篮球竞赛30S计时器课设报告.docx
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篮球竞赛30S计时器课设报告
课程设计说明书
课程设计名称：
数字电路课程设计
课程设计题目：
篮球竞赛30S计时器
学院名称：
信息工程学院
专业：
通信工程班级：
学号：
姓名：
评分：
教师：
20年月日
数字电路课程设计任务书
2013－2014学年第1学期 第2周－3周
题目
篮球竞赛30S计时器
内容及要求
〖基本要求〗
1）具有显示30S计时功能
2）设置外部操作开关，控制计数器的直接清零，启动和暂停/连续功能
3）在直接清零时，要求数码显示器灭灯
4）计时器为30S递减计时，计时间隔为1S
5）计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号
〖主要参考元器〗：
N综合555
（1），74ls161
（1），74LSl92
（2）
进度安排
1.仿真、画PCB线路板图、领元器件：
2天；
2.制作、焊接：
2天
3．调试：
3天
4.验收：
1天
5.提交报告：
2013-2014学年第一学期3周
学生姓名：
指导时间：
第2～3周
指导地点：
E楼607室
任务下达
2013年9月7日
任务完成
2013年9月22日
考核方式
1.评阅□√ 2.答辩□√3.实际操作□√4.其它□
指导教师
系（部）主任
注：
一、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师讲课时自带一份备查。
二、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
篮球30s计时器是对实际篮球比赛中24s计时器的拓展，本课程设计的30s计时器主要由脉冲发生电路、时序控制电路、计数器、译码器、数码显示器及报警电路构成。
采用30s倒计时的计时方式，功能完备，具有可直接置数、清零、暂停/继续和报警的特点。
可应用于篮球比赛中对进攻时间的计时控制及其他各类需要倒计时的场合进行跟踪计时。
关键词：
时序；计数；译码
前言
信息社会的发展离不开电子产品的进步，计时器就是工业发展道路上进步的产物。
计时器可以实现对某个功能电路作历时间的控制，在时间达到的时候产生报警信号。
可置数，还可暂停和启动，工作时可以清零从头计时，功能多样，是计时控制的重要工具。
计时器在实际工作顶用到的场合很多，它成为今天工业控制领域、通信设备、信息处置中利用最普遍的电路之一。
在很多领域都需要几个乃至上百个按时电路去控制多项操作，如数控电梯、数控机床、各类智能医疗器械等方面，实现了工业生产的自动化，提高劳动生产率，最终增进经济的发展。
在日常生活中也不乏计时器的身影，如体育比赛中的按时报警器、游戏中的倒时器、交通信号灯中的时间控制器等无一不是计时器的控制。
在实际篮球比赛中规定一方持球的时间不得超过24s，计时器倒计时即可以达到在这24s内对时间的控制，需要时可以暂停计时也可和时继续计时，当一方持球超过24s时，计时器产生报警信号，新一轮的计时又可以清零置数开始倒计时。
而篮球竞赛30s计时器就是对实际篮球比赛计时器的模拟拓展，将24s改成30s,因此实现的功能与实际篮球比赛中的计时器功能一致。
第一章电路组成与工作原理
1.1篮球竞赛30s计时器的系统组成
篮球竞赛30s计时器是对实际篮球竞赛24s计时的拓展设计，置数后即可倒计时，计时进程中可暂停/继续还可以清零，到倒计时为0时产生报警信号，完成一个功能计时周期。
为实现以上功能，整个电路可分为脉冲发生电路、时序控制电路、计数器、译码器、数码显示器及报警电路六个部份。
图1.1原理框图
1.2篮球竞赛30s计时器的工作原理
计数器和控制电路是系统的主要部份，计数器通过秒脉冲发生器产生的秒信号实现计时功能，而控制电路控制计数器的置数、暂停、启动和清零功能。
当按下置数开关时，计数器完成置数，数码管显示“30”字样并开始倒计时；当倒计时为“00”时，发光二极管亮发生报警信号。
在计时的进程中，按下暂停/继续开关可切断计数器与脉冲发生器的联系使计数器停止计数，从而实现计时的暂停，再次按下暂停/继续开关即可继续计时。
计时进程中如有需要可以按下清零开关即可清零，再置数后可以达到从头计时的效果。
第二章单元电路设计与计算
2.1秒脉冲发生电路
脉冲发生电路是计数器计数的前提，其主要作用是产生一个周期恒定的脉冲信号，本次设计将采用NE555按时器组成一个较稳定的多谐振荡器。
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，通过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态，两个暂稳态自行彼此转换而从引脚3输出一矩形波。
图2.1脉冲发生电路图
