基于Multisim的篮球竞赛中秒倒计时电路的设计.doc

聊城大学本科毕业论文（设计）目录前言11.总体概况11.1任务及要求11.1.1设计任务11.1.2设计要求11.2基本元器件介绍1 1.2.1 555定时器及多谐振荡器1 1.2.2 74LS192计数器4 1.2.3 74LS161计数器42.电路设计原理及单元模块设计52.1总体设计思路、基本原理和框图5 2.1.1设计思路5 2.1.2 基本原理6 2.1.3 总体设计框图72.2单元模块设计7 2.2.1 秒信号发生模块设计7 2.2.2 10分钟倒计时模块设计9 2.2.3 24秒倒计时模块设计11 2.2.4 节次控制模块设计133 总体设计图13结论15参考文献17致谢18基于Multisim的篮球竞赛中秒倒计时电路的设计前言随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始注重身体素质的提高。譬如举办篮球比赛需要有一个专门计时的工具。因此有必要设计适合篮球比赛计时器。现代篮球运动规则为，一方进攻时间为24秒，超过24秒将被判违例。课题设计的“基于Multisim的篮球竞赛中24秒倒计时电路”，会在24秒结束时自动报警。整个电路功能包括，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。还整合了节次显示电路。电路设计借助于Multisim 10仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在Multisim 10下设计和进行仿真，达到预期的结果。1.总体概况1.1任务及要求1.1.1设计任务篮球比赛计时器是一种体育比赛计时装置，经过改造可满足多种要求和场合。利用中小规模集成电路设计一个数字显示的建议篮球比赛计时器。1.1.2设计要求篮球比赛分为上下半场四节制，每节比赛为10分钟，要求能随时暂停，启动后继续计时，一节比赛结束后应可清零。按篮球比赛规则，进攻方有24秒的时间进攻。要求进攻方得到发球权后，必须在24秒内完成一次进攻，否则将球权判给对方，因此需要一个具有24秒倒计时功能的计时器。“分”“秒”显示用LED数码管。使用开关控制计时器的启动/暂停。节次显示用LED数码管1.2基本元器件介绍 1.2.1 555定时器及多谐振荡器555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。555 定时器成本低，性能可靠。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部电路结构图如图所示：（图1-1）555定时器的内部电路结构图555定时器由比较器和、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管三部分组成。其内部电路结构：是比较器的输入端（也称阈值端，用TH标注），是比较器的输入端（也称触发端，用）标注。和的参考电压（电压比较的基准）和由经三个5k电阻分压给出。在控制电压输入端悬空时，=(2/3), =(1/3)。如果外接固定电压，则=，=(1/2)。是置零输入端。只要在端加上低电平，输出端便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使处于高电平。图中的数码18为器件引脚的编号。多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图2所示：（图1-2）555定时器构成的多谐振荡器，和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到和C的连接处，将放电端（7脚）接到，的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压为低电平，小于（1/3），故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出为高电平，放电管截止。这时，电源经，对电容C充电，使 电压按指数规律上升，当上升到（2/3）时，输出为低电平，放电管导通，把从（1/3） 上升到（2/3）这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数=（）*C*ln2。由于放电管导通，电容C通过电阻和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数*C*ln2。随着C的放电，下降，当下降到（1/3）时，输出。 为高电平，放电管截止，再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，电压总是在（1/32/3）之间变化。