篮球24秒计时器的设计与制作.docx

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篮球24秒计时器的设计与制作

摘要1

1设计任务及要求2

1.1设计任务2

1.2基本要求2

1.2.1初始条件2

1.2.2要求完成的主要任务2

2方案选择与论证3

2.1方案的选择3

2.2方案论证4

3电路框图及工作原理4

3.1电路框图4

3.2设计方案5

4单元电路设计与说明6

4.1时钟脉冲发生器6

4.224进制计数器7

4.3译码显示电路9

4.4控制电路10

4.5声光报警电路10

4.6元器件选择11

5电路调试11

5.1电路调试阶段11

5.2调试方法13

5.3调试步骤13

5.4调试中出现的问题及解决方案14

5.5调试结果14

结束语15

参考文献16

摘要

该篮球竞赛倒计时电路主要由四个部分构成：

时钟脉冲发生器、计数器、译码显示电路以及声光报警电路。

时钟脉冲发生器由含555定时器的多谐振荡电路组成，发出频率为1HZ的方波脉冲；计数器主要由两个74LS192构成，具有计时器直接控制电路控制计数器启动计数、暂停/连续计数以及清零置数的功能；译码显示电路主要由两个七段共阴极的数码管和74LS48芯片构成，能够显示24秒倒计数过程；声光报警电路主要由一个发光二极管和一个蜂鸣器组成，当计数器显示00时，发光二极管和蜂鸣器一起工作，进行声光报警。

关键词:

时钟脉冲发生器计数器发光二极管蜂鸣器七段共阴数码管

篮球24秒计时器的设计与制作

1设计任务及要求

1.1设计任务

本设计主要能完成：

在篮球比赛中，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，它就自动报警从而判定此球员的犯规。

1.2基本要求

1.2.1初始条件：

（1）具备显示24秒记时功能

（2）计时器为递减工作，间隔为1S

（3）递减到0时发声光报警信号

（4）设置外部开关，控制计时器的清0，启动及暂停

1.2.2要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

（1）设计任务及要求

（2）方案比较及认证

（3）系统框图，原理说明

（4）硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明

（5）调试记录及结果分析

（6）对成果的评价及改进方法

（7）总结（收获及体会）

（8）参考资料

（9）附录：

器件表，芯片资料

2方案选择与论证

2.1方案的选择

方案一（电路原理图）：

优点：

设计思路及电路连接简单，工作速度快，各部分反应灵敏。

缺点：

电路稳定性差，信号发生器易受外界干扰输出不稳定波形，有开关抖动，暂停后再计数会产生跃变

图2-1方案一电路原理图

方案二（电路原理图）：

优点：

电路稳定性高，大大削弱了开关抖动带来的计数跃变。

缺点：

电路较为复杂，易出错。

图2-2方案二电路原理图

2.2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，而方案二的稳定性更高，因此选择方案二为最佳方案。

3电路框图及工作原理

3.1电路框图

24秒计时器的总体参考方案框图如下图所示。

它包括时钟脉冲发生器、计数器、译码显示电路和声光报警电路等四个模块组成。

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、定时时间到启动报警等功能。

时钟脉冲发生器产生的信号要求是1HZ的方波脉冲，但是设计对此信号要求并不太高，故电路可采用含555集成定时电路组成的多谐振荡器构成。

译码显示电路由74LS48（译码器）和共阴极七段LED显示器组成。

报警电路可用发光二极管与蜂鸣器组成，进行声光报警。

译码显示部分（高位）

声光报警电路

译码显示部分（低位）

计数器（高位）

计数器（低位）

回馈

时钟脉冲发生器

开关

控制电路

图3-124秒计时器系统设计框图

3.2设计方案

该篮球竞赛倒计时电路的最重要的部分是24进制计数器，用74LS192进行24进制同步减法计数。

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，选择两个七段数码显示管进行显示。

根据设计要求，本课程设计采用555定时器制成的多谐振荡器，对24进制计数器进行秒脉冲的输入。

在本设计中，因为我们需要对其进行暂停、清零、报警等控制，所以我们使用了三个开关来控制计数器的各功能的实现。

设计的电路图如下所示：

图3-2选取的减计数器电路原理图

4单元电路设计与说明

4.1时钟脉冲发生器

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。

下图：

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）（4.1）

（4.1）式中，τ=（R1+R2）C（4.2）

t=tpH时VC=VCC，充电结束。

即：

VC=2/3VCC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/（R1＋R2）C）（4.3）

（4.3）从上式中可求得

tpH=ln2（R1+R2）C=0.7（R1+R2）C=0.7（R1+R2）C（4.4）

同理可求得C放电的电压表示为

VC=2/3VCCe-t/R2C（4.5）

t=tpL时，VC=1/3VCC，，放电结束，从式（2.5）可得

VC=1/3VCC=2/3VCCe-t/R2C（4.6）

tpL=τln20.7R2（4.7）

振荡周期为T=tpH+tpL=0.7（R１＋2R2）C（4.8）

振荡频率为f=1/T=1.43/（R1+2R2）C（4.9）

此555定时器频率为1HZ，故令C1=10nF，R1=28kΩ，R2=58kΩ，输出脉冲频率约为1HZ。

图4-1时钟脉冲信号发生器的逻辑电路

4.224进制计数器

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，其引脚排列及逻辑符号如图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4-274LS192的引脚图及逻辑符号

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。

图4-3仿真软件中的74LS192引脚图

74LS192的功能表如表4-1所示：

表4-174LS192的功能表

输入

输出

↑

加计数

↓

减计数

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

4.3译码显示电路

译码及显示电路分两种，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。

译码及显示电路如下图所示：

图4-4译码及显示电路

4.4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、非门以及D触发器实现计数器的复位、计数和保持“24”，以及声、光报警的功能，开关功能说明如下：

