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孔维维 比赛专用计时器设计本科毕业论文题 目 比赛专用计时器设计 学 院 工学院 专 业 农业电气化与自动化 毕业届别 2016 姓 名 孔维维 指导教师 杨梅 职 称 讲师 甘肃农业大学教务处制二一六年六月21目录摘要2关键词2Abstract.3Key words3一 绪论41.1课题选择概论41.2课题设计的背景和意义4二 总体设计思路、基本原理和框图52.1设计思路52.2基本原理62.3总体设计框图6三主要硬件简介73.174LS19273.2 cd45118四 单元电路设计94.1秒脉冲发生器的设计94.2 24秒倒计时电路114.3 12分钟倒计时电路设计114.4 译码器和显示器的设计134.5 节次控制电路的设计13五 protues仿真与结果分析145.1 24秒倒计时仿真调试145.2 12分倒计时仿真调试155.3 节次电路仿真调试165.4 结果分析16六 总结17参考文献18致谢19附录一元件清单20附录二总设计图21比赛专用计时器设计孔维维（甘肃农业大学工学院农电专业，甘肃兰州，730070）摘要：本设计为篮球比赛专用计时器，该设计是脉冲数字电路的简单应用。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：74ls192 24秒倒计时 译码显示电路 控制电路 报警电路Special timer design.KONGWei-wei（Major in agricultural electrification and automation in the College of engineering institute of Gansu Agriculture University，Gansu Lanzhou，730070）Abstract: The design for the basketball game timer, the design is a simple application of the pulse digital circuit. This timer functionuous, asn is complete, can be directly cleared, start, pause and conti well as with the alarm function, while the use of seven digital tube to display time. This timer has a start, pause and continuous function, can easily achieve the breakpoint timer function, when the timer is reduced to zero, the alarm signal will be issued. The completion of the design of the timing function, to achieve a number of specific occasions to track the function of time,in social life also has a wide range of application value.The circuit consists of five modules: a second pulse generator, a counter,a decoding display circuit, a control circuit and an alarm circuit. Control circuit directly control counter start count, pause / continuous counting, decoding display circuit display and other functions. When the of reset control circuit when the switch is closed, in the digital tube display number 24. Whenever a seconds pulse signal input to the counter, digital tube digital will automatically reduce the 1, decreasing to zero when the timer, an alarm circuit, a photoelectric alarm signal and the buzz.Key words: 74LS192 24 seconds countdown decoding display circuit control circuit alarm circuit一 绪论1.1课题选择概论随着科技发展，篮球计时器不仅应用于NBA，CBA这样专业的篮球赛场上，也广泛应用于民用的普通赛场上，方便于每场比赛的公平公正。本设计是对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。利用软件和硬件的结合实现开机自动置节计数器为第一节，节计时器为12分00秒，24秒违例为24秒。用数字显示篮球比赛当时节数每节时间及24秒的倒计时，采用单片机串行显示。在当今社会随着物质生活的提高，人们对精神文化的需求也越来越高。篮球竞技就是其中非常重要的一个方面，而计时记分系统在竞赛中更是重中之重。1.2课题设计的背景和意义篮球比赛在中国越来越被人们关注同时也被更多的青少年所喜爱，本设计除 了具有赛程时间计时、调整及暂停和比赛计分的功能，还具有24s倒计时的功能并且价格低廉操作方便且便于携带适合于学校和小团体作为赛程计时计分工具。从另一方面说，本设计方便了人们比赛时的积分及时工作，在某种程度上夜促进了篮球赛的开展，既有利于发展篮球这项体育运动，又有利于增强人们的体质另外参与篮球运动的人多，也有利于篮球运动员的选拔，对我国的篮球事业也具有促进作用.，此外该计时器经过少许修改即去掉24s计时功能后同样也适用于其他球类比赛的时间。二 总体设计思路、基本原理和框图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，扳动启动开关G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，扳动G，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，这个功能通过暂停开关S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和12分的置数、清零端共用一个开关，比赛开始后，24秒的置数端也无效，24秒的倒数计时器与12分的倒数计时器同时开始进行倒计时，逐秒倒计到零。同样也是选取“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非门中将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。