篮球24秒倒计时设计Word格式文档下载.docx
《篮球24秒倒计时设计Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《篮球24秒倒计时设计Word格式文档下载.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
器件管脚与功能说明...............................17
附录四：
实物图...........................................19
前言
在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过二十四秒，否则就犯规了。
本课程设计的“篮球竞赛二十四秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间二十四秒限制。
一旦球员的持球时间超过了二十四秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规
篮球的24秒计时器只是计时器的一种。
在生活中，我们经常会看见各种计时器，例如，在十字路口的红绿灯上我们会看到一个34秒计时器；
我们经常看到的电子表也是计数器的一种；
在体育课上老师用的秒表也是一种计时器。
计时器给我们的生活带来了很大的方便，可以说我们的生活离不开计数器。
本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒计时器。
此计时器功能齐全，可以直接置数、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。
此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。
本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的实用价值。
通过本次课程设计，可以了解计时器的组成和原理以及许多应用，为设计更复杂的计时器打好基础。
同时通过本次课程设计也能提高学生的设计电路，排查故障，思考问题等多种能力。
1整体电路设计
1.1设计思路
本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒计时器。
此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。
篮球竞赛记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。
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。
这一模块主要是利用双向计数器74LS192来实现；
警报提示：
当计数器计时到零时，给出提示音。
这部分电路主要通过移位寄存器和一些门电路来实现。
此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。
在设计此计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。
此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示、报警为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。
1.2基本原理
24秒计时器的总体参考方案框图如图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。
1.3电路设计框图
倒计时功能主要是利用192计数芯片来实现，同时利用反馈和置数实现进制的转换，以适合分和秒的不同需要。
由于该系统特殊的需要，到计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并发出蜂鸣警报。
整体电路设计如图1.3-1所示：
图1.3-1电路整体设计图
2方案论证
2.1方案一
该电路需要一个秒脉冲发生器，可用555芯片和电阻、电容构成一个多谐振荡器，通过调节电阻电容的值可产生1Hz的时钟脉冲。
用两片74LS192芯片构成一个24秒计时器，其中一片的4个输入端中，D0、D2和D3端接低电平，D1端接高电平，输出端接七段数码管作为高位显示，芯片2的4个输入端中，D0、D1和D3接低电平，D2接高电平，递增计数脉冲输入端接高电平，输出端接七段数码管作为低位显示。
因为74LS192本身具有清零端和置数端，则可各用一个开关来实现清零和启动功能。
要使计时器计时到零时保持不变，可在输出端反馈一个信号到输入端来实现保持功能。
选取“00”这个状态，通过3个或非门、一个3输入与非门，从而得到一个低电平信号，该信号与脉冲信号通过一个2输入与非门而接到74LS192的递减计数脉冲信号输入端，可使计时器在计数到零时停住。
当在74LS192的DN端输入脉冲信号后可进行减计数，则通过一个开关控制是否截断脉冲信号就可以实现暂停/连续功能。
报警电路在实验中可用发光二极管和鸣蜂器代替。
