课程设计-简易篮球比赛计时器.doc

简易篮球比赛计时器郑州轻工业学院电子技术课程设计 题 目 简易篮球计时器 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 完成时间 2012年06月22日 郑州轻工业学院课程设计（论文）任务书题目 简易篮球比赛计时器 专业 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1阅读相关科技文献。2学习protel软件的使用。3学会整理和总结设计文档报告。4学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求1. 篮球比赛采取四节制，每节12分钟，要求能够计时。2. 篮球比赛采取进攻24秒制，要求能够倒数计时。3. 要求时间用数码管表示出来。4. 要求可以手动控制计时，即能够随时暂停，启动后可以继续计数，并且能够对计数进行清零。5. 要求每节结束、全场结束和24秒结束时能够自动进行声音提示。主要参考资料1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5康华光，电子技术基础，高教出版社，2003完 成 期 限： 2012年06月22日 指导教师签章： 专业负责人签章： 2012 年 06月 11日目 录摘要- 1 -1、计数器概述- 2 -1.1篮球竞赛24秒计时器功能- 2 -1.2设计任务及要求- 2 -1.2.2设计任务及目标- 3 -2、总体设计思路、基本原理- 3 -2.1、设计思路- 3 -2.2、基本原理- 3 -2.3、总体设计框图- 4 -3、单元电路设计- 5 -3.1、秒脉冲发生器的设计- 5 -3.2、秒、分倒计时计数器的设计- 8 -3.2.1、24秒倒计时电路- 8 -3.2.2、12分钟倒计时电路设计- 9 -3.2.3、译码器和显示器的设计- 11 -4、总设计- 12 -5、安装、调试步骤- 13 -6、故障分析与电路改进- 14 -6.1 故障分析和解决- 15 -6.2 电路改进- 15 -7、总结- 15 -8、参考文献- 16 -9、附录- 17 -致谢- 21 -简易篮球比赛计时器摘要本设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒和12分钟倒计时器。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应用价值。本电路主要有五个模块构成：秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路。控制电路直接控制计数器启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。当控制电路的置数开关闭合时，在数码管上显示数字24，每当一个秒脉信号输入到计数器时，数码管上的数字就会自动减1，当计时器递减到零时，报警电路发出光电报警与蜂鸣信号。关键词：计数器 24秒倒计 译码显示电路 控制电路 报警电路1 计数器概述1.1 篮球竞赛24秒计时器功能数字电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，在生活中有着各种各样的应用。因此课程设计是数字电子技术学习中非常重要的一个环节，它将学生的理论知识和实践能力统一起来，为以后的工作做好准备。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。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，有显示24秒倒计时的功能，同时系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动、暂停、连续功能。而在直接清零时，数码管显示器灭灯，计时器为24秒递减计时其计时间间隔为1秒，计时器递减计时到零时，数码管显示器不灭灯，同时发出光电报警信号。1.2 设计任务及要求1.2.1 基本要求（1）显示24秒计时功能。（2）设置外部操作开关控制计时器直接清零、启动、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24秒递减计时器，其计时间隔为1秒。（5）递减计时到零时，显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。（6）秒脉冲由555多谐振荡器给出。1.2.2 设计任务及目标（1）根据原理图分析各单元电路的功能；（2）熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能；（3）进行电路的装接、调试、直到电路能达到规定的设计要求；（4）写出完整、详细的课程设计报告。2 总体设计思路、基本原理2.1 设计思路篮球比赛计时器的主要功能包括： 12分钟倒计时、进攻方24秒倒计时计时暂停，重新开启和结束警报提示。该计时系统由以下四个电路模块组成：1秒时基产生器：这部分利用32.768khz需要通过分频器，最终产生1赫兹的电信号，驱动整个电路的运作。这一模块主要是利用cd4060和cd4027的锁存和分频功能来实现。12分钟倒计时：这部分电路完成12分钟倒计时的功能，比赛准备开始时，屏幕上显示12：00字样。当比赛开始时，倒计时从12：00开始逐秒递减到00：00。这一模块主要利用双向计数器74ls192的减计数功能来实现。攻方24秒倒计时：这部分电路与12分钟倒计时功能类似，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。这一模块主要也是利用双向计数器74ls192来实现。节数记次：四个led分别表示四场节次，根据比赛场次的转换，用适当的方法使这四个led依次自动指示四场节次。