篮球比赛记分牌电路的设计与仿真分析.docx
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篮球比赛记分牌电路的设计与仿真分析
四川师范大学成都学院电路与电子技术课程设计
篮球比赛记分牌电路的设计与仿真分析
学生姓名
吴博
学号
2010101043
所在学院
通信工程学院
专业名称
通信工程
班级
2012级广电1班
指导教师
孙活
成绩
四川师范大学成都学院
二〇一四年十二月
课程设计任务书
学生姓名
吴博
学生学号
2010101043
学生专业
广播电视
学生班级
12广电1班
指导教师
孙活
职称
讲师
发题日期
2014年10月18日
完成日期
2014年12月26日
设计题目
篮球比赛记分牌电路的设计与仿真分析
设计目的：
1.自选器件设计篮球记分牌电路，要求加以双方各显示为3位数（可显示至百位）；
2.分别用3个按键，给记分牌家1、2、3分；
3.用一个开关实现加减控制。
4.每次篮球比赛记分后用一个开关给系统清零，使系统复位，准备下一次比赛计分。
具体任务及要求：
1.设计电路原理图；
2.熟练使用Multisim软件设计其相应电路图；
3.仿真并调试其设计电路图；
4.按照课程设计报告要求，完成设计报告书，参加课程设计答辩。
课程设计进度安排：
序号
内容安排
时间
1
收集资料
9月26日
2
确定方案，熟悉使用仿真软件
9月27日
3
设计相应电路图
10月8日-16日
4
完成实物仿真及上交仿真作品
10月17日
5
完成课程设计报告撰写
12月13日
6
上交设计报告并参加课程设计答辩
12月20日
课程设计参考文献：
[1]李良荣，现代电子技术设计，机械工业出版社
[2]王冠华，Multisim11，国防工业出版社
[3]朱力恒，点自己住仿真实验教程，电子工业出版社
[4]王连英，基于Multisim10的电子仿真实验与设计，北京邮电大学出版社
[5]阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社
指导教
师签字
院长审核签字
篮球比赛记分牌电路的设计与仿真分析
内容摘要：
本文介绍了基于数字电路的篮球数字计分牌的设计，在硬件方面使用三片四位二进制加法器74LS161分别组成1,2,3进制计数器，用三个开关分别进行1分，2分，3分的计数，然后把数值通过逻辑电路输入到十进制加/减计数器74LS192进行总分的累加。
使用三个七段LED数码管来进行显示百位，十位，个位，LED采用的是动态扫描显示，用74LS48芯片进行驱动。
软件方面使用Multisim对可逆计数器进行仿真，整个系统能够对篮球比赛过程中比赛分数进行计数累加，实现对整个比赛的计分。
关键词：
数字记分器 LED数码管 计数器 仿真
DesignandSimulationAnalysisbasketballgamescoreboardcircuit
Abstract：
Thisarticledescribesthebasketballdigitalscoreboarddigitalcircuit-baseddesign,usingathree-piecefour-bitbinaryadder,respectively,intermsofhardwareconsistingof1,2,374LS161binarycounter,withthreeswitchesfor1min,2min,respectively,3pointscount,thenbylogicinputvaluetodecimalup/downcounter74LS192becumulativescore.Usingthreeseven-segmentLEDdigitaldisplaytoonehundred,ten,abit,LEDusesadynamicscanningdisplay,drivenby74LS48chip.SoftwareforuseMultisimsimulationreversiblecounter,theentiresystemcanscorethebasketballgameduringthegamecountsthecumulativerealizedfortheentiregamescoring.