在计数过程中，发光二极管两端都是高电平，所以二极管截止，不发光；
当计数器减到“00”是，二极管左边是低电平，右边是高电平，所以二极管导通，从而发光。
2.2方案二
设计思路：
24秒计时器，按设计要求，最大计数值为24秒，那么就需要两个数码管。
要求计数间隔为1秒，那么我们需要相应频率的脉冲信号发生器，脉冲是由555定时器构成的多谐振荡器产生的1HZ的脉冲；
计数部分是用74LS192及逻辑电路构成24秒的计时功能；
利用JK触发器和逻辑电路构成控制电路；
译码显示部分用74LS47译码器来进行译码，然后通过七段数码显示管来控制显示部分；
报警电路部分由74LS160及逻辑电路构成；
电源部分将220V、50HZ的交流电压转换成5V的直流电压即可。
2.3方案确定
方案一与方案二的实验原理基本相同，都采用了555集成电路组成的多谐振荡器来产生周期为1s的脉冲，用两片74LS192芯片作为主体部分来实现24秒倒计时计算，置数和启动的方法相同。
不同的是反馈电路部分和暂停/连续功能部分。
方案一中的反馈电路部分的反馈信号采自两个74LS192芯片的输出端，采用了3个或非门、一个3输入与非门，从而得到一个低电平信号，该信号与脉冲信号通过一个2输入与非门而接到74LS192的递减计数脉冲信号输入端，可使计时器在计数到零时停住。
而方案二是利用74LS192芯片的借位输出端输出低电平信号，让该信号与时钟脉冲在与非门中将时钟截断，从而使减计数停止。
暂停/连续功能，方案一是通过一个单刀双掷开关控制在递减计数脉冲信号输入高电平信号或端输入脉冲信号，从而实现计数器的暂停/连续功能；
方案二是利用JK触发器和逻辑电路构成控制脉冲信号相当于被截断，实现暂停功能，当脉冲信号和高电平相与非，脉冲信号没有被截止，进行减计数。
比较方案一和方案二，方案二优于方案一，主要体现在反馈回路上，方案一需要3个或非门、一个3输入与非门和一个2输入与非门才能使减计数到“00”后保持不变；
而方案二使用一个与非门和就能实现。
3模块电路设计
3.1信号源的设计
555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R2.R3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C1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。
根据公式：
电源为5v，则Q端输出1Hz的时钟脉冲
555定时器如图3.1-1所示：
图3.1-1多谐振荡电路
555定时器功能表3.1-2所示：
输入
输出
阈值输入6
触发输入2
复位4
输出3
放电管T7
X
导通
<
2/3VCC
1/3VCC
1
截止
>
不变
表3.1-2555定时器功能表
3.2电源电路设计
单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，直流电压源的一般设计步骤如下：
（1）变压器得到可用交流电；
（2）经过整流二极管对其整流；
（3）再用电容对其滤波；
（4）最后用7805稳压系列对其进行稳压。
电源电路图如图3.2-1所示：
图3.2-1电源电路
3.3计时电路设计
计时电路主要由两片74LS192组成。
其中高位片74LS192的4个输入端中，D0、D2和D3端接低电平，D1端接高电平，输出端接七段数码管作为高位显示，低位片2的4个输入端中，D0、D1和D3接低电平，D2接高电平，输出端接七段数码管作为低位显示。
通过控制输入低电平或高电平，从而实现置数和启动功能。
74LS192的计数是通过计数脉冲来控制的，通过555构成的多谐振荡器产生1HZ的方波来进行计数工作。
预置数通过控制74LS192的置数端来实现，要置数时只要PL端接低电平就行了。
在进行24秒计时时，清零端、置数端和递增计数脉冲输入端接高电平，低位74LS192芯片的递减计数脉冲输入端接时钟脉冲，借位输出端接高位74LS192芯片的递减计数脉冲输入端。
计时电路电路图如图3.3-1所示：
图3.3-1计数电路图
3.4显示电路设计
BCD码七段译码驱动器型号有74LS47（共阳）74LS48（共阴）、74LS48（共阴）等，本设计采用的是74LS47。
74LS47引脚排列图。
其中A～D为BCD码输入端;
a～g为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动LED七段共阴数码管；
LT非为测试输入端，LT非=0时，译码输出全为“1”；
BO为消隐输入端，BO=0，译码输出端全为“0”；
LE为锁定端，LE=1时译码器处于锁定状态，译码输出端保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。
74LS47内有上拉电阻，故只需要在输出端与数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。
译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。
74LS47功能表如表3.4-1所示
表3.4-174LS47功能表
