篮球竞赛30秒计时器说明书Word下载.docx
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1.秒脉冲发生电路4
2.计时电路5
计数器5
计时电路的组成6
3.置数/启动控制电路7
4.清零/灭灯控制电路8
5.暂停/连续控制电路及报警电路8
暂停/连续控制电路8
报警控制电路9
6.译码显示电路9
七段发光二极管（LED）数码管9
译码器CD451110
第四节电路调试与结果分析11
第五节运用protel设计PCB版图12
结论14
参考文献15
前言
人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。
而典型的应用就是篮球竞赛计时。
在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了。
本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒限制。
一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警从而判定此球员的犯规。
本设计主要能完成：
显示30秒倒计时功能；
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；
在直接清零时，数码管显示器灭灯；
计时器为30秒递减计时其计时间隔为1秒；
计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。
篮球三十秒计时器和篮球二十四秒计时器如出一辙，不同之处在于置数部分。
方案中应用双时钟加、减同步可逆计数器74LS192来实现倒计时功能,在功能选择过程中选择减计数功能,芯片管脚选择中让DOWN处于工作状态。
在显示零秒亮灯报警电路中，应用组合电路及二极管发光条件来实现该功能。
显示电路用CD451和共阴数码管来实现，通过控制CD4511的灭灯输入信号（
）来实现灭灯的功能。
第一节课程设计目的与要求
.设计的目的
1掌握电子系统的一般设计方法和设计流程；
2学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图；
3掌握应用Proteus等软件对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。
.设计内容和要求
1设计电路要求具有显示30S计时功能；
2设置外部操作开关,控制计数器的直接清零,启动和暂停/连续功能；
3在直接清零时,要求数码显示器灭灯；
4计时器为30S递减计时,计时间隔为1S；
5计时器递减计时到零时,数码显示器不能灭灯,同时发出光电报警信号；
6利用PROTEL绘制电路原理图和印刷板图，并利用Proteus软件仿真。
第二节系统组成及工作原理
.系统组成
本课程设计主要包括秒脉冲发生电路、计时电路、数码显示电路和报警电路，控制电路是由各外部操作开关组成，而秒脉冲发生器选择proteus中固有的脉冲发生器，计数电路则由计数器组成。
其设计原理构图如下：
图1参考原理构图
.工作原理
整个电路由脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警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。
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。
当启动开关闭合时，脉冲发生器将产生的信号送至计数器的DOWN信号输入端，减计数器开始工作，完成30秒计时功能。
秒脉冲发生篮球30秒计时器的总体参考方案框图如图1所示。
它包括控制电路、秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，脉冲可由proteus中固有的脉冲发生器提供。
译码显示电路由CD4511和共阴极七段LED显示器组成。
报警电路在设计中可用发光二极管代替。
分析设计任务，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。
当计数器置数端接低电平时,置数有效，译码显示电路显示“30”字样；
当置数端变为高电平时,计数器DOWN端接收脉冲开始计数。
最后灭灯电路是通过74LS192的清零端和CD4511的灭灯输入信号来实现的。
当计数器CLR端输入高电平时清零，而此时在CLR端接一个非门，再将非门的输出接至CD4511的
端，就能保证CD4511的灭灯输入信号
=0，使数码管灭灯。
从而就完成了灭灯电路的实现。
进而实现整个课程设计的要求。
第三节单元模块电路的设计
.秒脉冲发生电路
本课程设计中，我采用proteus中的脉冲发生器，为满足每1秒提供1个脉冲，设计其频率为1Hz，如下图所示
图2秒脉冲发生器
图3脉冲波形
.计时电路
计数器
在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。
计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
计数器的种类非常多。
如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步计数器和异步计数器两种。
在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。
而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。
在设计中我们选择的是同步加/减计数器74LS192。
它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数，其详细引脚图及功能表如下：
图474LS192引脚图
表174LS192功能表
输入
输出
CR
（MR）
LD
（PL）
CPU
（UP）
CPD
（DN））
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
X
O
0
d
c
b
a
1
保持
加计数
减计数
表中CR是清零端,
是置数端，CPU是加计数时钟输入端，CPD是减计数时钟输入端，D3﹑D2﹑D1﹑D0都是计数器预置数输入端，Q3﹑Q2﹑Q1﹑Q0都是数据输出端，另外，C0是非同步进位输出端，BO是非同步借位端输出端。
计时电路的组成
设计中通过两片74LS192的级联来实现一个30进制的计数器。