警报提示：当两个计数器中任一个计时到零时，bo端出现低电平。通过和二极管作用，发光二极管亮，起到报警作用。2.2 基本原理主体电路：即倒计时部分。包括12分钟和24秒倒计时。12分钟倒计时的基本原理：比赛处于准备开始阶段，闭合开关s1使倒计时计数器相应的置数或清零端有效，显示设定的时间12：00，当主裁判抛起球，比赛开始，断开s1，倒数计时器开始工作（相应的置数、清零端无效），计时器逐秒进行倒计显示。当有球员犯规，裁判吹哨，整个计时系统的倒计时暂停，这个功能通过闭合暂停开关s4截断时钟脉冲的传输来实现。当倒数计时器计数到零时，选取“00：00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号,让其与时钟脉冲在与非门中将时钟脉冲截断，从而计时器在计数到零时停住。24秒计数芯片的置数端由开关s3控制，闭合s3置数，断开s3启动。警报提示：当12分倒计时和24秒倒计时任意一个到零时，蜂鸣器鸣响报警。2.3 总体设计框图报警电路秒脉冲发生器计数器计数器译码驱动译码驱动12分钟显示24秒显示控制电路 图1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，到各计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并用led发出警报。而节次计数是通过12分钟的重置来实现的。3 单元电路设计3.1 秒脉冲发生器的设计 由集成电路定时器555与rc组成的多谐振荡器作为时间标准信号。 图2脉冲发生器参数计算：1.脉冲产生电路：a.用555组成的脉冲产生电路: r1=15*103 r2=68*103 c=10f则555所产生的脉冲的为:f=1.43/(r1+2*r2)*103*10*106=0.947hz,而设计要求为1hz,因此其误差为5.3%,在精度要求不是很高的时候可以使用.b.石英晶体振荡电路: 采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1hz的脉冲输出.r的阻值,对于ttl门电路通常在0.72k之间;对于cmos门则常在10100m之间。器件特性555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。集成555定时器有双极性型和cmos型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，cmos型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4512v，最大输出电流200ma以内，并能与ttl、cmos逻辑电平相兼容。引脚功能：vi1（th）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为th。vi2（）：低电平触发端，简称低触发端，标志为。vco：控制电压端。vo：输出端。dis：放电端。：复位端。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻r组成的分压网络，产生vcc和vcc两个基准电压；两个电压比较器c1、c2；一个由与非门g1、g2组成的基本rs触发器（低电平触发）；放电三极管t和输出反相缓冲器g3。是复位端，低电平有效。复位后, 基本rs触发器的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。分析图2.2.3.1的电路：在555定时器的vcc端和地之间加上电压，并让vco悬空，则比较器c1的同相输入端接参考电压vcc，比较器c2反相输入端接参考电压vcc ，为了学习方便，我们规定：当th端的电压vcc时，写为vth=1，当th端的电压vcc时，写为vtr=1，当端的电压vcc时，写为vtr=0。低触发：当输入电压vi2vcc 且vi1vcc 且vi1vcc，则vth=1，比较器c1输出为低电平，无论c2输出何种电平，基本rs触发器因=0，使1，经输出反相缓冲器后，vo0；t导通。这时称555定时器“高触发”。vco为控制电压端，在vco端加入电压，可改变两比较器c1、c2的参考电压。正常工作时，要在vco和地之间接001f（电容量标记为103）电容。放电管tl的输出端dis为集电极开路输出。根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。在此次设计中，采用多谐振荡器来设计。 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： 、 （1-1）当时， 把代入三要素方程。于是可解出: （1-2) 、 、 (1-3)当时，代入公式,于是可解出：振荡周期 t (1-4)于是为了产生周期为1秒的脉冲，可以使、3.2 秒、分倒计时计数器的设计3.2.1 24秒倒计时电路计数器的倒计时功能。用两片54ls192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，所以可以直接运用十进制的54ls192进行减计数。因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端ld来进行预置数。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。24秒倒计时电路如图： 图3、24秒倒计时电路3.2.2 12分钟倒计时电路设计12分钟倒计时秒部分。运用两片可逆计数器54ls192来构成60进制的减计数器。这个计数器的低位即个位，不需要搭接任何反馈电路而直接运用54ls192芯片的减计数功能：时钟脉冲接到down端，置数、清零端无效，即可以实现十进制的倒计时计数功能。