篮球比赛秒倒计时器.docx

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篮球比赛秒倒计时器

摘要：

随着电子技术的飞速发展，社会步入了信息时代，人们的生活水平在逐步提高，因而对电子产品提出了更高的要求。

篮球竞赛24秒倒计时器可用于篮球比赛中对球员持球时间24秒限制，不仅能进行时间追踪，还具有直接清零、启动、暂停、连续以和光电报警功能，同时采用七段数码管[1]来显示时间，可以方便的实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出报警信号。

在社会生活中也具有广泛的应用价值。

计时器在许多领域均有普遍的应用，篮球比赛中除了有总计时倒计时外，为了加快比赛节奏，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。

本设计题目的“篮球比赛24秒倒计时器”从数字电路角度讨论，实际上就是一个二十四进制递减的计数器，其中，秒脉冲产生电路由555定时器[1]和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，计数器由两片74LS192同步十进制可逆计数器[1]构成，译码和显示电路由译码驱动器74LS48和七段共阴数码管组成,光报警电路由发光二极管组成[2]。

通过multisim软件仿真验证了电路的功能，运用protel软件对电路进行封装、布线和铺铜制成电路板。

关键词：

秒脉冲发生器计数器发光二极管七段共阴数码管封装电路板

1设计任务与要求[1][2][3][4]

1.1设计任务

设计一个篮球比赛24秒倒计时器的电路，此电路能完成一次篮球进攻的24秒倒计时功能，当计时结束自动恢复为24秒计时的初始状态。

另外，此倒计时器能够手动复位、启动计数、暂停/继续计数、计数为零的光报警等功能。

1.2设计要求

1、能完成精确的24秒倒计时功能。

2、完成计数器的复位、启动计数、暂停/继续计数、声光报警等功能。

3、能显示任意时刻的剩余时间。

1.3技术指标

开关A：

启动开关。

A处于高电平时，当计数器递减计数到零时，控制电路发出声、光报警信号，计数器保持“24”状态不变，处于等待状态；当A处于低电平时，计数器开始计数。

开关B：

暂停开关。

当“暂停/连续”开关处于“暂停”（开关B接低电平）时，计数器暂停计数，显示器保持不变；当此开关处于“连续”（开关B接高电平）时，计数器继续累计计数。

开关C：

手动复位开关。

当开关C接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”；当开关C接高电平时，计数器从24开始计数。

LED灯：

当24秒倒计时器时间有24倒计时至00时刻，24秒倒计时器停止计时，LED灯亮，开始光报警。

1.4题目评析

此题目的重点在于开关A能够启动24秒倒计时器，开关B能够随时暂停24秒倒计时器，开关C能够实现手动复位，LED灯实现光报警，24秒倒计时器的计时准确性。

此设计题目的难点在于二十四进制递减计数器的实现和秒脉冲发生器的实现。

1.5设计意义

随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥这越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活中不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，定时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。

例如，在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超24秒，否则就犯规了。

此次设计的“篮球竞赛24秒计时器”就可用于篮球比赛中，用于对球员持球时24秒限制。

一旦球员的持球时间超过24秒，它就自动报警从而判定此球员的犯规。

2方案论证与实现

2.1方案论证

经过对电路功能的分析，整个24秒倒计时电路可由秒脉冲信号发生器、计数器、译码器、显示电路、报警电路和辅助控制电路组成，如图2.1.1所示。

图2.1.1篮球比赛24秒倒计时器方框图

2.2方案实现[1][3][4]

1、秒脉冲发生器

秒脉冲产生电路，由555定时器和外接元件R1、R2、C等构成多谐振荡器。

图2.2.1：

其中R1相当一个定时电阻决定C的放电的持续时间，起始时，电容C上电压VC因放电而下降，当其值低于下阈值1/3VCC时定时器被触发端触，输转换为高电平，释放电晶体管截止。

电容C开始充电，以（R１＋R2）C的常数趋向VCC。

当电容上电压VC上升到上阈值2/3VCC时，输出又转换为低电平，并使放电晶体管导电。

电容C又重新通过R1和放电晶体管放电，近似以R2C的时常数趋向于零。

当电容C上电压下降到1/3VCC时，开始新的循环。

如此反复，定时器连续震荡，在输出端产生矩形脉冲在电容C上形成近似锯齿波的波形。

根据上述分析，利用电路暂态分析的三要素法，得电容C充电的电压表为

VC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/τ）（2.1）

（2.1）式中，τ=（R1+R2）C（2.2）

t=tpH时VC=VCC，充电结束。

即：

VC=2/3VCC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/（R1＋R2）C）（2.3）

（2.3）从上式中可求得

tpH=ln2（R1+R2）C=0.7（R1+R2）C=0.7（R1+R2）C（2.4）

同理可求得C放电的电压表示为

VC=2/3VCCe-t/R2C（2.5）

t=tpL时，VC=1/3VCC，，放电结束，从式（2.5）可得

VC=1/3VCC=2/3VCCe-t/R2C（2.6）

tpL=τln20.7R2（2.7）

振荡周期为T=tpH+tpL=0.7（R１＋2R2）C（2.8）

振荡频率为f=1/T=1.43/（R1+2R2）C（2.9）

此555定时器频率为1000HZ，故令C1=10nF，R1=39kΩ，R2=51kΩ。

取一个47kΩ的固定电阻与一个5kΩ的电位器RW串联期待R2.在调试电路时，调节电位器RW，是输出脉冲频率为1000HZ。

图2.2.1秒脉冲信号发生器的逻辑电路

2、计数器

计数器由两片74LS192同步十进制可逆计数器构成。

74LS192功能简介如下：

具有清除和置数等功能，其引脚排列和逻辑符号如图2.2.2所示。

其中PL为置数端，CPu为加计数端，CPd为减计数端，TCu为非同步进位输出端，TCd为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