通过上面的分析，可以总结出多谐振荡器的振荡周期T=+=（+2*）*C*ln21.2.2 74LS192计数器74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图所示：（图1-3）74LS192引脚排列及逻辑符号图中为置数端，为加计数端、为减计数端（计数端为低电平有效），为非同步进位输出端，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，Q1、Q2、Q3、Q4为数据输出端。74LS192计时器的功能表如图所示：（图1-4）74LS192计时器的功能表1.2.3 74LS161计数器74LS161为中规模集成的同步4位二进制加法计数器，具有二进制加法计数功能之外，还具有预置数、保持和异步置零等附加功能。其引脚排列及逻辑符号如图所示：（图1-5）74LS161引脚排列及逻辑符号图中为预置数控制端，A、B、C、D为数据输入端，RCO为进位输出端，为异步置零（复位）端，ENP和ENT为工作状态控制端。74LS161计时器的功能表如图所示：ENPENT工作状态0异步清零0同步并行置数1111加计数101保持110保持（C=0）（图1-6）74LS161计时器的功能表2.电路设计原理及单元模块设计2.1总体设计思路、基本原理和框图2.1.1设计思路篮球比赛计时器的主要功能包括： 10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：秒脉冲信号发生模块：这部分使用555定时器构成的多谐振荡器，最终产生1赫兹的电信号，驱动整个电路的运作。这一模块主要是通过对555定时器外接的电阻和电容控制。10分钟倒计时：这部分电路完成10分钟倒计时的功能，比赛准备开始时，屏幕上显示10：00字样。当比赛开始时，倒计时从10：00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。24秒倒计时：这部分电路与10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的减计数功能来实现。节数记次：伴随10分钟计时模块的重置，通过LED依次显示节次。警报提示：当两个计数模块中任一个计时到零时，BO端出现低电平。通过和报警灯作用，起到报警作用。2.1.2 基本原理主体电路：即倒计时部分。包括10分钟和24秒倒计时。10分钟倒计时的基本原理：比赛处于准备开始阶段，按下10分钟重置键B（节次控制键B），使倒计时模块相应的置数或清零端有效，显示设定的时间“10：00”，节次LED显示“1”。24秒倒计时的基本原理：比赛处于准备开始阶段，按下24秒重置键C，使倒计时模块相应的置数端有效，显示设定的时间“24”。当主裁判抛起球，比赛开始，同时按下B键和C键，倒数计时模块开始工作（相应的置数端无效），计时模块逐秒进行倒计显示。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A键，截断时钟脉冲的传输来实现。当倒数计时模块计数到零时，选取10分钟倒计时模块的“00：00”状态或24秒倒计时模块的“00”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，从而计时模块在计数到零时停住，同时报警灯亮起。24秒计数芯片的置数端和10分钟的置数端各用一个开关，比赛开始后，24秒倒计时模块的置数端无效，24秒的倒数计时模块与10分钟的倒数计时模块同时开始进行倒计时，逐秒倒计到零。第二节开始时重复以上操作，将10分钟倒计时模块和24秒倒计时模块重置，同时节次LED显示“2”。第三、四节操作与第二节的操作相同，这里不再赘述。警报模块：为了给出警报提示，可在计数模块的输出端用一个报警灯。当计数为0时，QO输出为0，报警灯亮起。2.1.3 总体设计框图24秒计时模块10分计时模块24秒显示秒脉冲模块控制模块报警电路10分钟显示（图2-1）总体设计框图总体电路说明：倒计时功能主要是利用74LS192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报警灯发出警报。而节次控制是通过10分钟计时模块的重置来实现的。2.2单元模块设计2.2.1秒信号发生模块设计为了给计数器74LS192提供一个时序脉冲信号,使其进行减计数,本设计采用555构成的占空比可调的多谐振荡电路(即脉冲产生电路)。设计接入了二极管和，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经，放电电流只流经。因此电容C的充电时间变为=*C*ln2，而放电时间为=*C*ln2。