篮球竞赛24秒计时器设计Word格式文档下载.docx
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整体设计，硬件电路调试
6月21日~6月24日；
报告撰写，交设计报告，答辩
指导教师签名：
2014年6月日
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是何其重要的。
篮球作为一项全民健身项目，已有一定的历史。
在中国，篮球很盛行，篮球比赛也日趋职业化。
篮球比赛中有一项违例时间要用倒计时器，目前多数采用的是24秒制。
有需要就会有市场，因此设计一款24秒计时器是非常有必要也非常有前景的。
该计时器要有递减计时及报警功能。
因此符合比赛中违例判罚的需要。
在NBA比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就犯规了。
本课程设计的“篮球竞赛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犯规。
本设计主要能完成：
显示24秒倒计时功能；
系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；
计时器为24秒递减计时其计时间隔为1秒；
计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。
整个电路的设计借助于proteus仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在proteus下设计和进行仿真，得到了预期的结果。
目 录
第1章电路方案的选择及电路框图
1.1设计方案
方案一：
采用计数器74LS192作为核心部分。
同时选择74LS48作为BCD码译码器来对7段数码显示管进行译码驱动，两个七段数码显示管进行显示。
采用555计时器制成的多谐振荡器，进行秒脉冲的输入。
因为我们需要对其进行暂停、清零、报警等控制，所以我们使用了两个开关来控制计数器的各功能的实现，从而实现各种功能。
方案二：
采用单片机AT89S51作为核心部分，编写程序。
用74LS48和7段数码显示管组成显示电路。
采用三个开关控制启动、暂停、清零、报警从而实现各种功能。
在两个方案中，单片机价格比较贵，编写程序繁琐，原理说明性不够强，在考虑到用低成本都能完成同样的效果的前提下以及此次做的是数字电子技术课程设计，因紧贴数字电子技术的相关知识，所以在本次设计采用方案一。
1.2电路框图
24秒倒计时计时器的方案框图如图1-1所示。
它是由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和控制电路等五个部分组成。
其中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，控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数功能，译码显示电路完成数字显示功能，报警电路产生光电报警功能。
秒脉冲发生器产生时钟脉冲信号，这个信号作为电路的定时标准，其电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡其构成。
图1-124秒计时器系统设计框图
控制电路手动置数计数器，译码显示电路出现显示，秒脉冲发生器产生秒脉冲刺激计数器递减，随之译码显示电路递减。
暂停/连续时，控制电路控制秒脉冲发生器暂停/连续秒
第2章设计思路及其工作原理的介绍
2.1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。
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。
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。
2.2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。
第3章单元电路的设计
3.124进制计数器的设计
计数器选用集成电路74LS192进行设计较为简便，74LS192是十进制可编程同步加法计数器，它采用8421码十进制编码，并具有直接清零、置数、加减计数功能。
图3-1是74LS192引脚排列。
图中CU、CD分别是加计数、减计数的时钟脉冲输入端（上升沿有效）。
PL是异步并行置数控制端（低电平有效），TCU和TCD是进位、借位输出端（低电平有效），MR是异步清零端，P3-P0是并行数据输入端，Q3-Q0是输出端。
图3-174LS192的引脚排列
74LS192的功能表见表3-1所示。
表3-174LS192功能表
输入
输出
MR
CU
CD
P0
P1
P2
P3
Q0
Q1
Q2
Q3
1
×
a
b
c
d
↑
加计数
↓
减计数
当PL=1，MR=0时，若时钟脉冲加到端CU，且CD=1则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，TCU端发出进位下跳变脉冲；
若时钟脉冲加到CD端，且CU=1，则计数器在预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到0时，TCD端发出借位下跳变脉冲。
由74LS192构成的二十四进制递减计数器如下图3-2所示。
图3-28421BCD二十四递减计数器
其预置数为N=（00100100）=（24）10。
在CD端的输入时钟脉冲作用下，开始递减。
只有当低位TCD端发出借位脉冲时,高位计数器才作减计数。
当高、低位计数器处于全零,完成一个计数周期，然后手动置数PL=0,计数器完成置数,再次进入下一循环减计数。
3.2数码显示电路的设计
根据设计的要求采用74LS48译码器来驱动共阴极数码显示管。
