篮球24秒12分钟计时系统.docx
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篮球24秒12分钟计时系统
设计内容与设计要求
一．设计内容：
设计制作一个篮球竞赛计时系统：
1、具有显示每节12分钟比赛时间的倒计时功能；具有显示24S倒计时功能：
用四个数码管分别显示分、秒，其计时间隔为1S。
并用四个LED分别自动指示比赛节数
2、设置启动键和暂停/继续键，分别控制两个计时器的直接启动计数，暂停/继续计数功能。
3、设置复位键：
按复位键可随时返回初始状态，时间显示电路显示分别为12.00和24S。
4、计时器递减计数到‘00.00’时，计时器停止工作，并给出报警信号。
5、功能扩展（自选）；
二．设计要求：
1．设计思路清晰，给出整体设计框图；
2．设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；
3．总电路设计；
4．安装调试电路；
5．写出设计报告；
主要设计条件
1.提供直流稳压电源、信号源、示波器等仪器；
2.提供各类TTL集成电路芯片、电阻、电容及插接件等元器件。
3.提供电子综合实验装置。
说明书格式
1、课程设计封面；
2、课程设计任务书；
3、说明书目录；
4、设计总体思路，基本原理和框图；
5、单元电路设计（各单元电路图）；
6、总电路设计（总电路图）；
7、安装、调试步骤；
8、故障分析与电路改进；
9、总结与设计调试体会；
10、附录（元器件清单）；
11、参考文献；
12、课程设计成绩评分表。
进度安排
第一周：
星期一上午安排任务。
星期一~星期二：
查资料、设计
星期三~星期四：
设计仿真〈四楼现代设计实验室〉
星期五上午：
领元件〈四楼电子综合实验室〉
星期五调试电路；
第二周：
星期一~星期四安装调试电路；〈四楼电子综合实验室〉
星期五写总结报告,答辩；
参考文献
《电子技术课程设计》历雅萍、易映萍编
《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社
《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编 华中理工出版社。
…
第一章设计整体思路……………………………………1
1.课程设计要求……………………………………………1
2.设计目的…………………………………………………1
3.设计整体思路………………………………………1
1）主电路…………………………………………………1
2）控制电路………………………………………………2
第二章基本原理及框图………………………………3
1.基本原理…………………………………………………3
2.设计整体框架图…………………………………………4
第三章单元电路设计及单元电路图………………5
1.秒脉冲发生电路…………………………………………5
2.递减计数及数码显示电路………………………………6
1）倒计时单元电路………………………………………6
I.24秒倒计时单元电路设计…………………………6
II.12分钟倒计时电路设计……………………………7
2）小节显示电路设计……………………………………8
3.控制电路设计……………………………………………8
1）操作控制按键设计……………………………………8
I.小节启动控制键……………………………………8
II．24秒复位键…………………………………………9
III．暂停/继续按键设计………………………………10
2）反馈控制秒脉冲信号设计……………………………10
I.反馈信号设计………………………………………10
II.秒脉冲控制…………………………………………11
4.报警单元电路…………………………………………12
I.电路设计……………………………………………12
II.输入信号设计………………………………………12
第四章安装、调试步骤………v………………………13
第五章故障分析与电路改进……………………14
1.故障产生的原因………………………………………14
2.故障的分析法……………………………………………14
3.电路的改进………………………………………………14
第六章总结与体会………………………………………16
附录一使用元器件功能表及引脚图……………18
附录二参考文献……………………………………………20
附录三元器清单…………………………………………21
附录四电气与信息工程系课程设计评分表…22
一、设计整体思路
1、课程设计要求
本课题是要求设计一个篮球竞赛计时系统，一场比赛分为四节，每一节开始都有一个LED（发光二极管）自动发光，表示比赛小节。
并且具有显示每一小节12分钟比赛时间倒计时功能和显示24秒倒计时功能。
要求有三个操作键：
（1）小节启动键——使其回到小节的初始状态，显示分别为12:
00和24秒；
（2）暂停/继续键——使整个计时器停止和继续；
