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，本设计利用555作为振荡电路，74LS161实现十分频，由74LS192、74LS48和七段共阴LED数码管构成计时电路，具有计时器启动、暂停、连续计时和报警功能，绘制好电路图，焊好电路板。2、 软件实验：在QUARTUSII软件中，运用VHDL语言编写程序，其中包括计数器，计时器，控制部分以及七段显示码译码器部分，再利用仿真检测结果，最后到实验室下载记录结果，实现功能。二、 设计思路在NBA篮球比赛中有一个24秒进攻规则，即从获取球权到投篮击中篮板、篮框、命中或投篮被侵犯，其有效时间合计不能超过24秒，否则被判违例，将失去球权。在此过程中，设置24秒、启动倒计时、暂停倒计时或者中途终止24秒（即球权归对方）均由裁判控制。1、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，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停/连接计数、译码显示电路的显示和灭灯等功能。本设计米用555作为振荡电路，由74LSl92、74LS48和七段共阴LED数码管构成计时电路，具有计时器、启动、暂停、连续计时和报警功能。该电路制作、调试简单，采用普通器件，一装即成计数器计数器由两片74LS192同步十进制可逆计数器构成。利用减计数RD=0,LD=0,CPD=1,实现计数器按8421码递减进行减计数。2、脉冲信号经过递减计数器、译码器、再由数码管显示出来，中间包括控制电路因为实验要求是计时器递减，按照每秒一次的规律，所以应该设计一个千分频，CLK=1KHZ，分频后CLK1=1HZ,再设计两个减法计数器，一个为2进制，一个为4进制，十位为2进制个位为4进制，要求是个位为0，十位为0的时候显示灯亮，并且个位变为2，十位变为4，然后再依次递减。设计控制端，使能控制端en，en=1时，继续计数，en=0时，计数不变，起到一个暂停的作用，清零端cln，cln=1时计数清零，cl=0时可以计数，置数端ldn，ldn=1时，计数不变，ldn=0时，可以置数0~9设计一个译码器，编写一个七段显示码，由一个简单的计数器控制循环，一个进程选定两个数码显示管显示数据。三、设计过程1、硬件电路实验1.1电路设计分析555定时器用来产生周期为1秒的脉冲信号，供计数器进行倒计数，以便将计数器输出的数据传送给译码器，译码器再译码驱动七段数码管显示输出，控制电路实现“篮球竞赛30s”的暂停/继续工作，清零复位，置数/工作；报警电路实现30s计数器减至0秒时报警电路发出光警报，由此分析得出30秒计时器的总体参考方案框图如图1-1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。图1-124秒计时器系统设计框图1.2单元电路设计1.2.1秒脉冲发生器用555与74LS161集成电路组成多谐振荡电路为系统提供时钟秒脉冲。555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器q输出翻转，输出电压为零，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过R1、R2又开始充电；周而复始，形成振荡。则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响。公式计算：T1=(R1+R2)Cln2;T2=R2Cln2;振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C=0.1(s)若取C=10uF，结合实际选取电阻为R1=5.1K,R2=4.7K再通过74LS161计数产生秒脉冲图1-2555多谐振荡电路图1.2.2计数电路计数电路选用两片中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192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。两片74LS192构成预置数的三十进制递减计数器，计数器十位接成三进制，计数器个位接成十进制，置数端A、B、C、D通过开关接高低电平，若接高电平可进行其他置数；此计数器预置数为（00011000）=（24）10，只有当低位端发出错位脉冲，高位计数器才做减计数。1片74LS192构成1秒减计数电路（即个位）。74LS192的引脚图和功能表如图所示。它的计数原理是：使加计数脉冲信号引脚CPu=1，计数脉冲加入个位74LS192引脚CPD脚，当减计数到零时，个位74LS192的亦端发出错位脉冲，使十位计数器减计数，当高、低位计数器处于全零时，CPD（DWN）端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下次循环减计数。Voc Po MR KD PL Pz Pj同同网同国回网网，|l| in |3| |4| |5| |g| Ml |e|Pi D1 □[, CPD CPU 02 Q3 GND图1-374LS192引脚图表1 74LS192功能表输出输入MRLDCPuCPdP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01XXXXXXX000000XXdcbadcba01t1XXXX加计数011XXXX减计数1.2.3译码显示电路此模块主要是由74LS48译码器和共阴极七段LED显示器组成，通过计数器加到译码器，从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数显示功能。1、74LS48是七段显示译码器，其管脚图如下图2-3所示。现将各管脚功能介绍一下：A、B、C、D是BCD码的输入端；a,b,c,d,e,f,g是输出端；试灯输入端L:低电平有效。当L=0时，数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏；动态灭零输入端丽:低电平有效。当万=1、丽=0、且译码输入为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。如数据0034.50可显示为34.5；灭灯输入/动态灭零输出端丽:这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当丽0作为输入使用，且丽0=0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。当商0作为输出使用时，受控于LT和丽:当L=1且丽=0时，RB。=0；其它情况下RBO=1。本端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。本设计将RBI、LT、面都置高电平。CONNECTIONDIAGRAMDIP(TOPVIEW}