这个计数器的低位即个位，不需要搭接任何反馈电路而直接运用74ls192芯片的减计数功能：时钟脉冲接到down端，置数、清零端无效，即可以实现十进制的倒计时计数功能。而最低位的计数变化应当与时钟脉冲的变化同步。所以，原则上应当将时钟脉冲直接引到这片192计数器的减计数时钟脉冲输入端down。该计数器的高位即十位，与低位的计数进制不相同。由于时间的分和秒都是60进制，所以这里的计数芯片54ls192必须要接成六进制的计数器。这里，我选用反馈置数的方法来实现这个功能。 反馈方案一：考虑到74ls192芯片的置数端load是异步置数，并且是低电平有效的，所以我根据74ls192芯片减计数的特点并综合以上两点特性，就将74ls192芯片的输出端输出9时，即仅qd和qa输出为高电平（二进制数1001）。从这两个引脚引出高电平信号，并通过与非门作用后形成低电平反馈信号，送入74ls192芯片的置数端load使之实现置数动作。 反馈方案二：直接从qd引出高电平信号，通过非门作用后形成低电平反馈信号，送入74ls192芯片的置数端load使之实现置数动作。（由于方案二和方案一相比，功能相同，连线更为简单和方便，本设计采用方案二。）置数时，输出的数是与输入的数是一样的，所以我设置的数是5（二进制0101），这样，当计数器从0变到9时，由于进行了异步置数，9就在瞬间变成了5，计数输出的结果就变为0543210，实现了六进制的功能。 12分钟倒计时分部分。也是运用两片可逆计数器54ls192来构成减计数器。在两片计数器的连接上，与秒部分一样。也是把低位的借位信号作为高位的时钟脉冲进行连接。而低位计数器的时钟脉冲则是用秒部分高位计数器的借位输出信号来充当的。运用以上两个计数器组合，就在低位计数器从0变到9或从0变到5的瞬间，在它的借位输出端出现一个借位信号，从而使高位的计数器倒倒计一个数。实现倒计时功能。12分钟倒计时电路如下：图4、12分钟倒计时电路警报提示就是完成任一计时器计时结束时，系统给出连续的提示音。当电路由“00” 到“24”时，下面一个与非门输出低电平，而鸣蜂器的和led1的正极已经接了高电平，故这时由于两端存在电压差，所以鸣蜂器和led1均能正常工作。从而发出报警信号。附图：图5、报警电路3.2.3 译码器和显示器的设计译码电路的功能是将“秒”、“分”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。本次驱动led七段数码管的译码器，我选用了mc14558，与led七段共阴极显示数码管相互连接。4 总设计整体电路图：图5、总电路图开关s1为12分倒计时的置数，启动开关。开关s2为24秒倒计时的清零开关。开关s3为24秒倒计时的置数启动开关。开关s4为系统的暂停启动开关。5 安装、调试步骤5.1、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。5.2、用异步可逆双时钟bcd计数器74ls47及相关门实现定时倒计时电路。5.3、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。5.4、整体综合连接，测试整体性能。6 故障分析与电路改进6.1 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。6.2 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。但从使用的过程中，其实还是有值得改进的地方。比如当数码管显示到“00”时，能亮灯，那应该是更完美的。但是本电路只有在从“00”转到“24”是才能亮灯及报警，也就是说报警器慢了1秒钟报警。实际的电路改进：可以先在两个74ls47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。7 总结 此次电子线路课程设计让我获益匪浅，使我尝到了将所学的知识用于实践的喜悦和成就感。此课程设计所设计制作的篮球竞赛24秒计时器是一个实用性设计。此次设计的成不仅为所学的专业课程打下了坚实的基础，提高了我们对分析与解决问题的能力，也在研究与电子爱好追求上做了一个很好的起步。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。在这个设计中，我学到了学习理论时学不到的东西，不但锻炼我的动手能力而且巩固我们所学的理论知识，这样实践与理论相结合就可以更快而有效地掌握知识。本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次的电子时钟设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争，同时在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识，在和同学协作过程中增进同学间的友谊，使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。 最后，感谢老师对我的细心的指导，正是由于老师的细心的辅导和他提供给我们的参考资料，使得我的课程设计能够顺利的完成，同时在课程设计过程中，我们巩固和学习了我们的电子技术知识。相信这对我以后的课程设计和毕业设计将会有很大的帮助！8 参考文献 【1】 康华光、邹寿彬，电子技术基础数字部分（第四版），高等教育出版社，2000年6月【2】 徐国华，模拟及数字电子技术实验教程，北京航空航天大学出版社，2004年8月【3】 王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月【4】 姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月【5】 徐国华、孙东、王新金，电子综合