图2.2.274LS192的引脚图和逻辑符号

图2.2.3仿真软件中的74LS192

仿真软件Multisim10中74LS192的图形如图2.2.3所示。

其中A、B、C、D为置数输入端，~LOAD为置数控制端，CLR为清零端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，QA、QB、QC、QD为数据输出端，~CO为非同步进位输出端，~BO为非同步借位输出端。

本例为利用减计数器端输入秒脉冲信号，进行减法计数，也就是倒计时。

这时计数器按8421码递减进行减计数。

利用借位输出端~BO与下一级74LS192的DOWN端连接，实现计数器之间的级联。

利用置数控制端~LOAD实现异步置数。

当CLR=0，且~LOAD为低电平时，不管UP和DOWN时钟输入端的状态如何，将使计数器的输出等于并行输入数据，即QDQCQBQA=DCBA。

24循环的设置为，十位片的DCBA=0010，个位片的DCBA=0100

3、译码和显示电路

译码和显示电路分两种，一种电路是74LS192接译码驱动器74LS48和7段共阴数码管组成。

74LS48芯片具有以下功能：

七段译码功能、消隐功能、灯测试功能、动态灭零功能，此电路中我们用到的是七段译码功能。

作为译码器，74LS48具有以下特点：

74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。

内部上拉输出驱动，有效高电平输出，内部有升压电阻而无需外接电阻。

七段数码管分共阴、共阳两种，其内部由发光二极管构成，内部有七个发光段，即a.b.c.d.e.f.g.在发光二极管两端加上适当的电压时，就会发光。

另外一种显示电路由74LS192直接输出给4线输入的七段数码管进行显示，这样构成的电路简单。

虽然4线输入的七段数码管构成的电路简单很多，但是市场上很难买到4线输入的七段数码管，所以我们此处利用74LS48显示译码器作为译码器，七段共阴极数码管显示。

译码和显示电路如图2.2.4所示。

图2.2.4译码和显示电路

4、控制电路

控制电路用来完成计数器的复位、启动计数、暂停/继续计数、声光报警等功能。

与非门U8A、U9A组成RS触发器，实现计数器的复位、计数和保持“24”，以和声、光报警的功能，开关功能说明如下：

开关A：

启动开关。

A处于高电平时，当计数器递减计数到零时，控制电路发出声、光报警信号，计数器保持“24”状态不变，处于等待状态；当A处于低电平时，计数器开始计数。

开关B：

暂停开关。

当“暂停/连续”开关处于“暂停”（开关B接低电平）时，计数器暂停计数，显示器保持不变；当此开关处于“连续”（开关B接高电平）时，计数器继续累计计数。

开关C：

手动复位开关。

当开关C接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”；当开关C接高电平时，计数器从24开始计数。

3Mutisim电路仿真[1][4][5][6]

3.1Mutisim仿真电路的组成

篮球比赛24秒倒计时器仿真电路如图3.1.1所示

图3.1.1篮球比赛24秒倒计时器仿真电路

由于仿真软件对于悬空的引脚或断开的开关不能认为是高电平，所以在仿真电路中凡是需要开关的地方都选用单刀双掷开关，用来接高、低电平。

3.2仿真分析

由555定时器输出秒脉冲经过与门U7A输入到计数器U6的DOWN端，作为减法计数脉冲。

当计数器计数计到“0”时，U6的13脚（~BO）输出借位脉冲使十位计数器U5开始计数。

当计数器计数到“00”时应该使计数器复位并置数“24”。

由于“00”跳变到“99”时，利用个位和十位的“9”即“1001”通过与非门U4A去触发RS触发器使电路翻转，给74LS192的11脚（~LOAD）输入低电平使计数器置数，并保持“24”，同时发光二极管LED1亮。

搬动开关A到低电平时，RS触发器翻转，计数器开始计数。

扳动开关C到低电平时计数器立即复位，扳动开关C到高电平时计数器又开始计数。

若需要暂停时，扳动开关B到低电平，振荡器继续振荡，但输出的脉冲经与门运算后为低电平0，74LS192脉冲输入端没有脉冲信号，从而使计数器保持不变；扳动开关B到高电平后，计数器继续计数。

在仿真调试中，由于仿真软件提供的振荡器秒钟脉冲信号太慢，用是信号发生器产生的100HZ信号进行调试的。

篮球比赛24秒倒计时器仿真电路的调试电路如图3.2.1所示。

图3.2.1篮球比赛24秒倒计时器仿真电路的调试电路

3.3仿真分析总结

1、能实现24秒倒计时计数的方法有很多种，能实现该功能的计数器芯片也有很多种，本电子设计给出一种可行的该目的的方案。

2、为了达到暂停控制功能，也可以将开关接在振荡器电路中，通过控制振荡器的工作与否来控制整个电路的暂停。

4系统的调试组装

4.1SCH元件库和PCB元件库[1][2][7][8][9][10]

考虑到涉和的元器件种类较多，且Protel自身提供的SCH元器件库包含所有我们用到的器件，因此我们用系统提供的MiscellaneousDevices.ddb和NSCDatabooks.ddb两个SCH元件库中的元件来作为电路原理图的元器件原理图符号。

PCB元件库由我们自己制作，下面是我们制作的几种元件的封装：

1、电容的封装如图4.1.1所示。

图4.1.1电容的封装CAP-100

2、发光二极管的封装如图4.1.2所示。

图4.1.2发光二极管的封装DIODE-300

3、使用14引脚芯片的封装有74LS08、74LS00，如图4.1.3所示。

图4.1.314管脚芯片的封装DIP14

4、使用16引脚芯片的封装有74LS48、74LS192，如图4.1.4所示。