74LS48芯片是一种常用的七段数码管驱动器，常用在各种数字电路和系统的显示系统中。
74LS48和共阴极七段LED显示器如图3-3连接。
这样连接74LS48可直接驱动共阴极LED数码管而不需像CC4511外接限流电阻。
图3-3显示电路
74LS48输入信号为BCD码，输出端为a、b、c、d、e、f、g共7线，另有3条控制线。
——为测试端，低电平有效，当——=0时，无论输入端A、B、C、D为何值，a～g输出全为高电平，使7段显示器件显示“8”字型，此功能用于测试器件。
———为灭零输入端,低电平有效。
在——=1，———=0，且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭。
但当译码输入不全为0时，仍能正常译码输出，使显示器正常显示。
BI\RBI是一个特殊的端口，有时作用于输入，有时作用于输出，在这里不多做介绍。
74LS48功能表见表3-2。
字形
数字
ABCD
BI/RBO
abcdefg
2
3
4
5
6
7
8
9
X
0000
1000
0100
1100
0010
1010
0110
1110
0001
1001
1111110
1100000
1101101
1111001
0110011
1011011
1011111
1110000
1111111
1111011
消隐
脉冲消隐
灯测试
XXXX
0000000
表3-274LS48的功能表
七短数码管的引脚图如图3-4所示，在使用时要注意是共阳还是共阴，其中3脚和8脚相连为公共端，因为此次设计是使用的共阴极数码管，所以在电路中接地，6脚为小数点引脚，在设计中没要求不需要对其处理。
图3-4七短数码显示管的引脚图
3.3秒脉冲的设计
根据设计要求，电路需要产生间隔为一秒的时间脉冲，完成正确的计数功能。
所以选择NE555定时器来设计此电路。
从而产生标准的秒脉冲。
NE555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。
它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
引脚功能：
TH：
高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，——低电平触发端，简称低触发端，CVO：
控制电压端，OUT：
输出端。
DIS：
放电端，RES：
复位端。
工作原理见表3-3
表3-3555定时器控制功能表
输入
输出
TH
RES
OUT
DIS
L
导通
<
VCC
H
截止
<
>
不变
用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供脉冲，如图3-5所示。
R1、R2和C1为外接定时元件，高、低电平触发输入端项链并接到定时电容C1上，R1和R2的节点与放电端相连，电压控制端不用，通常接0.01uF电容C2。
接通电源后，VCC通过R1，R2对C1充电，DIS上升。
开始时DIS<
VCC，即高电平触发端TH<
VCC，低电平触发——<
VCC，定时器置位，放电管截止。
随后DIS越充越高，当DIS>
VCC，高电平触发端TH>
VCC，低电平触发端——>
VCC，定时器复位，放电管饱和导通，C1通过R5放电，DIS下降。
当DIS<
VCC时，又回到高电平触发端TH<
VCC，定时器又置位，放电管截止，C1停止放电而重新充电。
如此反复，形成振荡波形提供脉冲。
公式：
Tw1=0.7（R2+R5）C1Tw2=0.7R2C1
振荡周期计算公式：
T=0.7（R2+2R5）C1≈1s
图3-5
3.4控制开关电路的设计
在本次设计中需实现计数器的暂停、复位和启动控制，为了简单，我们只需用一个开关来控制启动和复位功能。
启动复位开关和74192的11脚相连即可。
在这里，主要介绍暂停/连续开关的设计，因为555产生秒脉冲全靠给C1充放电产生，所以只需中断C1的充放电即可，所以在C1的另一端用一个开关控制接地，这就形成了暂停/连续开关。
3.5报警电路的设计
根据设计要求，要产生光电报警，我们采用5个或门组成一个选择电路，一个发光二极管产生光亮，一个蜂鸣器发出报警。
如图3-6所示
图3-6报警电路设计
或门OR1的输入与高位74LS192的低两位输出端相连，OR2、OR3与低位74LS192输出端相连。
当输出端全部为低电平时OR5的输出才为低电平，此时导通发光二极管和蜂鸣器，产生光电报警信号。
3.6整机工作原理
篮球竞赛24秒计时器主要是由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路组成。
控制电路直接控制计数器启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。
由附录1可见图中有SW2和SW3两个开关，SW2为置数，SW3为暂停。
SW2闭合，74LS192被置数，显示电路出现数字24。
完成置数后断开SW2，启动计时。
若此时秒脉冲电路的SW3为断开，则产生连续秒脉信号输入到计数器，数码管上的数字就会自动减1，闭合SW3，秒脉冲暂停，计数递减暂停，断开SW3又恢复计数递减，这就实现了暂停/连续功能。
在计数递减的同时，74LS192的8个输出端也随之产生高低电平变化来控制报警电路5个或门的高低电平的变化。
由附录1可见，5个或门的排列必须当74LS192的8个输出全为低电平时，换而言之，就是计数到零时，或门最后一个输出的才是低电平，从而触发发光二极管和蜂鸣器，产生亮光和警报声，达到了光电报警的。
第4章电路仿真
本次设计采用的是protues软件仿真，它是一种功能强大的电子设计自动化软件，提供智能原理图设计系统、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计系统功能。
其不仅可以仿真传统的电路分析实验、模拟电子线路实验、数字电路实验等，而且可以仿真嵌入式系统的实验。