当低位片从0跳到9时，高位片借位减一，直到实现三十秒的计数功能。
再者，因为要求中提到要求电路要实现倒数计时，所以74LS192的加计数器信号输入当应该加上无用性号（高电平）。
计数电路的核心是置数部分。
本设计中的30秒只需将两计数器的输入端分别置为0011和0000即可，采用同步置数的方式来实现30置数。
因为74LS192是十进制的计数器，所以当倒计时为0时，计数器会跳到99，因此我们采用99置数来解决这个问题，最后让显示器停在30秒处。
计数电路如下：
图5计数电路
.置数/启动控制电路
该模块,我选择采用单刀双掷开关控制计数器74LS192置数端来实现.当计数器置数端接低电平时,置数有效，译码显示电路显示“30”字样；
当置数端变为高电平时,计数器DOWN端接收脉冲开始计数,电路如下图所示：
图6置数/启动控制电路
.清零/灭灯控制电路
设计中要求电路具有直接清零功能并且在清零时数码管显示灭灯。
为实现数码管灭灯,可控制译码器CD4511
端来完成,当
端接高电平时数码管持续显示,当接低电平时数码管灯灭；
但此时计数器仍在计数，所以还必须控制计数器清零端来停止计数器计时，其电路如下图所示：
图7清零/灭灯电路
.暂停/连续控制电路及报警电路
暂停/连续控制电路
计数器的工作原理就是不断有脉冲加到DOWN端，通过脉冲的上升沿来激发计数器计数。
如果使加在DOWN端的脉冲无效，则计数器暂停计数。
本控制模块仍然采用单刀双掷开关和二输入与门来实现。
与门输入端一端接开关，一端接脉冲信号，当开关接高电平时脉冲可成功加载到计数器DOWN端，计数器工作，当开关接低电平时，与门输出为零，没有脉冲加到DOWN端，计数器暂停计数。
报警控制电路
报警信号要求在计时到零时发出，可通过或门来完成。
将计数器输出端接或门，而或门输出端接二极管负极，二极管正极始终接高电平，只有当两计数器输出端全部为0时，二极管才发光且此时，计数器停止计时，数码管持续显示“00”，具体电路如下图所示：
图8暂停/连续/报警控制电路
.译码显示电路
七段发光二极管（LED）数码管
LED数码管是目前最常用的数字显示器，图9（a）及（b）所示为共阴管及共阳管的引脚功能图和电路。
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。
图9数码管
译码器CD4511
BCD码七段译码驱动器型号有74LS47（共阳）74LS48（共阴）、CD4511（共阴）等，本设计采用的是CD4511。
图10所示为CD4511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共阴数码管；
为测试输入端,
=0时，译码输出全为“1”；
为消隐输入端，
=0，译码输出端全为“0”；
为锁定端，
=1时译码器处于锁定状态，译码输出端保持在
=0时的数值，
=0为正常译码。
CD4511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。
表2CD4511功能表
输
入
出
EL
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
1
8
消隐
2
3
4
5
6
7
9
锁
存
锁存
图10CD4511引脚图
到此各个功能模块全部设计完成.
第四节电路调试与结果分析
根据以上各个模块分析得出整体电路图，如下图所示：
图11篮球竞赛30秒计数器原理图
在这四周的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。
在开始的设计中二极管的正极是通过一个电阻直接VCC，这就存在一个问题当直接清零时由于计数器输出全部为0，会使二极管发光，虽然设计要求并未说在清零时二极管不能发光，但我认为不应该发光，所以就改成了现在的方案，通过一个非门将二极管正极引致清零开关SW1端口，这样当二极管负极为低电平时正极也为低电平。
在报警信号的设计中，开始时是直接将第一片74LS192（U1）TCD输出端接至二极管负极，仿真时，我发现二极管发光总是比数码管显示“00”慢一步所以改为用或门来实现二极管发光报警。
最后做整体电路的检测，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。
第五节运用protel设计PCB版图
首先需要将原理图在protel中重新画一遍，如图12所示，接下来就要生成PCB版图，这时一定要查看各个元件的封装引脚，如果没有封装在导入PCB版图时会有相当多的错误提示，通过上网查资料、请教他人，最后终于成功生成了PCB版图，如图13所示：
图12protel中篮球竞赛30s计数器
图13PCB版图
在protel中生成PCB版图后还可导出3D效果的PCB版图，如下图所示：
图143D效果的PCB版图
结论
此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。
在这次课程设计过程中，查阅了不少芯片手册，也阅读了不少有关数字电路设计的资料，其中也不乏有关篮球三十秒计时器的实例，这些都是制作电路必须的理论准备，可以为你的设计添砖铺瓦，并减少很多盲目的查找。
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、电阻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。
参考文献
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高等教育出版社，2002
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机械工业出版社，2004
[3]陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：
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[5]潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：
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[6]张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：
航空工业出版社，2004
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