篮球24秒计时器的设计

1、 1 / 18 课程设计任务书课程设计任务书 题题 目目: : 篮球 24 秒计时器设计 初始条件：初始条件： 1. 具备电子电路的基础知识和查阅资料和手册的能力 2熟悉常用电子器件和常规实验仪器及电子设计常用软件 3. 已掌握电子电路实验的基本方法 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写 等具体要求） 1.具备显示 24 秒计时功能； 2.计时器为递减工作，间隔为 1s； 3.递减到 0 时发声光报警信号； 4.设置外部开关，控制计时器的清 0，启动及暂停； 5.提出至少两种设计实现方案，并优选方案进行设计； 6. 撰写符合学校要求的课程设计

2、说明书。 时间安排：时间安排： 1. 动员大会，下达课程设计任务书； 2. 7 月 7 日11 日 查阅资料，选择设计方案，进行设计计算，完成预设计并进 行计算机仿真 7 月 7 日； 3. 7 月 12 日 预设计方案经教师审查后领取元器件； 4. 7 月 12 日17 日将设计的电路进行制作和调试并完成课程设计说明书的撰 写； 5. 7 月 17 日18 日课程设计答辩。 指导教师签名：指导教师签名： 20082008 年年 0707 月月 0707 日日 系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 20082008 年年 0707 月月 0707 日日 2 / 18 摘要摘要

3、基于数字电子技术和模拟电子技术的篮球 24 秒计时器在篮球比赛中已经被 广泛的采用，它可以完成置数、倒计时、暂停、清零、声光报警等很实用的功 能。 本文着重介绍 24 秒计时器的制作过程，并且对一些方案作出对比，最终选 定较好的方案。在单元电路方面，本文对电路的每一部分的选择都加以说明， 经过对比确定出最优方案并加以采用。在此基础上，本文对 24 秒计时电路进行 了适当的功能扩展。 最后，本文对基于电工技术的 24 秒计时器的设计特点，进行了归纳和总结。 关键字 ：555 振荡模块 减计数器 译码显示 报警电路 3 / 18 目录目录 1.1. 设计内容及要求设计内容及要求.1 1 2.2.结

4、构设计及方案选择结构设计及方案选择.2 2 2.1 原理方框图及设计思路 .2 2.2 方案选择 .4 3.3.单元电路设计、参数计算及器件的选择单元电路设计、参数计算及器件的选择.5 5 3.1 脉冲信号电路的设计 .5 3.2 计数电路的设计及选用 .7 3.3 报警电路的设计 .8 3.4 译码显示电路的设计 .9 3.5 外部控制电路的设计（本部分没有在仿真图中仿真） .10 4.4.组装及调试过程组装及调试过程.1111 4.1 组装 .11 4.2 调试 .12 4.2.1 调试电路的方法和技巧.12 4.2.2 调试中出现的问题及解决方法 .13 5 5 收获、体会和改进的方法收

5、获、体会和改进的方法.1313 5.1 心得和体会 .13 5.2 改进方案 .14 附录附录 1 1 .1515 6 元器件明细表 .15 7 7 参考文献参考文献.1616 4 / 18 篮球 24 秒计时器的设计 1.1. 设计内容及要求设计内容及要求 1.1 设计一个篮球比赛 24 秒计时器，具备显示 24 秒计时功能； 1.2 计时器为递减工作，时间间隔为 1s 1.3 递减到零时发出声光报警 1.4 设置外部开关，控制计时器的启动、暂停及清零 2.2.结构设计及方案选择结构设计及方案选择 2.12.1 原理方框图及设计思路原理方框图及设计思路 设计思路：脉冲信号经过递减计数器、译码

6、器、再由数码管显示出来，中 间包括控制电路。 图 1：原理方框图 包括秒脉冲发生器、计数器、译码与显示电路、报警电路和控制电路（辅 助时序控制电路）等五个部分组成。秒脉冲发生电路递减计时，每隔 1 秒钟， 脉冲信号发生 电路 计数电路译码显示电路 外部操作开关控制电路 报警电路 5 / 18 计时器减 1。其中计数器和控制电路是系统的主要部分。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、启动计数器、暂停/连续计数、译码 显示电路的显示与灭灯等功能。当计时器递减计时到零（既定时时间到）时， 显示器上显示 00，同时二极管闪亮，蜂鸣器发声报警。 以下为本报告所设计的整体电路（该