节次电路：用四个D触发器和适当的组合逻辑电路搭成四位的移位寄存器，四个LED分别接在这四个D触发器的输出Q上，当12分钟重置时，电路自动移位指示节次。警报提示：为了给出警报提示，可在计数器的输出端用一个普通二极管和LED二极管。当计数为0时，QO输出为0，LED灯亮起。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。三主要硬件简介3.174LS19274ls192为同步可逆递增/递减BCD 计数器。对电路可进行反馈，而很容易的被级联。即把借位输出端和进位输出端分别反馈到后级计数器的减计数输入端和加计数输入端上即可。其特点为：芯片内部有级联电路 同步操作 每触发器有单独的预置端 完全独立的清零输入端引脚图及功能表：CPUCount Up Clock Pulse Input 计数芯片时钟脉冲输入CPDCount Down Clock Pulse Input 倒计时时钟脉冲输入MRAsynchronous Master Reset (Clear) Input 异步主复位（清除）输入PLAsynchronous Parallel Load (Active LOW) Input 异步并行负载（低电平）输入PnParallel Data Inputs 并行数据输入838电子QnFlip-Flop Outputs (Note b) 触发器输出TCDTerminal Count Down (Borrow) Output (Note b) 终端倒计时（借）输出TCUTerminal Count Up (Carry) Output (Note b) 终端数最多输出74ls192的引脚排列（a）和逻辑符号（b）3.2 cd4511CD4511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。其引脚图如所示。各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。CD4511引脚图四 单元电路设计4.1秒脉冲发生器的设计方案一： 信号发生器是数字钟的核心。它的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，可选用晶振的频率为32768Hz的脉冲经过整形、分步获得1Hz的秒脉冲。如下图所示.输出端正好可得到1Hz的标准脉冲。方案二：由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。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。 由于本次设计要求用32768赫兹的晶振产生秒脉冲，所以采用方案一。4.2. 24秒倒计时电路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，所以可以直接运用十进制的74LS192进行减计数。因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端LOAD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：4.3 12分钟倒计时电路设计1. 12分钟倒计时秒部分。运用两片可逆计数器74LS192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74LS192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。2. 12分钟倒计时分部分。也是运用两片可逆计数器74LS192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电平的上升脉冲沿，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：4.4 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，我们选用了CC4511.相应的，与LED七段共阴极显示数码管相互连接。4.5 节次控制电路的设计节次控制电路图： 将这四个D触发器依次命名为D1、D2、D3、D4。四个D触发器级连，前一个输出送入下一个输入，用一个共同的时钟脉冲，形成同步动作。为了保证每次输出只有一位是高电平，用个或门把Q2、Q3进行或运算后，送入或非门与Q1进行运算后送回D1。当电源刚接通、开关G没有接地，整个计时系统没有进行工作，Q1-Q4为低电平（0000状态），D=1，四个LED都不亮。合上G，接高电平，这样，当G接通时就有了一个电平的上升沿跳变，Q1=D1=1；1000状态，LED1亮，指示第一节比赛。电路进入循环状态，倒计时电路重置一次，该电路状态转换一次，实现节次自动指示。五 protues仿真与结果分析5.1 24秒倒计时仿真调试24秒倒计时调试电路5.2 12分倒计时仿真调试12分倒计时调试电路5.3 节次电路仿真调试节次计数仿真调试电路5.4 结果分析时钟模块为减计数提供一个频率为1Hz的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为1秒钟；计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；控制模块主要是为了实现计时器的启动、直接清零和暂停/连续功能，其中在直接清零时，由外控制开关控制译码器消隐端，从而可以实现显示译码器灭灯；通过暂停/连续开关从而实现断点计时功能。至此，本设计能完成基本要求。六 总结电子元器件是构成电子电路的基础，进行电子课程技术设计，我们只有深入了解元器件的功能、性能参数、使用条件和引脚分布等，才能确定设计方案，正确选用元器件和对电路进行安装调试等。这次设计中我们了解元器件的方法主要是通过查阅课本，因为课本上关于最基本器件的原理与性能介绍浅显易懂，我们很容易掌握，然后加以运用。而通过上网的方式查阅资料，我们也发现了电子器件品种繁多，新品种不断涌现，性能不断提高，相应的器件资料也在不断更新。在参与实际设计的过程中，我们才知道了解器件的外特性和正常工作的条件是正确使用器件的基础而了解其内部电路的工作原理前者才可以灵活地应用这个器件，充分发挥其功能，设计出性能优良的电路所必须的。 几周的努力让我们取得了预期的成果却也在实践的过程中遇到了或大或小的难题。电路仿真部分需要将所有的功能电路连接，合为整体，完成完整的计时功能，这是需要认真与细心的工作，我们所做的就是耐心完成。 总而言之，这次课程设计，加深了我们对理论知识的理解，而将理论很好地应用到实际当中去满足了我们最大的成就感，在对软件仿真、硬件调试期间自己也遇到了一些困难，开始的时候protues总是无法联调，从而不能显示出仿真的效果。接下来，做好的硬件也无法显示出正确的效果。但最后自己还是坚持了下来，并没有因为时间紧迫而自暴自弃，而是积极总结其中的存在的一些问题，并及时的向老师请教，与同学们一同探讨。在他们的帮助下，我克服了许多困难，并最终成功的完成了仿真与调试的任务。通过这次设计，学会了坚持和努力，这将为以后的工作做出了最好的榜样。当然，在此次设计中我也发现自己的许多不足之处。主要原因还是自己对以前课堂学过的东西掌握的不牢固，而