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
8
2
3
4
5
6
7
9
LED数码管是目前最常用的数字显示器，一个LED数码管可用来显示一位（0～9）十进制数和一个小数点。
小型数码管每段发光二极管的正向压降随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略差别，通常约为2～2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5～10mA之间。
LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。
共阴接法和共阳接法的区别在于它们公共端的接法不一样。
共阳接法中，数码管的公共端3和8都接VCC，而共阴接法中，3、8脚都接GND。
显示电路电路如图3.4-1所示：
图3.4-1显示电路
3.5停止控制电路
倒数计数器到零时，需要将电路转换到“00”并且停住。
现在选取计数器到零的状态“00”，从BO借位输出端引出线接到二脚与非门，一端接BO，另一端接NE555的OUT端，与非门输出端接DOWN，当计数器到达“00”状态，从BO端输出低电平，经过与非门后锁住从555多谐振荡器输出的脉冲信号，没有脉冲输入DOWN，从而停在“00”，因此能实现从“00”
到“24”的转换。
同时单刀单置开关也可以控制74LS192的预置数和计数。
控制电路如图3.5-1所示：
图3.5-1控制电路图
3.6报警提示电路
警报提示就是完成任一计时器计时结束时，系统给出连续的提示音。
当电路由“01”
到“00”时，“BO”借位输出端输出低电平，经过与非门输出为高电平，而蜂鸣器负极已经接地，故这时由于两端存在电压差，所以蜂鸣器能报警。
同样的此时LED的正极已经接了高电平，“BO”借位输出端输出低电平，故这时由于两端存在电压差，所以LED能正常工作。
报警提示电路如图3.6-1所示：
图3.6-1报警提示电路
4仿真调试及实验装调
4.1软件简介
Proteus软件是英国Labcenter
electronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
具有4大功能模块
智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库
超过27000种元器件，可方便地创建新元件；
智能的器件搜索：
通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；
智能化的连线功能：
自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；
支持总线结构：
使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；
可输出高质量图纸。
ProSPICE混合仿真：
基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合
仿真；
超过27000个仿真器件：
可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。
独特的单片机协同仿真功能
支持主流的CPU类型：
如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、等。
实用的PCB设计平台，先进的自动布局/布线功能；
支持器件的自动/人工布局；
支持无网格自动布线或人工布线；
支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；
完整的PCB设计功能；
可以输出多种格式文件。
4.2软件仿真
首先在Protues中选好元器件，然后连好线，检查线路是否存在错误，如无，则进入了调试的正式阶段，启动调试，观察系统运行的状况是否良好，然后观察系统的效果是否达到预期的要求，如无，则停止仿真，分析电路中存在的缺陷与错误，改正后再次启动调试，然后再次观察仿真效果是否达到预期的效果，如此循环下去，直到得到满意的仿真效果。
仿真前须明白：
在仿真软件上能仿真出结果的设计电路并不代表在实际电路中能得到同样的结果；
仿真不出结果的电路也并不代表在实际电路中得不出结果。
仿真只是给我们提供一个环境去验证一下自己的设计电路。
4.3电路调试
在本次的实践教学实验设计中，通过上网查找各种资料、讨论，在第二天晚上我们就最终确立了一种比较简单又很完善的方案，并绘制出了完整的电路图。
领取组件后，我们就开始了我们的接线工作，在我们的共同努力下，只经过短短的三天时间我们就将基本电路完成。
但由于缺乏接线经验，导致问题太多，数码管显示不完全。
通电后，数码管能够计数，报警灯也不能够正常工作，但数码管老是显示不完全，而且开关根本就起不到作用。
由于接线不用短线，导致线路很乱，经过几个小时的调试根本就起不到作用。
因为电路接线问题很大，所以我们决定拆了重连。
这一次，我们采取短线连接。
不过在单元电路的完成过程中也出现了一些问题，在接线的时候有时候会和其他的线混淆，导致拆了好多线，也重连了很多。