7、设计由 mutisim10 仿真） 。 6 / 18 图 2：设计原理图 以上方案工作原理:脉冲信号由 555 计时器组成的多谐振荡器为整个电路提 供频率为 1hz 的方波脉冲信号，在脉冲的输出端接有一 led，用以指示脉冲信 号的发生。方波信号由低位 74ls192 的 cpd 端输入电路的计数部分，从而使计 数电路开始工作。74ls192 的输出端经过译码电路接数码管，两片 74ls192 分 别置数 0010 和 0100。计数电路的置数端接外部控制电路，当置数端输入低电 平时，电路实现计数功能，此时数码管显示 24，随着 cp 的接入，数码管示数 以一秒为单位递减，当其递减到零时，bo

8、 输出低电平触发报警电路，led 发光， 蜂鸣器报警（图中为模拟蜂鸣器报警功能） 。外部控制电路也可以实现使电路的 清零的功能，当芯片的 clr 端输入高电平时，计数器实现清零。 另：若将图中的二输入与门 74ls08 更换为三输入与门 74ls12，同时添加 一控制开关，则可以实现计时电路暂停、开始功能。 2.22.2 方案选择方案选择 上面的方案是基于十进制加减计数器 74ls192 所设计，在计数电路中，也 可以使用其他具有技术功能的集成芯片，例如 74ls161。 74ls161 是四位同步二进制加计数器，该计数器能同步并行预置数据，具 有清零置数，计数和保持功能，具有进位输出端，可以

9、串接计数器使用。以下 是它的功能表。 使用 74ls161 设计的电路，其余部分与用 74ls192 设计的电路没有明显不 同，同样使用 555 计时器构成的多谐振荡器作为方波脉冲信号发生器。 在设计过程中可以发现，74ls161 虽然是加计数器，同样可以实现减计数 功能，但是，必须在其输出端串联大量门电路以实现计数的转换，原理上可行， 但实际操作难以完成，甚至仿真也是很困难的。综合考虑，不选用 74ls161 作 为设计方案。 7 / 18 图 3 74ls161 功能表 3.3.单元电路设计、参数计算及器件的选择单元电路设计、参数计算及器件的选择 本报告中所设计的计时器是由脉冲信号发生器、

10、计数器、报警电路、外部控 制电路、译码显示电路等五个部分构成。 3.13.1 脉冲信号电路的设计脉冲信号电路的设计 脉冲信号电路可以由 555 定时器构成的多谐振荡器或者石英晶体振荡器或 者由 rc lc rlc 振荡电路构成的信号发生装置来实现。 由于在本实验中要求相对稳定的频率为 1hz 方波信号输出，综合考虑如下： rc、lc、rlc 构成的震荡电路产生的脉冲信号为正弦波信号，则还需要施密特 触发器来将其转化为方波信号，这样会增加电路的复杂性，不易于操作；而石 英晶体振荡器的固有频率在 40khz 以上，只能选用分频电路来实现 1hz 的脉冲 输出，分频电路可以选用具有分频功能的 74l

11、s92 等集成芯片，这样，不仅提高 了设计的成本，而且提高了电路整体的复杂性和功耗，难以实现。综上，我们 选用由 555 定时器构成的多谢振荡器作为脉冲信号发生器。 如下图，由 ne555 构成的多谐振振荡器，接通电源后，电容 c1被充电， vc上升，当 vc上升到 2/3vcc时，触发器被复位，同时放电 bjtt 导通，此时 v0 为低电平，电容 c 通过 r2和 t 放电，使 vc下降，当下降至 1/3 vcc时，触发器 又被置位，v0翻转为高电平。当 c 放电结束时，t 截止，vcc将通过 r2和 r1、re 8 / 18 向电容器充电，vc由 1/3vcc上升到 2/3vcc。当 vc