Keywords：
DigitalMarker LEDDigitalTube CounterSimulation
目 录
前言 1
1 Multisim的简介 2
2 系统总体方案及硬件设计 3
2.1 总体方案 3
2.2 记分器电路 3
2.3 设计所需的元件 4
3 各模块设计 4
3.1 数字键盘部分 4
3.2 编码部分 7
3.3 数据选择器部分 7
3.4 移位寄存器部分 9
3.5 显示部分 9
4 软件仿真 11
5 结束语 12
附录 13
附录1:
系统原理图 13
参考文献：
14
篮球比赛记分牌电路的设计与仿真分析
前言
数字记分牌在许多领域中得到普遍应用，在体育比赛、各种现场抢答比赛、各种互动游戏中均能见其身影。
在篮球比赛中，若采用人工计分的方法势必非常繁琐且错误率高，而采用数字记分牌就能高效的解决这一问题，由此可见计分牌在现代社会的各个领域的重要作用。
这次设计是一个难得的机会，也将成们为大学四年中十分宝贵的经历，它既是对我们所学理论知识的一次有效检验，也是对我们的实践认识和能力的一次提高。
通过这次数字逻辑实训设计，我们相信对本专业的兴趣会更加浓厚，对本专业知识有更深的了解EDA技术以硬件描述语言来描述系统级设计，采用自顶向下的设计方法，并支持系统仿真和高层综合。
能在设计的各个阶段对电路系统进行仿真和模拟，使设计者在系统的设计早期就能查设计系统的功能，极大的减少了可能发生的错误，减少了开发成本。
在日常生活中，我们会遇到很多比赛，会经常见到电子记分器。
那么这种记分器的原理是什么呢？
编码器将输入的每一个高、低电平信号编成一个对应的二进制代码，而译码器正好相反是将每个输入的二进制代码译成对应的输出高，低电平信号或另外一个代码。
数据选择器从一组输入数据中，通过给定不同的地址代码，选出某一个来。
移位寄存器用于寄存一组二进制代码并能实现异步置零、状态保持功能。
七段显示数码管能将二进制代码译成数码管所需要的驱动信号，从而使数码管将十进制数字显示出来。
随着科技突飞猛进的发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出，尤其在科学与技术方面。
而编码器译、码器数、据选择器、移位寄存器等一些逻辑器件起着关键作用，所以学会使用这些器件非常重要。
在这里通过对器件功能的学习和分析介绍，完成对电路的设计，对数字电子技术有了进一步的了解。
同时也明白了生活中的一些电子产品的工作原理。
1Multisim的简介
随着计算机技术飞速发展，可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成对电路设计。
计算机仿真在教学中的应用，而不是大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。
采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化。
Multisim作为一个高度互动且易于使用的工具，具备专业软件工具优势，它可以帮助学生深刻理解电路理论与行为。
鼠标点击控制更易于使用。
改进的微控制器（MCU）仿真；会聚帮助：
自动解决仿真错误，不需要理解复杂的SPICE选项和设置。
数据的可视化与分析功能增强：
用新的电流探针仪器显示通过线路的瞬变电流，强化的静态探针用于参考测量，可用作任何分析的数据输出，初始条件在原理图中的显示，增强对仿真行为的理解。
元件库的质量和容量提高：
1200多个新元器件和500多个新模块，来自美国模拟器件公司（AnalogDevices），德州仪器（TexasInstruments）和凌力尔特公司（LinearTechnologies），新的电源仿真模块，无源器件功能加强。
改变参数，如元件的公差、电阻、电容、电感的组合时，无需重新替换元器件，新的双极电压和电流源，单一符号数字元器件。
2 系统总体方案及硬件设计
2.1 总体方案
方案一:
加减输入1分，2分，3分，5分的智能加减记分器，把按键的输入信号通过编码器把十进制编译成二进制数码；利用累加器原理，结合寄存器的存储功能，把二进制数码输入到7448译码器来驱动七段数码管以达到显示分数的目的。
这种方案设计出的记分器适用于各类学校篮球、排球、乒乓球等竞赛场合。
方案二:
计出可以随时输入两侧分数，并保持比分显示且有强制清零功能的记分器。
设置0—9十个数字输入键盘，通过编码器把十进制编译成二进制数码DCBA，把DCBA分别输给移位寄存器并行输入端和数据选择器的地址输入端来选择信号作为移位寄存器的CP信号来源。