（3）24秒复位键——在计时器工作的任意时刻，224秒倒计时回到初始显示24。
2、设计目的
进一步熟悉和掌握常用数字电路元器件的应用。
（1）巩固加深理解数字理论的基本理论知识，学习基本理论在实践中的综合运用的初步经验，掌握数字电路系统设计的基本方法及在面板上接线的方法、技术、要注意的问题。
（2）培养数字电路实物制作、调试、测试、故障查找和排除的方法。
（3）培养细致、认真做实验的习惯。
（4）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
3、设计整体思路
1）主电路
用6块74192同步加/减计数器来完成24秒倒计时及12分钟60秒倒计时功能，使用减计数来进行倒计时，时钟脉冲用555定时电路产生秒脉冲，控制24秒倒计时及60秒倒计时的脉冲输入。
用一块74LS194移位寄存器控制4个LED，用来自动显示比赛节数。
操作按键由三部分组成：
小节启动键；暂停/继续键；24秒复位键。
2）控制电路
小节启动键给一个信号到74LS194移位寄存器的CP脉冲输入端，使其中的一个LED发光。
秒脉冲加给24秒计数器和60秒计数器进行减计数，当24秒减数器减到0时电路发出信号给报警电路，发出音响警报。
在各个计数器都在正常工作时，24秒复位键给出的信号能使24秒计数器在任一时刻回到24秒。
当暂停/继续键为高电平时表示继续，不影响电路运行；当该键为低电平时表示暂停，电路中不输入脉冲波，电路中的计数停止，并发出信号给报警电路，发出音响报警。
当12分钟60秒的计数器递减到00:
00时，计数器给一个信号使计时器停止工作，并给出报警信号，使其发出音响报警。
二、基本原理及框图
1、基本原理
小节启动键给一个信号到74LS194移位寄存器的CP脉冲输入端，74LS194数据输出端接上4个LED（发光二极管），控制端输入SR及SL的输入信号都为高电平，S0与S1的信号分别为高电平与低电平，这样当脉冲输入信号出现时，数据输出端的信号将依次向右输出高电平，因此每一小节开始，小节启动键输出的信号将是其中的一个LED发光。
24秒倒计时器有两个74LS192串联组成，低位的借位输出信号接入高位的脉冲输入端。
高位的借位输出端BO通过逻辑电路将信号传给置0端CR，并将该信号通过逻辑电路作用在计数器的脉冲输入信号上，使其在递减至00时停止。
数据输入端的预置数为00100100（24的BCD码）。
在各个计数器都能在正常工作时，24秒复位键给出的信号通过逻辑电路使24秒计数器在任意时刻都能使计数器回到24。
同理，12分钟60秒的减计数器也是由4个74LS192串联56组成，低位的借位输出信号在高位的脉冲输入端，并且使这四个计数器从高位到低位的数据输入端分别接入以下信号：
0001001001011001（及12和59的BCD码）。
秒脉冲信号加给24秒计数器和60秒计数器的最低位的减脉冲输入端进行减计数，当24秒减数器减到0时电路发出信号给报警电路，发出音响报警。
当暂停/继续键为高电平时表示继续，不影响电路运行；当该键为低电平时，表示暂停，该信号通过逻辑电路作用在计数器的脉冲输入，使得电路中不输入脉冲波，电路中的技术停止，并发出信号给报警电路，发出音响报警。
当12分钟的计数器减到00:
00时，12分钟计数器的高位借位输出信号通过逻辑电路作用在计数器的脉冲输入端上，使计时器停止工作，并给出报警信号，使其发出音响报警。
2、设计整体框架图
设计框架图如下所示
篮球竞赛计时系统设计框架图
三、单元电路设计及单元电路图
1、秒脉冲电路发生电路
用555组成多振荡器输出秒脉冲，工作原理如下：
接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压Uc由0按指数规律上升当Uc≥2/3Vcc时，电压比较器C1和C2的输出分别为Uc1=0、Uc2=1，基本RS触发器被置0，Q=0，Q*=1，输出U0越到低电平U01。
与此同时，放电管V导通，电容经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳定态。
随着电容C放电uc下降到Uc≤1/3Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出为Uc1=1、Uc2=0，基本RS触发器被置1，Q=1,Q*=0，输出u0由低电平U01越到高电平U0h。
同时，因Q*=0，放电管V截止，电源Vcc又经过R1和R2对电容C充电。
电路又返回前一个暂稳态。
因此，电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。
多振荡器的周期T为：
T=0.7（R1+R2）C振荡频率f=1/T=1/0.7（R1+R2）C
用555组成多谐振荡器输出秒脉冲电路，功能表如下：
T≈1s，f≈1Hz。
其电路图如下所示。
秒脉冲电路图
2、递减计数及数码显示电路