输出脉冲的占空比为 q=/（+）。电路的振荡周期T=+=（+）*C*ln2。根据以上原理，将电源设为24V，电阻=15K，电阻=40K，滑动变阻器=90K，电容C=10uF，电容=100pF。调节滑动变阻器时，输出脉冲的占空比随之变化，但脉冲的周期不变。输出端外接一个发光二极管，作为秒信号发生的指示灯，它伴随信号的高电平输出亮灭。秒信号发生器如图所示：（图2-2）秒信号发生器占空比随滑动变阻器的调节而变化的波形如图所示：（图2-3）波形图2.2.2 10分钟倒计时模块设计10分钟倒计时模块的秒部分由74LS192组成60进制减计数。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、清零端接为无效，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，应当将时钟脉冲直接引到这片74LS192计数器减计数时钟脉冲的“DOWN”端。时钟脉冲的“UP”端全部接高电平。该计数器的高位即十位，与低位的计数进制不相同。由于时间的分秒之间是60进制，所以这里的计数芯片74LS192必须要接成6进制的计数器。考虑到74LS192是异步置位，只需将十位置“6”。10分钟倒计时模块的分部分设计基本同秒部分的设计，只是十位需要置“1”，其它置数端口无效。各部分间的联系通过逻辑电路连接。具体说来，秒部分个位的借位端（）做为十位的时钟信号，连接到“DOWN”端，驱动十位进行减计数。将十位和个位的借位端（）两个输出做为或门（U10）的输入端，输出连接到秒部分十位的重置端口（）。当十位和个位同时显示“0”时，十位和个位的借位端（）都发出低电平信号，则十位将被重置为“6”，开始下一次60秒循环。秒部分中十位的借位端（）又做为分部分中个位的时钟信号，将其连接到“DOWN”端。当借位端发出低电平信号（即向分钟部分借位），驱动分钟部分进行减计数。这就实现了秒部分和分钟部分的连接。分部分中个位的借位端（）连接十位的时钟信号“DOWN”端。当发出借位信号时，驱动十位进行减计数。将十位和个位的借位端（）两个输出做为或门（U7）的输入端，输出接到重置键（单刀双置开关）的一个选择端。重置键（B）的另一个选择端接地。分钟部分的两个置数端（），共同连接到重置键（B）的非选择端。非选择端接一个非门，非门的输出连接秒部分十位和个位的清零端（）。当10分钟计时模块工作前重置键的选择端接地，秒部分被清零，分钟部分置数端（）收到低电平信号，进行置数。LED数码管依次显示“1”“0”“0”“0”，表示10：00。开始工作时将重置键（B）选择或门（U7）输出端，闭合秒脉冲暂停键（A）。为适合实际比赛中的需要，10分钟倒计时模块在倒计时结束时自动停止。为此，设计了四个或门（U16、U15、U12、U14）把每个74LS192的有效输出进行或运算，其结果再与脉冲信号相与非（U13），做为10分钟模块的时钟信号。各有效输出端或运算的结果通过一个非门（U17）连接报警灯。在倒计时结束时，或运算的结果为“0”，它与时钟信号相与非后被锁在高电平。因为74LS192的时钟信号为高电平有效，所以此时将不再进行减计数，同时报警灯收到从非门（U17）传来的高电平信号，报警灯亮起。10分钟倒计时模块操作说明：各按键初始状态为：电源键（SPACE）打开，暂停键（A）打开重置键置接地端。首先闭合电源开关（SPACE），重置键（B）置或门（U7）端，闭合暂停键（A），即开始从10分钟倒计时。倒计时结束，自动停表，报警灯亮起。打开暂停键（A），重置键（B）置接地端重置，再置或门（U7）端等待下一次倒计时。10分钟倒计时模块设计如图所示：（图2-4）10分钟倒计时模块2.2.3 24秒倒计时模块设计24秒倒计时模块用两片74LS192分别做个位和十位，原理同10分钟倒计时模块。置数端十位置“2”，个位置“4”。个位的借位端（）连接十位的时钟信号“DOWN”端。当发出借位信号时，驱动十位进行减计数。在篮球比赛中，一方进攻时间为24秒。当24秒倒计时结束，计时应该停止，等待下一个24秒。为此，将十位和个位的借位端（）两个输出做为或门（U5）的输入端，输出接到重置键（C）的一个选择端。重置键（C）的另一个选择端接地。十位和个位的置位端（）共同接到重置键（C）的非选择端。重置键（C）接地时，模块置数为“24”；接到或门（U5），为等待计时开始状态。同10分钟倒计时模块，将各有效输出端通过或门（U8）进行或运算。其结果与秒脉冲信号与非后做为该模块的时钟信号。这样当24秒倒计时结束时钟信号将锁在高电平，使时钟信号端无效，倒计时停止在“00”状态。或运算的结果通过非门（U6）与报警灯连接，计时结束同时报警灯亮起。24秒倒计时模块操作说明：各按键初始状态为：电源键（SPACE）打开，重置键（C）置接地端，暂停键（A）打开。