篮球24秒倒计时设计.docx
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篮球24秒倒计时设计
课题一、篮球竞赛24秒计时器设计
一、设计要求
二、总体参考方案
三、单元电路设计
１.秒脉冲发生器
２.计数器
３.译码显示模块
４.报警电路
５.控制电路
四、附图说明各部分功能的实现
１.开始状态
２.启动、置数。
３.保持
４.到00时显示器不灭
５.报警
五、整体电路图
六、实验室调试
1.元件清单
2.调试过程
3.调试结果（照片）
4.调试心得体会
七、参考文献
设计要求：
1.具有24秒计时功能。
2.设置外部操作开关，控制计时器启动和暂停/连续功能。
3.计时器为24秒递减时,计时间隔为1秒。
4.计时器递减到零时，数码显示器显示00,同时发光二极管亮灯。
主要参考元件：
555、74LS192×2、CD4511×2、数码管×2、各类74系列门电路、电阻、电容、开关、发光二极管、NPN三极管、PNP三极管等。
图1系统结构图图2PNP三极管驱动电
前言
电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。
在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会的应用是相当普遍的。
在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就违例了。
本课程设计“智能篮球比赛倒计时器的设计”，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，它自动的报警从而判定此球员的违例。
本设计主要能完成：
显示24秒倒计时功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为24秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。
整个电路的设计借助于Multisim仿真软件以及数字电路相关理论知识，并在Multisim下设计和进行仿真，得到了预期的结果。
1、总体设计思路、基本原理和框图
1.1设计思路
本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒计时器。
此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。
此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。
本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的实用价值。
篮球竞赛记时系统的主要功能包括：
进攻方24秒倒计时和计时结束警报提示。
攻方24秒倒计时，当比赛准备开始时，屏幕上显示24秒字样，当比赛开始后，倒计时从24逐秒倒数到00。
这一模块主要是利用双向计数器74LS192来实现；警报提示：
当计数器计时到零时，给出提示音。
这部分电路主要通过移位寄存器和一些门电路来实现。
此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。
在设计此计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。
此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示、报警为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。
1.2基本原理
24秒计时器的总体参考方案框图如图1所示。
它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路（简称控制电路）等五个模块组成。
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、定时时间到报警等功能。
秒脉冲发生器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，但本设计对此信号要求并不太高，故电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡器构成。
译码显示电路由CD4511和共阴极七段LED显示器组成。
报警电路在实验中可用发光二极管代替。
主体电路：
24秒倒计时。
24秒计数芯片的置数端清零端共用一个开关，比赛开始后，24秒的置数端无效，24秒的倒数计时器的倒数计时器开始进行倒计时，逐秒倒计到零。
选取“00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号，让该信号与时钟脉冲在与门中将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。
总体电路说明：
倒计时功能主要是利用192计数芯片来实现，同时利用反馈和置数实现进制的转换，以适合分和秒的不同需要。
由于该系统特殊的需要，到计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并使报警电路的LED灯亮。
2、单元电路设计（各单元电路图）
2、1各芯片的用法和功能
2.1.1CD4511显示译码器
CD4511引脚图及功能CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
真值表如图：
2.1.2555定时器
555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R1.R2向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器C1输出翻转，输出电压为零，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过R1。
R2又开始充电；周而复始，形成振荡。
则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响。
输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：
、
、
当
时，把
代入三要素方程。
于是可解出:
、
当
时，
代入公式,于是可解出：
振荡周期
T
于是为了产生周期为1秒的脉冲，可以求出：
、
、
用555定时器来产生多谐振荡电路如图所示：
2.1.374LS192
74LS192是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。
当需要进行多级扩展连接时，只要将前级的端接到下一级的CP+端，端接到下一级的CP-端即可。
74LS192功能表：
操作
×
×
×
1
清零
×
×
0
0
置数
↑
1
1
0
加计数
1
↑
1
0
减计数
1
1
1
0
保持
2.2单元模块
2.2.1信号发生部分
秒脉冲的产生由555定时器所组成的多谐振荡电路完成。
电路图如下图所示。
当开关断开时，555定时器产生周期为1s的脉冲；当开关闭合时，电路不能输出信号，于是没有脉冲输入74LS192中，故74LS192在保持状态，即实现暂停功能。
图2信号发生电路