数码显示管通过输入寄存器的DCBA来显示分数。
这种方案设计出的记分器不仅适用各类学校篮球、排球、乒乓球等竞赛场合而且可以作为各类知识竟答抢答器的记分部分，应用场合更为广泛。
综合以上方案结合设计技术指标与要求我们选择了方案二进行设计。
电源部分采用干电池供电。
主记分电路由编码器（74147）、数据选择器（74LS151）、移位寄存器（74194）和显示器（LED）部分组成。
其流程图如图2-1所示。
编码器
移位寄存器
直流电源
数字键盘
数据选择器
数码管
图2-1 主计分电路流程图
2.2 记分器电路
记分器电路为本设计的主电路，也是重点设计的电路。
分别由数字控制键盘、编码器、数据选择器、移位寄存器、七段数码显示管和强制清零按钮及甲乙输分控制开关组成。
如图2-2所示。
设置0—9十个数字输入键盘，通过编码器把十进制编译成二进制数码DCBA，把DCBA分别输给移位寄存器并行输入端和数据选择器的地址输入端来选择信号作为移位寄存器的CP信号来源。
数码显示管通过输入寄存器的DCBA来显示分数。
图2-2 主计分电路
2.3 设计所需的元件
元件
数量（个）
74147（编码器）
1
74LS194（移位寄存器）
4
74LS151（数据选择器）
2
七段数码显示管（7448译码器集成其中）
4
74LS04非门
6
74LS32正或门
1
电阻（1KΩ）
10
单刀双掷开关
12
导线
若干
表2-1元件个数
3 各模块设计
3.1 数字键盘部分
实际中应用键盘来控制数值的输入，这里用单刀双掷开关来替代。
0——9十个开关连接如图3-1所示。
工作中由于后面电路的要求，开关平时处在上面给后面电路高电平，按下按键的一刻给后面的电路以低电平。
来触发编码器和数据选择器工作。
图3-1 工作流程图
单击运行按钮，可观测仿真结果。
电路能完成计时、校时以及整点报时功能。
计时功能：
开关S1、S2都处于左边触点时，数字时钟工作于计时状态。
此时，电路中的秒计时电路、分钟计时电路以及小时计时电路分别对秒脉冲、分钟脉冲和小时脉冲进行计数。
计数结果经数码管显示计时时间值。
校时功能：
开关S1、S2都处于右边触点时，数字时钟工作于校时状态。
按瞬态按钮J2（按B键），可以选择对“小时”、“分钟”和“秒钟”进行校时。
校时时通过开关S3（按C键）手动输入校时时间。
整点报时功能。
整点译码电路通过识别整点时间，产生整点报时信号。
当前时间为整点时间（零分）时，会产生整点报时，在进行仿真设计是，通过信号灯显示报时。
图3-2 开关处罚功能
应说明的是，能产生时钟脉冲的电路很多，如用晶体振荡器附加适当的门电路，可产生脉冲，但其振荡频率由晶体决定，而且振荡频率通常很高，调整和分频不大方便。
还可用滞回比较器加RC电路产生时钟信号。
声音报警电路可用555定时器构成高低音发声电路，电路如图4.2.7-1所示。
该电路可产生高音，频率为876Hz，持续时间为1.04s；产生低音，频率为611Hz，持续时间为1.1s。
图3-3整点报时电路
3.2 编码部分
编码器选择了74147--8421、BCD码其功能表如图3-5所示。
图3-574147编码功能图
由74147--8421、BCD码功能表可知，输出DCBA是8421BCD码的反码，因此只要在74147的输出端增加反相器就可以获得所要的输出码。
74147是9输入端的集成器而我们有10个数字键要输入，观察功能表就可以看出当74147的9个输入端都是高电平时，输出的二进制码经反相器后就是要得到的0的二进制8421BCD码。
所以前面开关电路的1—9键分别接74147的9个输入端，0键不接74147编码器只接数据选择器以提供移位寄存器的CP信号。
工作中按“0”键时由于74147各个输入端都是高电平，则输出经反相后就是“0”的二进制码。
其他的数字经编码器编码的到起对应的二进制码。
同时通过数据选择器选择都给后面的移位寄存器一个单脉冲的CP信号。
3.3 数据选择器部分
数据选择器是为了提供移位寄存器的单脉冲CP信号，使的每次按键是不仅给数字编码还提供CP信号以实现寄存器的存储和移位功能。
74LS151的功能表和引脚图如图3-7所示。
74LS151的数据输入端只有8个，所以我们选择两块74LS151进行级联电路如图3-8所示。
级联后的使能输入端作为地址端来使用，在两片使能端接一反相器低三位地址选择输入端CBA有两片74LS151的地址输入端相对连接而成。