首先闭合电源开关（SPACE），重置键（C）置或门（U5）端，闭合暂停键（A），24秒倒计时开始。根据篮球比赛规则，当比赛暂停时，24秒进攻时间只暂停不重置，这时需要打开暂停键（A）；当比赛恢复时，继续使用本次进攻的剩余时间。当转换攻守关系时，24秒需要重置，这时先打开暂停键（A），重置键（C）接地重置24秒后再置或门（U5）端等待下个24秒倒计时。当24秒倒计时结束时报警灯亮起，表示本次进攻时间结束。24秒倒计时器需要重新置数。24秒倒计时模块设计如图所示：（图2-5）24秒倒计时模块2.2.4 节次控制模块设计节次控制模块设计如图所示：（图2-6）节次控制模块节次控制模块使用74LS161做控制芯片，使用LED数码管显示节次。预置数为“1”，当输出端为“5”（0101）时重置。时钟信号端口（），连接节次控制键（B）的非选择端。两个选择端口分别接电源和地。节次控制模块操作说明：初始状态为，节次控制键（B）置电源端。伴随10分钟倒计时模块的重置，节次控制模块从“1”到“4”逐节显示。3 总体设计图全部篮球竞赛中秒倒计时电路的设计如图所示，（图3-1）包含秒信号发生模块和节次控制模块，（图3-2）包含10分钟倒计时模块和24秒倒计时模块。（图3-1）秒信号发生模块和节次控制模块（图3-2）10分钟倒计时模块和24秒倒计时模块篮球竞赛秒倒计时电路的操作说明：初始状态：电源键（SPACE）打开、24秒重置键（C）和10分钟重置键（B）接置地端、秒脉冲暂停键（A）打开、节次控制键（B）置电源端。（10分钟重置键和节次控制键在实际电路中使用不同的两个单刀双置开关，只是在操作板上使用同一个按键（B）控制。）在篮球比赛开始前，应先按下电源键（A）启动电路,这时10分钟倒计时模块和24秒倒计时模块进行置数。然后同时按下B键和C键，节次电路显示“1”表示比赛的第一节，10分钟倒计时模块和24秒倒计时模块等待工作的时钟信号。按下A键，整个倒计时电路开始工作。在一方进攻暂停时，需要按下A键，断开时钟脉冲。同时10分钟倒计时模块和24秒倒计时模块暂停，比赛恢复后，继续暂停前的倒计时。当24秒倒计时显示为“00”时，10分钟倒计时模块也同时暂停，同时报警灯亮起。此时需要重置24秒部分，先按下A键停止时钟信号，再按两下C键重置24秒部分，等待下次倒计时，最后按下A键开始新的24秒倒计时，10分钟部分计时继续暂停前的倒计时。如果进攻在24秒内结束，操作与24秒倒计时结束是的操作相同。当24秒倒计时结束或者10分钟倒计时结束时，报警灯都会自动亮起。一节比赛结束时，即10分钟倒计时结束，按下A键断开时钟信号，重置10分钟倒计时模块和24秒倒计时模块，并等待第二节开始的时钟信号，同时节次控制模块显示“2”。之后的操作同上，不再赘述。结论本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求：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、译码显示控制模块主要是为了达到能显示减计数功能；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。报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；至此，本设计能完成所有任务及要求。设计使用Multisim仿真软件实现，在设计的调试过程中进行了多次优化和完善。基本可以满足篮球比赛中的使用需求，因为自己水平有限，篮球比赛计时器的其它附加功能可以添加新的模块或者连接来实现。通过这段时间的研究学习，我进一步巩固了自己的专业知识，尤其在动手能力上得到很大的提高，扩展了设计思路。在查阅参考文献的过程中，弥补了过去专业知识上的疏漏。顺利的完成这次设计后，为我以后更加深入的工作和学习增强了信心。参考文献1李银华.电子线路设计指导.北京:北京航空航天大学出版社,2005,6:93-94.2 陆而红.虚拟电子实验室-MULTISIM7&ULTIBOARD7.北京：人民邮电出版社, 2005，5：20-24.3阎石.数字电子技术基础 第四版.北京:高等教育出版社,2008,1:244-355.4唐赣,聂典.Multisim 10原理图仿真与PowerPCB 5.0.1印制电路板设计.北京：电子工业出版社,2009,4:33-48.5娄邓勇,周铎,邓斌.数字电路设计完全手册.北京:国防工业出版社,2004,6:41-135.6蓝江桥,曹汉房.现代数字电路设计.北京:高等教育出版社,2006,4:231-261.7陈振宫.数字电路及制作实例.北京:国防工业出版社,2006,8:343-348.8钱培怡,杨柏林.电子电路实验与课程设计.北京:地震出版社,2002,6:145-151.9朱正伟,何宝祥,刘训非.数字