图2.1所示是由555按时器组成的多谐振荡器,R一、R2和C2是外接元件。
由于要产生周期为1s的脉冲信号，振荡器的周期计算公式为
T=0.7*（R1+2*R2）*C2
（1）
C2设为参数为10µF的电解电容，将R1与R2的阻值设为15kΩ和68kΩ，则振荡器输出脉冲信号的周期为1.0577s约为1s。
2.2减计数电路
该部份电路的主要功能是对之前产生的脉冲进行计数，利用两片74LS192进行设计，其主要功能如下表。
表2—174LS192主要功能表
MR
操作
×
×
0
0
置数
↑
1
1
0
加计数
1
↑
1
0
减计数
×
×
×
1
清零
注释：
为减计数时钟输入端（上升沿有效）
为加计数时钟输入端（上升沿有效）
为异步并行置数控制端（低电平有效）
MR为异步清除端
由于74LS192为十进制计数器，置数端D3D2D1D0通过接高低电位可进行其他置数，故可将两片74LS192组成可预置数的三十进制递减计数器，计数器的十位接成三进制，计数器的个位数接成十进制。
由表2—1可以看出,当
=1,MR=0,
=1时,若是有时钟脉冲加到
端,则计数器在预置数的基础上进行加法计数,当计数到9时,进位输出端TCU端输出进位下降沿跳变脉冲；当
=1，MR=0，
=1时，若是有时钟脉冲加到
端，则计数器在预置数的基础上进行减法计数，当计数到0时，借位输出端TCD端输出借位下降沿跳变脉冲。
由此设计出三十进制减法计数器，Q0-Q3别离接到对应的译码器的输入端，
端接到秒脉冲发生器的脉冲输出端。
图中预置数为
N=
（2）
当低位计数器的借位输出端TCD输出借位脉冲时，高位计数器才开始进行减法计数。
当计数到高、低位计数器都为零时，高位计数器的借位输出端TCD输出借位脉冲，当控制电路使置数端
=0时，计数器置数，在
端输入脉冲的作用下，进行下一循环的减法计数。
电路如图2.2所示。
图2.2减计数电路
2.3译码电路
由于译码显示选用的是共阴极数码管，故采用4线—七段译码器74LS48。
74LS48芯片是一种有内部上拉电阻的常常利用的七段数码管译码器/驱动器，常被使用在各类数字电路和单片机系统的显示系统中。
当要求输出0—15时，消隐输入
应为高电平或开路，特别的，当输出为0时还要求脉冲消隐输入
为高电平或开路，在实际电路设计中为使电路稳定该端接高电平而不悬空。
当
为低电平时，不论其它输入端状态如何，QA—QG均为低电平。
按照这一特点，在设计电路中，译码显示时，使
接高电平，而要达到清零后数码管灭灯的要求即可在该端接一个反相器。
拨动清零开关时高电平经反相器变成低电平输入到
端，则译码器输出全为低电平，所接的共阴极数码管则灭灯。
具体电路如图2.3所示，ABCD为译码地址输入端。
图2.3译码显示电路
2.4控制电路
控制电路决定整个设计中辅助功能的实现，包括置数控制，清零控制和暂停/继续功能控制。
为保证系统的设计要求，在控制电路设计中，正确处置各电路之间的时序关系是设计的关键。
2.4.1置数控制电路
可预置数主要在于控制74LS192芯片的置数端
，由表2—1可知，
为低电平有效输入端，故当在该端输入低电平时，计数重视新置数。
用一个B键实现高低电平的转换来进行控制，当计数器计数时，
接高电位，而需要置数时，按下B键，则
端接低电平即可置数，B键弹开后，
回到高电位，计数器又开始计数。
图2.4置数控制电路
2.4.2清零控制电路
直接清零功能添加在计数器模块，由于74LS192的MR端具有清零的功能，由表2—1可看出当MR接高电平时，计数器清零。
实际电路中，利用一个单刀双掷开关，当计数器正常计数时，单刀双掷开关接地，即MR为低电平计数，而单刀双掷开关接高电平时，即MR为高电平，则计数器清零，同时高电平经反相器变成低电平输入译码器，使译码器输出全为低电平而使显示数码管灭灯。
图2.5清零控制电路
2.4.3暂停/继续控制电路
要达到暂停/继续的功能可通过对计数器输入的脉冲输送进行控制。
选用三输入的与非门74LS10作为主控芯片，从555组成的多谐振荡电路的输出端接至74LS10的输入端1脚，当计数器计数时，2和13脚接高电平，12脚输出则随1脚输入的脉冲信号而转变，从而6脚的输出即为从1脚输入的脉冲信号，该信号输入到74LS192，计数器计数。
当单刀双掷开关接地，第一个与非门输出高电位，从而第二个与非门的输出维持低电平，无脉冲信号，计数器不计数实现暂停功能，当开关置回高电平计数器则会继续计数。
图2.6暂停/继续控制电路
2.5报警电路
报警信号一般利用蜂鸣器发声报警，由于该电路利用蜂鸣器实现报警会使电路变得复杂而不直观，为简化电路，采用发光二极管发出的光信号报警的方式设计电路。
当低位计数器的借位输出端TCD输出借位脉冲，即74LS192计数器的个位递减为“0”时，高位计数器才开始进行减法计数，当高位也减为“0”时，按照74LS192芯片的功能可知该芯片的借位输出端TCD为低电平有效，故高位计数器的TCD端输出低电平。