是这让我们明白在接线过程中要绝对细心，头脑要清楚，在接线时要数清芯片的管脚，并正确接到别的芯片上对应的管脚上。
基本电路完成后，发现数码管又出现了乱码，这次可把我们难到了，用万能表和示波器检测各部分电路的连接，最后发现电路多了一根短线，最后又检查电路各个模块的接线是否正常。
各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现要求中的启动、暂停、清零、连续功能。
基本完成了此次课程设计的任务。
4.4结果分析
（1）控制电路检查
①在电路全部连接完后，改变各开关的闭、合状态，电路的启动、连续、暂停等功能均无法实现，说明控制电路的连线上存在问题。
解决方法：
②用示波器或万用表检查各管脚的连接情况，看输入输出端是否连接正常，并把有问题存在的部分重新接好；
③检查各管脚的连线情况，看是否有连接错误的地方存在，并把有错误的地方修改正确；
④用示波器或万用表检查74LS00的VCC端和VDD端的连接情况，观察是否存在错误，并把有错误的地方改正。
（2）显示电路检查
当将显示电路中的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管不亮，说明显示电路连接不正确。
①接入电源，用万用表检查电路是否接线正常，并把有问题的部分重新接好；
②进一步检查电源与地的接入是否接反；
③若上述两种情况都未出现则对照各芯片的管脚图，检查在连接过程中各管脚的连接是否接错。
（3）计时电路检查
将本课设中所选计数器74LS192与显示电路相连，接入直流电源，用信号发生器给计数器一个1秒的脉冲信号，观察计数器的计数功能，发现数码显示是在从二十四递减至0的过程中有数字显示不完全现象，上述现象表明计数器置数和计数都正常，但接线上存在问题。
①检查两片74LS192的数据输出端所连的置数电路和预置电路，看是否有连线错误；
②有万用表或示波器检查数码管的管脚是否连接好；
③用万用表或示波器检查两片74LS48和74LS192电源的电源端电压是否正常。
（4）555脉冲发生电路检查
我们将555的输出端3接到示波器上观察到的波形为一脉冲波，其频率近似为一秒。
基本符合课程设计中所需秒脉冲信号的要求。
（5）报警电路检查
将秒信号接入计数电路，按下启动电路，观察计数为0时发光二极管的工作情况，发现当数码显示为00时，发光二极管发光，说明报警电路光电报警功能已经实现。
小结
本设计主要是通过模块化设计的思想，逐步实现设计所需达到的功能要求；
首先由时钟模块为减计数提供一个频率为1HZ的脉冲信号，从而实现计数器减计数时间为1s，而译码器和显示模块主要是实现显示减计数功能；
报警模块是为了实现当减计数减到零时发出光电报警信号；
控制模块主要是为了实现计时器的启动、预置数和暂停/连续功能。
本次电子课程设计是理论与实践相结合的最好形式。
在课题的完成过程中要求制作者要有坚实的理论基础和很强的动手能力。
在设计过程中，通过自主查找数据和其他资料，接触到了很多新鲜的东西。
本次设计让我们懂得了认真的重要性。
要想设计并制作一个完美实用的数字电路，确实是一件不轻松的工作，不仅要有较强的动手能力，还要有灵活应用芯片理论的功底，为此需要阅读大量关于这方面的书籍。
在实际动手过程中，连线是最为重要的，它能直接决定电路的成败：
元器件的替换，开关的选择，以及最后的调试与分析。
其中的每一个环节都是至关重要的。
综合来讲，本次的课程设计从设计带到连线都是我们学习知识的检验。
通过亲身体验说明有些在仿真软件中能行的方案在实际操作电路中并不一定能行。
整个过程中，调试也是相当重要的一部分。
当电路不能得到正确的结果时，要知道怎样进行排错和调试，以得到正确的结果。
一般情况下，应该先检查电路是否连对，芯片管脚是否对错；
若电路连接正确，则用万用表通过电压的测量来找出电路中的问题，并加以改正。
做完本次课题后，发现本设计中所用电路比较简单，所用元器件也比较常用，工作原理易懂，操作简单，也很适合一般人动手制作。
课程最终得以圆满完成要感谢指导老师的指导和帮助。
在课程设计过程中，老师们不厌其烦的帮助我们解决问题，各位同学真诚的帮助我们，给了我们很大的支持，让我们的实验设计得以圆满的完成。
参考文献：
【1】数字电子技术基础（第五版）闫石主编【M】.北京.高等教育出版社，2006
【2】模拟电子技术基础（第四版）华成因主编【M】.北京.高等教育出版社.2006
附录1电路仿真图
1.1启动图
1.2暂停图
1.3清零图
1.4报警图
附录2元器件清单
元件名称
数量
型号
计数器
二块
74LS192
译码器
74LS47
二输入与非门
二块
74LS00
定时器
一块
NE555
七段共阳极数码显示器
两块
单刀单掷开关
二只
1KΩ电阻
二个
10KΩ、68KΩ电阻
各两只
0.1μF、10μF电容
各一只
普通发红光二极管
一只
LED
蜂鸣器
一个
面包板
9V变压器
稳压块
7805
电解电容1000u,100u
各一个
整流桥
4007
附录3器件管脚与功能说明
174LS192管脚图
274LS48管脚图
374LS00管脚图
4NE555管脚图
5.JK触发器74LS112：
S：
置位端；
R：
复位端；
升级会员 