\'QCfga3cceIII2IIjjI?」IFIIE|I7|I5BC_TBI-'RECRBDAGNZ图1-4 74LS48管脚图2、共阴极七段LED显示器是较常用的显示数码管，但在使用时要注意的是:看清楚自己用的数码管是共阴极还是共阳极的，最好在使用前用万电用表测一下它的极性，其管脚图如下图2-4所示，如果为共阴极的，其管脚COM端接地;如果为共阳极的，起管脚COM段要接高电平。

图1-5共阴极七段LED显示器管脚图1.2.4报警电路报警电路，经过74LS00的一个高电平促使发出光报警，当复位时警报停止。电路图2-5所示。图1-6报警电路1.2.5控制电路控制电路是24S倒计时设计的核心，电路如图2-6。当复位开关闭合时，触发器置低电平，送至74LS192的LD端和UP端，计数器的LD=0，计数器预置数，反之，计数器启动处于计数工作状态。图(a)开关SW1控制计数器的暂停/计数。74LS11输出端接74LS192(2)的DWN端。当SW1下合时，触发器输出低电平，与十位74LS192(1)的13脚BO端输出的高电平和555定时器输出的时钟脉冲一起通过2与门，使得2与门输出低电平，送至74LS192(2)的4脚DWN端，令计数器停止工作，显示器上保持原来的数不变；当SW1上合时，74LS00门电路打开，脉冲信号送入计数器的减脉冲输入端，计数器继续累计计数。

图2-6暂停/继续工作电路1.2.6开关设置为了方便控制操作，灵活更改预置数范围，本设计使用了几个开关，其实际效用见表2所示。表2开关设置一览表开关名称实际效用置数/启动切换开关，清零/工作切换开关，暂停/继续切换开关，十位置数切换开关和光电报警停止开关。表2开关设置一览表开关名称实际效用复位开关置数/启动切换开关SW1暂停/继续切换开关1.3整体电路图根据以上各个模块分析得出整体电路图，如图1-10所示。

•卜卜-.△■■-rSo35nR8633叩aaaa与臼mWR1/■■■x.U9A->ILJI<••卜卜-.△■■-rSo35nR8633叩aaaa与臼mWR1/■■■x.U9A->ILJI<•E」卜卜.BdSB拦白上4验.:-曲B海B图1-10实验仿真结果如下：通过Proteus7.7的仿真，可以很好的看到从24到00的计数，通过SW1可控制计数的暂停与继续，复位开关控制启动与复位，当计数到00时，发光二极管发光报警。2、软件实验原理用VHDL语言编写程序，能实现倒计时计数，暂停，清零等功能，其中要编好七段显示管的程序，使其能在实验箱上正常显示。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitydjsisport(clk,cln,en,ldn:instd_logic;d:instd_logic_vector(3downto0);display:outstd_logic_vector(6downto0);sel:outstd_logic_vector(1downto0);co:outstd_logic);end;architectureoneofdjsissignalcqs:std_logic_vector(3downto0):="0010”;signalcqg:stdlogicvector(3downto0):="0100";signalq:integerrange0to999;--signalqs,qg:std_logic_vector(3downto0);signalclk1:std_logic;signaldis_temp:std_logic_vector(3downto0);signalcounter:integerrange0to1;signalDisp_Decode:std_logic_vector(6downto0);beginprocess(clk1,cln,en,ldn)beginifcln='1'thencqs<="0000";elsifclk1'eventandclk1='1'thenifldn='0'thencqs<=d;elseif(en='1'andcqg<="0000")thencqs<=cqs-1;ifcqs="0000"thencqs<="0010";elsifcqs<"0011"thencqs<=cqs-1;elsecqs<="0000”;endif;endif;endif;endif;--qs<=cqs;endprocess;process(clk1,cln,en,ldn)beginifcln='1'thencqg<="0000";elsifclk1'eventandclk1='1'thenifldn='0'thencqg<=d;elseif(en='1'andcqs<="0010")thencqg<=cqg-1;ifcqg="0000"andcqs="0000"thencqg<="0100";elsifcqg<"0101”thencqg<=cqg-1;ifcqg="0000"and(cqs="0001"orcqs="0010")thencqg<="1001";elsifcqg<"1010”thencqg<=cqg-1;elsecqg<="0000";endif;endif;endif;endif;endif;--qg<=cqg;endprocess;process(ldn,cln,en)begin