如图2.7所示，发光二极管的负极接低电平，此时发光二极管亮，即可实现计数器倒计数到“00”时，发光二极管亮，发出光电报警信号。
图2.7报警电路
第三章电路调试与改良
由于实际利用的芯片可能类型不同，各芯片之间的衔接存在一些问题，这对电路的最终功能的实现有着重要的影响，所以对电路的调试十分重要。
本课题是设计一个计时器，故时基电路即脉冲信号发生电路在本设计中相当重要，而其他各部份电路的辅助控制电路决定着系统最终各项功能的实现，这些都是调试的重点。
3.1秒脉冲发生电路的调试
通过555按时器、RC阻容件组成的多谐振荡器，C2为10µF的电解电容，R1为15kΩ，R2为68kΩ，振荡器输出脉冲信号的周期约为1秒。
把555产生的信号接到示波器，应用示波器的菜单功能查看该信号的周期，调节电位器使得输出的信号的频率为1Hz。
观察波形，发现过冲现象较为严重，干扰较多。
检查电路无误，经查阅资料，发现555按时器5脚悬空容易受到干扰。
于是将555按时器5脚和GND之间接上一个100nF的电容。
再次观察波形，过冲现象消除，波形稳定。
图3.1秒脉冲信号波形图
3.2译码显示电路的调试
电路焊接完毕检测后，发现数码管显示灯太亮，判定是因为流入数码管的电流过大的原因。
查阅资料得知，数码管的限流电阻可以在100Ω—10kΩ之内，为避免电流太大而烧坏数码管，也不致使数码管显示过于暗淡，最终决定在每一个译码器输出端与数码管的输入端之间接入200Ω的限流电阻。
经检测，接入200Ω的限流电阻后，数码管的亮度有明显减弱，亮度适中。
3.3控制电路的改良
在置数功能电路设计中，原先选用的单刀双掷开关，置数时，单刀双掷开关接低电平实现置数功能，要开始计数还得把开关拨回接高电平状态，这样利用不方便，改良电路中利用了一个B键代替单刀双掷开关。
当按下B键，74LS192的
端接低电平置数，松开手则回到高电平状态，计数器开始计数。
电路改良后，置数后计数只需一个动作即可完成，方便利用者从头置数。
焊接好的电路暂停/继续功能存在较大问题，暂停计时的状态与继续计时的状态不持续会产生跳变。
当暂停/继续开关接地时，计数器暂停，但当开关从头接回高电位时，计时器不从原先暂停的时间继续，如在“24”秒时暂停，计时器可能从“20”秒继续计时。
经分析，产生该问题的原因可能是因为拨动开关时的抖动给电路带来影响，使信号发生了多次翻转致使计时不持续。
为了消除开关处的抖动，提出了两个方案。
方案一是在单刀双掷的中端与它的连接端接入一个斯密特触发器，经检测该方案效果不明显。
方案二是在单刀双掷开关的两极各并联了一个10nF的电容，经检测，改良后的电路有了明显的改善，继续计时后不持续计时的情况的概率降低了。
最终采用了方案二对按键进行消抖。
第四章总结
本设计主要通过模块化思想，慢慢设计所需达到的功能电路。
按如实验结果，本设计方案完成了设计的大体要求，总的来讲该方案是十分可行的，电路结构简单，层次清楚，结果符合要求。
同时在电路设计中还存在着许多不足的地方。
由于产生的脉冲信号不易维持和产生的秒脉冲信号不够稳定和精准的原因还存在着计数时间不够精准的缺点，经分析，该问题的解决方式可以通过用分频电路来代替555信号发生器来产生稳定的秒脉冲计时信号，从而进一步改善电路计时的准确性。
暂停/继续功能的不持续问题，还可以直接用开关控制秒脉冲信号的通断。
通过本次课程设计，加深了我对模电和数电理论知识的理解，对计数器和译码器的工作原理取得了更深刻的熟悉。
纵观整个设计进程，从ProteusISIS软件的学习，到课题方案的设计，再到实验电路的仿真，最后到实际电路的调试，无处不表现出团队精神的重要性。
尤其在电路的焊接进程，组员之间的沟通、配合及分工的合理性起着重要作用。
只有这样，才能将事情做到精益求精，做任何事当如此。
另外,还要感激指导老师的提点及同窗的帮忙，让实验得以顺利的完成。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2006.5
[2]赵珂，彭嵩.电子技术实践（三）.南昌航空工业学院电子信息工程学院电子实验实践中心，2007.3
[3]潘益玲.基于Proteus的篮球竞赛30秒计时器的设计与仿真.河源职业技术学院电子与信息工程系，2008.4
[4]谢自美.电子线路设计.武汉：
华中理工大学出版社，2003
附录一元件清单
名称
数量
发光二极管
1个
共阴极数码管
2个
开关
B键
1个
单刀双掷开关
2个
电容
100nF
1个
10µF
1个
电阻
10kΩ
4个
68kΩ
1个
5.1kΩ
1个
200Ω
16个
芯片
74LS192
2片
74LS48
2片
74LS04
1片
74LS10
1片
NE555
1片
附录二总电路图
附录三电路实物图
附录四电路PCB图
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