然后两输出Y经一或门输出作为CP信号输给寄存器的CLK。
图3-774LS151的功能表和引脚图
图3-8数据选择器图
3.4 移位寄存器部分
移位寄存器电路由4片74194（双向移位寄存器）构成。
其功能表如图3-9所示。
集成移位寄存器74194由四个RS触发器及它们的输入控制电路组成。
除了增加4个并行输入端A～D外,还有两个控制输入端S1、S0。
如表所示，它们的状态组合可以完成4种控制功能，其中左移和右移两项是指串行输入，数据是分别从左移输入端DSL和右移输入端DSR送入寄存器的。
RD为异步清零输入端。
其第一行表示寄存器的异步清零；第二行表示当RD＝1，CP=1（或0）时，寄存器处于原来状态；第三行表示为并行输入同步预置数；第四、五行为串行输入左移；第六、七行为串行输入右移；第八行为保持状态。
74194双向移位寄存器控制端的逻辑功能。
电路图是图3-8。
这里我们只使用保持和并行输入和并行输出功能来实现比分的保持和输入功能。
图3-9 移位寄存器电路图
3.5 显示部分
半导体数码管和液晶管显示器都可以用TTL或CMOS集成电路直接驱动信号。
为此，就需要使用显示译码器将BCD码已成数码管所需要的驱动信号，以便使数码管用十进制数字显示出BCD代码所标示的数值。
所以我们需要选用具有译码功能的显示器。
这里我们选用BCD七段显示译码器如图3-10。
图3-10BCD-七段显示译码器图
4 软件仿真
图4-1 软件仿真
5 结束语
此次课程设计刚开始的时候，得到所选的题目，看似非常简单的题目，但就是不知该从哪下手，后来老师提示说这次课程设计用到的是我们所学的器件。
后来我就开始根据这条思路展开我的任务。
我首先上网搜索相关的原理及其用到的芯片，后来又到图书馆查阅了相关的资料，再结合我们的教材，初步想出了两个方法。
后来我进行了讨论分析这两个方法的优缺点，前一个运用累加功能计数时局限太大，没有后一个计数方便，后面的电路也比较简单所用到的芯片也比较少，故选择第二种方案。
它可以随时输入两侧的数字，没有设计累加功能，很方便，所以这样不仅可以用于篮球等体育竞赛。
也可以用于各类知识竞答，所以这样的计分板应用非常广泛。
在设计过程中，我遇到很多的芯片，有见过的有没有见过的，有知道功能的有不知道功能的，所以上网查资料，查阅相关书籍资料尤其重要。
在明白各个管脚的功能后，仔细连接各个接线柱尤其重要即使连错一根导线，结果都运行不出来。
连接过程中也会遇到很多问题，因此讨论，寻求老师和同学的帮助必不可少，尤其在一些细节上一定要弄明白连正确最后才能得到的却的结果。
通过这次课程设计，我学到很多书本及其书本以外的知识，让我受益匪浅。
既巩固了课堂上的理论知识，又掌握了一些常用的集成电路芯片的使用。
另外也学习了数字电路系统设计的基本思想和方法，面对所遇到的问题也要科学分析并解决，请教老师和同学，上网查阅及其书籍查阅也都是很好的渠道，这样很好的培养了解决问题的能力，和严谨的作风。
此次课程设计的成功离不开老师的谆谆指导和同学的无私帮助，在这里表示真挚的感谢！
！
！
附录
附录1:
系统原理图
参考文献：
[1]李良荣：
现代电子技术设计,机械工业出版社,2004.6,P62-P65
[2]阎石：
数字电子技术基础（第五版）,高等教育出版社,2005.5,P21-P23
[3]朱力恒：
电子技术仿真实验教程,北京电子工业出版社,2003.9,P30-P32
[4]习晓远：
仿真技术在实验教学中的作用和地位,北京电子工业出版社,
2002.21,P26-P27
[5]张凤云：
电子线路专题研究，西南交通大学出版社,1995.7，P11-P13
[6]任骏、原腾香、马敬敏：
数字电子技术实验，沈阳东北大学出版社,2010.8
[7]姚旻：
用集成计数器构成任意进制计数器.江西电力技术学院出版社,2003.2,P19-P21
[8]郭迪新：
计数器的简易设计，北京电子出版社,2000.5,P17-P20
成绩评定表
学生姓名
吴博
学生学号
2010101043
学生专业
广播电视
学生班级
12广电1班
指导教师
孙活
职称
讲师
设计题目
篮球比赛记分牌电路的设计与仿真分析
评
语
评定成绩
等级
分数
指导教师签字：
年月日
说明：
分数采用百分制，相应的等级为：
优：
90～100：
良：
80～89；中：
70～79；及格：
60～69；不及格：
60分以下。
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