if(en='1'andcqs="0000"andcqg="0000")thenco<='1';elseco<='0';endif;endprocess;process(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenifq=999thenq<=0;elseq<=q+1;endif;ifq<500thenclk1<='0';elseclk1<='1';endif;endif;endprocess;process(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenifcounter=1thencounter<=0;elsecounter<=counter+1;endif;endif;endprocess;process(counter)begincasecounteriswhen0=>dis_temp<=cqg;sel<="00”;when1=>dis_temp<=cqs;sel<="01";endcase;endprocess;process(Clk)beginif(CLK'eventandCLK='1')then--扫描累力口Display<=Disp_Decode;endif;endprocess;P10:process(Dis_Temp)--显示转换begincaseDis_Tempiswhen"0000"=>Disp_Decode<="0111111";--'0'when"0001"=>Disp_Decode<="0000110";--'1'when"0010"=>Disp_Decode<="1011011";--'2'when"0011"=>Disp_Decode<="1001111";--'3'when"0100"=>Disp_Decode<="1100110";--'4'when"0101"=>Disp_Decode<="1101101";--'5'when"0110"=>Disp_Decode<="1111101";--'6'when"0111"=>Disp_Decode<="0000111";--'7'when"1000"=>Disp_Decode<="1111111";--'8'when"1001"=>Disp_Decode<="1101111";--'9'whenothers=>Disp_Decode<="0000000”;--全灭endcase;endprocess;end;实验仿真结果如下图所示：rTimeBar.13.35m -1jRanter:4O.E<9ri£- InleivatN&iMns SlatneViLueL3.6Ep30.(1m4fl.OJis6D.0as0D.OmJ.CO.,0mL31paL1D.0dls16D.0dslEO.am2CO..Dm220.,013.S5址Jdllcda.AiAi_~L5_L「_T_r_r_r_r__L_Lm一『-T-T-r-r—m-L>2>：>AiEldftD~[0]A，MOZkZjCDCDZDZOZDZOm三UkMCDCGCEraZD工BZOZZen.ftIda□stlAR[:rr：:■];：「i;：m1xro：75r:<：■：c'/：■)：■：：!)>rr]>ri)xrmvr<顷<■:<花图2-1四、调试方法与数据1、 把自己的源程序拷到实验室的电脑上，在电脑上进行编译，仿真，管脚分配，一切没问题后，选好芯片下载到实验箱上。2、 、管脚分配时，清零端，使能控制端，置数端全部接拨挡开关K1,K2,K3,co接led显示器，输出接两个相连的数码管用于显示数字，k5,k6,k7,k8接拨挡开关用于个位置数。3、 点击下载，下载成功后，把实验箱上的频率调到1khz，使拨挡开关k1=0，k2=1，k3=1，数码管上将会显示24,并以一秒的频率递减，当递减为00时，led显示器灯亮，并且一秒钟后变成24继续递减，当k2=0时，数码管的数字将会保持不变，k2=1后数码管的数字继续递减。当k1=1时，数码管上的数字全部变为00，并且led显示器灯亮，k1=0后，可以继续递减计数。把k3=0后，可以对数码管进行个位计数，由k5,k6,k7,k8四个开关控制，要置数1时，分别把开关调成0001，置数7时，调成0111，以此可以进行置数。五、实验心得体会本次课程设计的题目是24秒倒计时计数器，要求完成递减功能，暂停，清零等功能。本打算用软件实验来完成的，但是想想要锻炼自己的焊接能力，所以就用没用软件实验。在进行硬件实验过程中，首先要画好实验电路图，最开始对该实验没什么头绪，在通过找资料和向同学的请教，才逐步把实验电路图画好，然后通过对其仿真并加以修改，最后得出正确的电路图。在焊接电路的过程中，由于电路比较复杂，曾把电路焊接错了或者漏焊了，但在检查过程中，发现了它并改正过来了，经过三个下午的焊接才把电路焊接好。在焊接好电路板后，就是测试器功能了，在向同学借了个电源之后，我就对我焊接的电板进行测试，当接通电源后，按下复位开关，数码管能很好的显示，并从24计数到00，在计数过程中，按下暂停/继续开关，就会暂停/继续，当数码管显示00的时候，发光二极管就会发光报警。但是在第二次测试时，计数的过程中出现暂停不计数的情况，此后，经过用万用表的测量以后发现是555和74LS161为产生脉冲，通过进一步的测量发现555能很好的产生脉冲，但是脉冲经过