1）倒计时显示单元电路设计
I、24秒倒计时电路设计
电路如下图所示。
该电路用两块192芯片构成24进制计数器，作为比赛是对控球一方控球时间的倒计数。
由于比赛时，篮球是在两个对之间的交替控制，因此，在比赛中24进制的计数器应该能在任一时刻回到起始工作时间24秒当24秒递减至00时，控球一方超过控球时间，因而犯规，比赛应该停止。
此时。
BO借位输出通过一个与门电路控制秒脉冲信号，使其停止计数，并将信号作用在报警电路，使其发出音响报警。
另外，每一小节开始时，计数器也应该回到起始工作时间24秒，因此，置数端的信号由24秒复位信号和小节启动信号通过或门电路输入。
II、12分钟倒计时电路设计
电路图如下所示。
该图是由四个74LS192芯片串联组成的60进制和12进制的递减计数器，用来表示每一小节中的分钟与秒钟。
其中60进制的计数器是通过反馈置数的方法来循环的。
在每一小节开始之前，小节启动信号为低电平，在它的作用下，此时4个计数器分别置数与清零，显示为12:
00。
当小节启动信号为高电平时，计数器开始进行减计数。
知道12分钟结束，显示为00:
00，此时，高位的借位输出BO通过一个与门电路反馈控制秒脉冲信号，使得整个电路没有脉冲输入，进而停止计数。
该信号通过逻辑电路到报警电路，使其发出报警音响。
2）、小节显示电路设计
电路图如下所示。
由图不难看出74LS194数据输出端接上4个LED（发光二极管），控制输入端SR及SL的输入信号都为高电平，S0与S1的信号分别为高电平与低电平当脉冲输入信号出现时，数据输出端的信号将依次向右输出高电平（即1000110011101111）。
因此每一小节开始时，小节启动键输出的信号将使其中的一个LED发光。
3、控制电路设计
1）操作控制按键设计
I、小节启动控制键
由于比赛分成四小节，每一节的启动都由该键控制。
每一小节开始之前，电路显示应该为12:
0024。
该控制键要控制12与24进制的置数端，还要控制60进制的清零端。
由于芯片74LS192的置数为低有效，而清零高有效，因此，该键应该可以输出高低电平。
具体电路图如下所示：
另外该键的改变可以使得信号发生改变，即可以为移位寄存器提供脉冲源，因此，每场比赛开始，只能是一个LED发光。
II、24秒复位键
电路图如下所示。
比赛正常进行时，比赛双方控球的时间不应该超过24秒，比赛的两队交替控球，因此，比赛中的任意时刻，24秒计数器都应该回到初始显示，即24。
其按键设计与上相同。
24秒复位按键设计图
III、暂停/继续按键设计
比赛中经常有犯规等突发情况，使比赛不得不暂停，但这并不影响比赛的时间显示。
因此，该键只能控制脉冲信号，使所有的计数器没有脉冲输入，进而暂停比赛；当撤除该信号后，脉冲信号仍然正常输入到计数器，比赛继续。
当该键提供的信号为低电平的时候，控制秒脉冲信号，高电平则为报警电路提供信号。
电路图如下所示。
2）反馈控制秒脉冲信号设计
I、反馈信号设计
在介绍倒计数器设计时我们知道芯片74LS192的借位输出即可以提供高位的脉冲输入又可以反馈给脉冲终止计数。
但是最高位的借位输出很不稳定，直接通过与门作用在秒脉冲上，很难识别，因此要通过逻辑电路来实现一小节的停止。
电路图如下所示。
II、秒脉冲控制
因为许多信号应该能影响秒脉冲信号，比如：
24进制的高位的借位信号、12进制的高位的借位输出信号（通过74LS74获得信号）、暂停/继续信号等。
这些信号与秒脉冲信号通过一个多输入的与门连接，使得可以控制整个电路。
电路图如下所示：
4、报警单元设计
I、由555定时器和三极管构成的报警电路如图所示。
其中555构成多谐振荡器，振荡器频率f0=1.43/（R1+2R2）C，其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为控制信号，当为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。
II、输入信号设计
在比赛中，暂停、24秒犯规及小节结束都应该发出报警声响，因此，报警电路的信号输入（高有效）是由暂停/继续信号、24进制及12进制借位反馈信号通过或非门来实现的。
四．安装.调试步骤
系统总电路图如图所示。
设计出来以后,按以下步骤进行安装。
（1）555定时器安装一个秒脉冲发生器。
（2）按照真值表和管脚图用6片74LS192安装一个24进制倒计数器.一个60进制倒计数器及一个12进制倒计数器。
（3）按照原理安装一片移位寄存器74LS194,使其能在小节控制键的作用下使得四个LED（发光二极管）依次发光。
（4）安装一个报警器，使其工作之后自动报警。
（5）把以插入但未连接的线理清楚，然后把他们对应的接入正确位置，是整个电路连通。
五．故障分析与电路改进
1.故障产生的原因
（1）元器件.实验电路板损坏。
电子电路中通常有很多元器件（包括芯片）安装在实验电路板上，这些元器件只要有一个损坏或连线有一处或断裂或接触不良，都造成电路故障而无法正常工作。