开关J1：

清零开关。

A处于高电平时，计数器清零，控制电路发出声、光报警信号；当A处于低电平时，才能够进行计数。

开关J3：

暂停开关。

当“暂停/连续”开关处于“暂停”（开关J3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J3接高电平）时，计数器继续累计计数。

开关J2：

置数开关。

当开关J2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J2接高电平时，计数器才能从24开始计数。

4.5声光报警电路

声光报警电路由发光二极管和蜂鸣器以及一个非门组成，两者同时工作，当计数器计到00时，控制高位的74LS192芯片的BO端输出为低电平，通过非门后得到一高电平，从而使发光二极管和蜂鸣器正常工作，进行声光报警。

图4-5声光报警电路图

4.6元器件选择

元器件清单如表4-2所示：

表4-2元器件清单

序号

元件名称

个数

七段数码显示器

74LS10

74LS04

74LS373

74LS192

73LS48

555定时器

180Ω排阻

20KΩ电阻

51KΩ电阻

10nF电容

10μF电容

发光二级管

蜂鸣器

单刀双掷开关

5电路调试

5.1电路调试阶段

（1）计时预备阶段如图5-1

图5-1电路原理图

（2）计时阶段如图5-2

图5-2电路原理图

（3）声光报警阶段如图5-3

图5-3电路原理图

5.2调试方法

（1）分块调试法

分块调试是把总体电路按功能分成几个模块，对每个模块分别进行调试。

模块调试的顺序最好按信号的流向，一块一块进行，逐步扩大调试范围，最后完成总调。

实施分块调试有两种方法一种边安装边调试；另一种是总体电路一次组装完毕后再分块调试。

分块调试的优点：

问题出现范围小，可及时发现，易于解决。

（2）整体调试

此种方法是把整个电路组装完毕后，不进行分块调试，实行一次性总调。

5.3调试步骤

（1）检查电路对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接

或出现多接线的现象。

（2）接通电源观察在检查电路无误后，接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，观察各个单元电路是否能够正常工作，找出出错的单元电路，如果有错，则用万用表对各个电路逐个检查，直至查出错误，并加以改正。

（3）对各个功能电路的检测闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。

调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。

5.4调试中出现的问题及解决方案

问题一：

接通电源后数码管不能正常工作。

解决方案：

断开电源后，检查译码显示电路的各元件引脚是否连接正确，结果发现七段共阴极数码管未接低电平。

问题二：

计数器计数太慢，减计数间隔远大于一秒。

解决方案：

多谐振荡电路输出的信号不稳定，受干扰后信号频率小于1HZ。

加大多谐振荡电路中的电阻R2（最好用滑动变阻器），调节电阻的同时，用秒表校准减计数间隔，使其约等于1秒。

问题三：

计数器正常工作，暂停计数后，再恢复计数时，产生计数跃变。

解决方案：

暂停/连续计数开关产生抖动，在开关J3与三输入与非门之间接入一个D触发器，它起到锁存的作用，大大削弱计数跃变。

5.5调试结果

该篮球竞赛24秒计时电路正常工作，将清零开关J1至低，置数后将置数开关J2置高，再将暂停/连续计数开关J3置高电平，电路开始正常减计数。

当J3置地时，计数暂停；当J3再重新至高时，进行连续计数。

当计数器减至00时，报警电路工作，同时进行声光报警。

结束语

自己第一次做课程设计，遇到不少困难，收获也很多。

刚开始分到设计题目时，觉得思路还蛮清晰，觉得应该蛮容易，可是设计好电路草图后，用Multisim仿真时就出了问题，先是数码管始终不亮，后来上网查资料后知道，数码管和译码器之间的每个引脚都要加电阻，仿真软件才能识别。

接着又发现计数器没法倒计数（仿真软件中），结果发现是仿真步长设置小了。

最终排除各种问题，仿真成功，虽然计数器设计的不完善，有轻微跃变。

然后便是实物连接了，连接的过程中也存在着各种各样的困难，比如，面包板接触不良，导线太多、太乱，插错孔，芯片没插紧等，其中最难解决的是多谐振荡电路输出信号不稳定，后来经过小组成员的共同努力终于使的计数器的计数间隔约为1秒，我们一边调节多谐振荡电路的R2电阻，一边用秒表校对计数时间间隔，最终使两者近似相等。

后来便是答辩，由于小组成员都积极参与设计，大家对电路连接及原理都有所了解，因此，答辩比较顺利。

对于该实验还有可以有改进的地方，主要就是信号发生器的改进，为了得到更加稳定的时钟脉冲，我们可以用石英晶体振荡器，它具有高精度和高稳定性。

这次电子电工课程设计让自己有很多收获，首先便是大大提高了自己的动手能力以及解决问题的能力，遇到困难不再是逃避，而是迎难而上，耐心地分析解决问题。

再者便是自己的合作意识提高了，众人拾柴火焰高，大家互相帮助，互相支持，在困难的问题也能迎刃而解。

当然，这次课设中自己也有一些不足之处，比如，在面包板上连线时不够细心，会插错孔；还有就是仿真软件不太会用，经常找不着元件，等等。

细节方面有所疏忽，不够严谨。

希望以后能多参加这样的活动，不断提升自己的各方面能力，为今后的学习和工作打下扎实基础。

参考文献

1.伍时和主编《数字电子技术基础》清华大学出版社2009

2.康华光主编《电子技术基础》（数字部分）高等教育出版社1980

3.周新民主编《工程实践与训练教程》武汉理工大学出版社2009

4.程勇《实例讲解Multisim10电路仿真》人民邮电出版社2010

5.朱余钊主编《电子材料与元件》西安电子科技大学出版社2002

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