12、上升到 2/3vcc时，触发器又发 生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为： f=1.43/(r1+2r2)c。 在这里我们选择 r2=68k，c1=10uf，只要用一个可变电阻器代替 r1，并将 它调至 7k 即可输出 1hz，达到要求 图 4 555 原理图以及由 555 构成的多谐震荡器原理图 图 5 555 输出脉冲波形图 9 / 18 表一：555 计时器功能表 输入输出 阈值输入 （v11） 触发值 （v12） 复位（rd）输出（vo）放电管 t 00 导通 (2/3)vcc(2/3)vcc(1/3)vcc10 导通 (1/3)vcc1 不变不变 注：0=低

13、电平，1=高电平 3.23.2 计数电路的设计及选用计数电路的设计及选用 计数电路的功能选用集成芯片来实现。 74ls192 是双时钟方式的十进制可编程同步加锁计数器。它采用 8421 码 二-十进制编码，并具有直接清零、置数、加锁计数功能。脉冲信号接 cpu 端可 以实现加计数功能，脉冲信号接 cpd 端可以实现减计数功能。ld 是异步并行置 数控制端 (低电平有效), co、bo 分别是进位、借位输出端 (低电平有效),cr 是异步清除端,d0d3是并行数据输入端，q3q0 是输出端。 74ls192 的工作原理是：当/ld =1,cr=0 时，若时钟脉冲加入到 cpu端， 且 cp 置数

14、= 1, 则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到 9 时， /co 端发出进位下跳变脉冲；若时钟脉冲加入到 cpd端，且 cpu=1，则计数器在 预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到 0 时，/bo 端发出借位下跳变脉 冲。由 74ls192 构成的 24 递减计数器其预置数为 n=(00100100)8421bcd=(24)10。 它的计数原理是：只有当低位/bo1端发出借位脉冲时，高位计数器才作减计数。 当高、低位计数器处于全零，且 cpd为 0 时，置数端/ld2=0, 计数器完成并行置 数，在 cpd端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下一循环减计数。 10 / 18

15、 图 6 74ls192 管脚图以及功能表 图 7 计时电路 上图为两片 74ls192 级联构成的计数电路，其中右边的 74ls192 为低位，通 过借位信号输出端 tcd 向高位 cd 输出脉冲信号。当低位芯片倒计数至零时， tcd 由高电平转为低电平，此时向高位芯片发出借位信号，高位芯片的减计数 信号输入端 cd 接到信号后，驱动高位芯片开始减计数。当高位芯片减计数至零 时，tcd 端则由高电平转化为低电平，再次向高位借位。 3.33.3 报警电路的设计报警电路的设计 题目中要求当计时停止时，电路要有声光报警功能，为此，本设计报告中 选用 d 触发器触发发光二极管和蜂鸣器工作来实现此功能

16、。 根据 d 触发器的功能，当 pre 端输入为低电平时，其输出端 q 输出高电平， 可以利用该高电平直接驱动发光二极管和蜂鸣器报警 11 / 18 图 8 d 触发器驱动的报警电路 3.43.4 译码显示电路的设计译码显示电路的设计 译码显示电路我们选用 74ls48 来驱动 7 段共阴极数码显示管。 数码显示器可显示系统的运行状态及工作数据，它分为两种，共阴极 （bs201/202）与共阳极（bs211/212） ，我们所选的是共阴极，它是将发光二极 管的阴极短接后作为公共极，当驱动信号为高电平时，阴极必须接低电平，才 能够发光显示。共阴极数码管的外引脚及内部电路如下图 图 11 7 段共

17、阴极数码显示管管脚图 驱动共阴极显示器的译码器输出为高电平有效，所以选用 74ls48 驱动共 阴极的发光二极管显示器。 下图是 74ls48 外引线排列图与功能表： 图 9 发光二极 管 图 10 扬声器 12 / 18 图 12 74ls48 外引线排列图及功能表 74ls48 工作原理：译码器输入端为二进制码，经译码器后，输出端分别 与七段显示器的的输入端对应连接。消隐（灭灯）输入端 bi 为低电平有效。 当消隐（灭灯）输入端 bi =0 时，不论其余输入端状态如何，所有输出为零， 数码管七段全暗，无任何显示；当消隐输入端 bi =1 时译码器译码。灯测试 （试灯）输入端 lt 为低电平