（2）实际安装接线的电路与设计的原理不符，这主要表现为电路接线时的错误.元器件使用错误或引脚接错等，致使电路工作不正常。
（3）安装和布线不当，芯片接反或线路走向不合理（有时会接错线），有些芯片没有接高电平和低电平，都将造成电路的故障。
（4）操作有误。
2.故障的分析方法
（1）在不同点的情况下，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，管脚有无损害，连线有无接错（包括漏错线.短路和接触不良）。
（2）在输入电路没有问题的前提下，对输出信号进行检测。
可以通过LED是否发光来判断其输出是否是预期的电平。
3.电路的改进
（1）实际安装中有的芯片不能实现仿真中的要求，需要对电路进行修改。
我们在仿真时没有要触发器就可以达到实验要求，而在模板上按照原理图就接不出来。
后来我们对电路进行了改进，接了一个D触发器就达到了要求（反馈控制秒脉冲模块）。
（2）在仿真中，我们的控制键是通过电源接电阻来获得高电平的，但在模板中，已有连接好的接触脉冲信号键，方便了我们的连线。
（3）在仿真中，其信号的输出都是理想的，较为稳定。
而在实际的接线过程中，有的信号并不稳定需要通过逻辑电路来获得稳定信号。
六．总结与体会
数电课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次数电课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次数电课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，但还是在老师和同学们的帮助下得以完成。
总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维，增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐.这次数电课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高。
不仅培养了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。
更加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。
另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性。
同时也认识到独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限更多的还是需要我们自己的独立思考。
课程设计中让我意识到团队合作的重要性，比如电路设计中的分频器的设计，开始并不理解减数器的原理，但是和其他的同学讨论后，理解了减数器的基本原理后，很快的设计了电路原理图。
同时，在郭老师那里我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！
同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
附录一使用元器件功能表及引脚图
74LS194功能表
74LS194引脚图
74LS192功能表
74LS192引脚图
附录二参考文献
《电子技术课程设计》历雅萍、易映萍编
《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社
《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编 华中理工出版社。
附录三实验元器件清单
名称
数量
用途
74LS04
1个
六反相器
74LS32
1个
四2输入正或门
74LS08
1个
四2输入正与门
74LS194
1个
移位寄存器
74LS192
6个
双时钟加减计数器
74LS74
1个
双D触发器
电阻
3个
1（10K）
1（15K）1（68K）
电容
2个
1（0.1μF）
1（10μF）
发光二极管
4个
显示小节
四段译码显示管
6个
显示计数器
扩音器
1个
报警音响
附录四电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
设计方案的合理性与创造性
硬件制作或软件编程完成情况*
硬件制作测试或软件调试结果*
设计说明书质量
设计图纸质量
答辩汇报的条理性和独特见解
答辩中对所提问题的回答情况
完成任务情况
独立工作能力
组织纪律性（出勤率）
综合评分
指导教师签名：
________________
日期：
注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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