Proteus提供了大量的元件库v拜拜吧，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件等。
在编译方面，它也支持Keil和MPLAB等多种编译器。
现在我们用Proteus进行仿真，仿真结果如下
4.1.计时预备阶段如图4-1
图4-1计时预备阶段
闭合SW2，断开SW3启动仿真软件，此时74LS192开始工作，高位74LS192输入0010，低位74LS192输入0100，通过74LS48译码，数码管显示出了24秒的字样，进入计时预备阶段。
4.2.计时阶段如图4-2
图4-2计时阶段
断开SW2进入计时阶段，由555产生秒脉冲，从Q端传送到低位74LS192的DN端。
个位数码管从4开始递减，当个位递减0时又通过低位74LS192的TCD端传送到高位74LS192的DN端，十位的数字减1。
如此周而复始的循环形成倒计时。
4.3.暂停\连续功能的实现如图4-3
图4-3暂停/连续功能实现
在计时阶段中，由SW3来控制暂停/连续,闭合SW3，555秒脉冲暂停，低位74LS192停止工作，数码管递减停止，反之又闭合SW3,555秒脉冲继续进行，低位74LS192继续工作，数码管重新开始递减，又进入计时。
4.4.电路报警如图4-4
图4-4电路报警
计数到零时高位和低位74LS192的八个输出端为低电平，传输到或门组成的选择电路。
因为全部为低电平所以或门的最后输出为低电平，于是LED灯、蜂鸣器导通，产生光电报警信号
第5章安装及调试步骤
5.1.按照PCB板的规格，设定好各集成芯片的排放位置、测试各芯片是否与面板接触良好。
5.2.用异步可逆双时钟BCD计数器74LS192及相关门实现定时倒计时电路。
5.3.当检测出问题后分析其原因，是元器件本身原因还是接线错误，更换元件或重新正确接线，保证电路的正确运行。
5.4.确定个元器件是否能正常工作。
5.4.整体综合连接，测试整体性能。
第6章故障分析与电路改进
6.1故障的分析和解决
在实际连线过程中，出现故障几乎是不可避免的。
其中接线错误就是第一个一个难以避免的困难。
另外一个让人头疼的原因是实验板与芯片接触不良，导致形成软型故障，难以准确找出故障点。
最后，我个人认为还有一个细节也不能忽视，就是实物图和电脑仿真上的芯片接法并不完全一样，电脑仿真上的芯片许多管脚已经默认接地或接电源了，这些我们在实物图上就必须实际地接上，否则就会得到错误的结果。
在查找故障时，首先要有耐心和细心。
同时要开动脑筋，进行认真的分析和判断。
在不通电的情况下，通过目测，对照电路原理图和装配图，检查每一块片是否正确，极性有无接反，管脚有无损坏，连线有无接错（包括漏错线、短路和）通电后，通过类比法，高低电平比较法等方法逐一找出故障点。
可能出现的问题：
1.计数过程中出现乱码。
原因就是74LS192芯片的CP端出现接触不良，也就是导线扰动，解决的方法就是断掉电源重新加载。
2.计数周期多于一秒。
原因就是555定时器设置的参数不正确，解决方法就是重新设置好电阻R、电容C的参数。
另外，周期不准确也可能是外加电压大于5V，工作时间久了电容、电阻发热造成。
3.24到00后接着计数到99.原因是清零端没接上反馈。
解决的方法就是加一个反馈请零端或者加一个开关来控制，这里就用了后一种方法。
6.2电路的改进
尽管用本电路图所焊接出来的电路板能实现功能，而且电路也很稳定。
这也是对本电路的肯定。
但从使用的过程中，其实还是有值得改进的地方。
比如当数码管显示到“00”时，能亮灯，那应该是更完美的。
但是本电路只有在从“00”转到“24”是才能亮灯及报警，也就是说报警器慢了1秒钟报警。
实际的电路改进：
可以先在两个74LS192的输出端接上接二个四输入端与非门。
并且接到触发器的输入端，这样能实现当数码管显示到“00”时，LED发光且鸣蜂器发出声音，实现报警功能。
但是，这样的代价就是使电路更加的复杂，所带来的工作量也随之增大。
结束语
在此次课程设计中，我们将课本理论知识与实际应用联系起来。
按照书本上的知识和老师讲授的方法，首先和同学一起分析研究此次电路设计任务和要求，然后按照分析的结果进行实际连接操作，检测和校正，再进一步完善电路。
在其中遇到一些不解和疑惑的地方，还有出现的一些未知问题，我们都认真分析讨论，然后对讨论出的结果进行实际检测校正，对一些疑难问题我们也认真向相关老师询问请教，和老师一起探讨解决。
通过此次电路设计，我们加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。
也对数字电子技术有了更深的认识。
感谢老师的细心教导，感谢团队的积极合作，团队的力量是无限的。
参考文献
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[5].谢自美主编《电子线路设计.实验.测试》华中科技大学出版社2001
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[9].朱清慧、张凤蕊主编《Proteus教程》清华大学出版社2008
附录A篮球竞赛24秒计时器总电路原理图
附录B元器件清单
部件类型
元件标号
封装
1.5K
R6
AXIAL0.3
1K
R3
3.7K
R4
4.7K
R5
10nF
C2
C
10uF
C1
C3
20K
R1
62K
R2
74LS00
U1
DIP-14
74LS04
U9
74LS08
U7
74LS32
U11
74LS32
U15
74LS48
UB
DIP-16
UA
74LS192
U6
U5
555
U33
BUZZER
BUZ1
LS1
CON2
J1
JP
DPY_7-SEG
DS2
SMG
DPY_7SEG
DS1
LED
D1
D
SW-PB
SW3
S1
SW2
SW-SPST
SW1
KG
芯片底座若干
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