2.2.2倒计时部分
24秒倒计时电路。
这部分电路的主体部分在时钟脉冲的输入情况下工作，下面进行具体分析。
计数器的倒计时功能。
用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。
因为预置的数是“00”，所以我选信号输入端控制。
时钟脉冲与输出信号的或然后通过一个非门才再输进个位（低位）的down端，当停止控制电路送来停止信号时，截断时钟脉冲，从而实现电路的停止功能。
低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。
两片计数器具体接法。
Vcc、UP接+5V电源，GND接地；时钟脉冲从与门输出后接到低位的down，然后从低位BO’接到高位的down；输入端低位C、高位B接电源，其他引脚和CLR都接地。
LOAD接到开关C的活动端，C的另外两引脚分别接G的活动端和地。
而G的另外两个引脚分别接到电源和地。
图324秒倒计时电路
2.2.3停止控制电路
倒数计数器到零时，需要将电路转换到“00”并且停住。
现在选取计数器到零的状态24秒计到“00”，从各引脚引出线接到二脚或门。
再通过或门所组成的触发器的输出端输出低电平，使74LS192处于保持状态。
这样就实现了转换并停止的电路。
当输出端不全为零时通过或门输出为高电平。
当到00时输出低电平，再通过一个非门与脉冲通过或门这样，这样一直输入高电平，保持00不变。
图4停止控制电路
2.2.4警报提示装置
警报提示就是完成任一计时器计时结束时，系统给出一个提示信号。
当电路计到“00”时，下面一个与非门输出低电平，而LED1的正极已经接了高电平，故这时由于两端存在电压差，所以LED1均能正常工作。
从而发出报警信号。
图5警报提示电路
3.总设计（总电路图）
图6电路总原理图
由555定时器输出秒脉冲经过R30输入到计数器IC4的CD端，作为减计数脉冲。
当计数器计数计到0时，IC4的（13）脚输出借位脉冲使十位计数器IC3开始计数。
当计数器计数到“00”时并且保持该状态。
同时LED发光二极管亮，即声光报警。
按下空格时，Rs触发器翻转11脚输出高电平，计数器开始计数。
若需要暂停时，按下A，振荡器停止振荡，使计数器保持不变，断开B后，计数器继续计数。
（1）空格：
手动复位按钮。
当按下空格时，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”。
当松开空格时，计数器从24开始计数。
（2）A：
暂停按钮。
当“暂停/连续”开关处于“暂停”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，计数器继续累计计数。
（3）Q1：
启动按钮。
Q1处于断开位置时，当计数器递减计数到零时，控制电路发出光报警信号，计数器保持"00"状态不变，处于等待状态。
4、安装、调试步骤
4.1、按照万能板的规格，设定好各集成芯片的排放位置、测试各芯片是否与面板接触良好。
4.2、用异步可逆双时钟BCD计数器74LS192及相关门实现定时倒计时电路。
4.3、当检测出问题后分析其原因，是元器件本身原因还是接线错误，更换元件或重新正确接线，保证电路的正确运行。
4.4、整体综合连接，测试整体性能。
5、故障分析与电路改进
5.1故障分析和解决
在实际连线过程中，出现故障几乎是不可避免的。
其中接线错误就是第一个一个难以避免的困难。
另外一个让人头疼的原因是实验板与芯片接触不良，导致形成软型故障，难以准确找出故障点。
最后，我个人认为还有一个细节也不能忽视，就是实物图和电脑仿真上的芯片接法并不完全一样，电脑仿真上的芯片许多管脚已经默认接地或接电源了，这些我们在实物图上就必须实际地接上，否则就会得到错误的结果。
在查找故障时，首先要有耐心和细心。
同时要开动脑筋，进行认真的分析和判断。
在不通电的情况下，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，管脚有无损坏，连线有无接错（包括漏错线、短路和）通电后，通过类比法，高低电平比较法等方法逐一找出故障点。
5.2电路改进
尽管用本电路图所焊接出来的电路板能实现功能，而且电路也很稳定。
这也是对本电路的肯定。
实际的电路改进：
可以先在两个74LS192的输出端接上接二个四输入端与非门。
并且接到触发器的输入端，这样能实现当数码管显示到“00”时，LED发光且鸣蜂器发出声音，实现报警功能。
但是，这样的代价就是使电路更加的复杂，所带来的工作量也随之增大。
6、总结
在此次课程设计中，我们将课本理论知识与实际应用联系起来。
按照书本上的知识和老师讲授的方法，首先和同学一起分析研究此次电路设计任务和要求，然后按照分析的结果进行实际连接操作，检测和校正，再进一步完善电路。
在其中遇到一些不解和疑惑的地方，还有出现的一些未知问题，我们都认真分析讨论，然后对讨论出的结果进行实际检测校正，对一些疑难问题我们也认真向老师询问请教，和老师一起探讨解决。
通过此次电路设计，我们加深了对课本知识的认识理解，对电路设计方法和实际电路连接也有了一定的初步认识。
7、心得体会
1．在本次课程设计中，我对74LS192、NE555、CD4511等芯片加深了了解，和巩固了对它们的使用，对于数字、模拟电路的综合运用有了更深一步理解，为以后的电路分析和设计奠定了一定的基础。
2.．提高实践动手能力。
大学中许多的时间都是在学习理论知识，很少参与时间中去，课程设计给我们提供了一个宝贵的机会，理论用语实践，从设计，仿真，安装调试，没一步的进行，都会带来受益非浅的实际操作训练，许多的实践经验是我们在课本上学不到的，必须经过这样严格的自己动手，才会从中体会出设计成果的喜悦。
理论知识总是要用于实践中才得以升华，我们应该更多的参与实践，以增强我们对电子专业的兴趣。
同时，从开发设计一些小规模产品去体会学习开发设计电子产品的设计思路，为以后的工作打下基础。
3.另外，我对焊接技术有了新的见解，我的焊接技术有了新的提高。
4课程设计促进了我系人才培养计划的完善和课程设置的调整。
近年来，我系为适应学生的实践需要陆续增设与调整了一系列课程，受到同学的欢迎，其中这次的设计很受同学们的喜欢。
课程设计达到了专业学习的预期目的。
在两个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对电路板制作流程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。
总之这次课程设计学会了，如何与同学交流和与同学的心得东西的互换。
8、元件清单
NE555芯片1个
电容10uF1个
开关3个
CD4511芯片2个
74LS192芯片2个
固定电阻1k14个
可调电阻62K1个
固定电阻20K1个
发光二极管1个
电容0.1uF1个
LED数码显示管2个
万能板一块、芯片底座五个及一段导线
9、附图
课程设计所焊接的电路板在测试过程中的现象：
该图为刚刚开始倒计时该图为倒计时到10s
该图为倒计时到00
10、参考文献
《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编 华中理工出版社
《数字电子技术基础》阎石主编高等教育出版社
《电子技术基础实验》陈大钦主编高等教育出版社
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