18、有效。当灯测试（试灯）输入端=0（/ =1）时， 不论其余输入端状态如何，所有输出为 1，数码管七段全亮，显示 8。可用来检 查数码管、译码器有无故障；当灯测试输入端 lt =1 时译码器译码。脉冲消 隐（动态灭灯）输入 rbi 为低电平有效。当 rbi =1 时，对译码器无影响；当 bi =lt =1 时，若 rbi =0，输入数码是十进制的零时，数码管七段全暗，不显 示；输入数码不为零时，则照常显示。在实际使用中有些零是可以不显示的， 如 004.50 中的百位的零可不显示；若百位的零可不显示，则十位的零也可不 显示；小数点后第二位的零，不考虑有效位时也可不显示。脉冲消隐输入 rbi =0

19、 时，可使不显示的零消隐。 3.53.5 外部控制电路的设计外部控制电路的设计（本部分没有在仿真图中仿真）（本部分没有在仿真图中仿真） 由设计要求可知，电路要实现一下功能：电路具有直接清零功能；在计数过 程中电路具有暂停、启动功能； 13 / 18 由此，可以设计以下辅助控制电路： 图 13 外部控制开关辅助电路 图(a)是置数控制电路，/ld 接 74ls192 的预置数控制端，当开关 s1合上 时，/ld=0，74ls192 进行置数；当 s1 断开时，/ld =1，74ls192 处于计数工 作状态，图(b)是时钟脉冲信号 cp 的控制电路，控制 cp 的放行与禁止。当定时 时间未到时，

20、74ls192 的借位输出信号路，/bo2=1, 则 cp 信号受 “暂停/连续” 开关 s2的控制，当 s2处于“暂停”位置时，门 g3输出 0，门 g2关闭，封锁 cp 信号，计数器暂停计数；当 s2处于“连续”位置时，门 g3输出 1，门 g2打开， 放行 cp 信号，计数器在 cp 作用下，继续累计计数。当定时时间到时/bo2=0, 门 g2关闭，封锁 cp 信号，计数器保持零状态不变。从而实现暂停和计时截止 后 cp 封存的功能。 4.4.组装及调试过程组装及调试过程 4.14.1 组装组装 经过仿真，将所得电路图付诸于实践的过程。组装的过程中用到的材料有： 14 / 18 各种前面

21、设计中要用到的芯片、连接线、面包板、直流稳压电源等。需要用到 的仪器有万用表。 （1）组装之前要对芯片进行测试，确保芯片功能正常； （2）将所有芯片按照电路原理图依次插在面包板上，该过程要注意所有元件 的管脚必须准确插进面包板的插槽里，同时注意电源线与地线； （3）组装的过程中要同时进行单元电路的测试； （4）将所有单元电路连接，经检查无误后接通电源进行通电测试。 4.24.2 调试调试 4.2.14.2.1 调试电路的方法和技巧调试电路的方法和技巧 电路的调试具体步骤大致可分为：通电观察、静态调试和动态调试。 1）通电观察： 通电后不要马上测量电气指标，如高低电平，脉冲信号等，而要观察电路有

22、无 异常现象，例如有无冒烟，有无异味，手摸集成电路外壳是否发烫等，如本次 试验中所用的发光二极管就应小心接 5v 支流时会不会烧坏。在仿真软件的电路 调试中没有以上例子，仅有数码显示的正常与否，以及短路与否，所以可以加 上数个发光二极管，通过观察发光二极管的闪烁来监测各个部分的运作情况。 在实际操作中应细心观察，如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障 后再通电。 2）静态调试： 静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的 直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合 电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或 处

23、于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作 状态符合设计要求。在仿真软件中，我们利用模拟的示波器与脉冲信号的共同 做用下与实际的相比较的判断出电路的好与坏。 3）动态调试： 动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按 15 / 18 信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原 因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。 4.2.24.2.2 调试中出现的问题及解决方法调试中出现的问题及解决方法 （1）无法置数、置数混乱：经检查，原因是人为因素导致错误发生，芯片 的管脚连接错误，同时有导线连接不良的现象； （2）芯片计数

24、异常：具体表现为，随着脉冲信号的接入，数码管显示的数 码以奇数形式递减，认为可能是脉冲信号源参数选择有误，重新选择参数并将 电路重新连接后，故障排除 （3）倒计数至零后，计数器不停止，继续减计数：原因是,由于在高位 74ls192 的 bo 借位输出端接有报警电路的发光二极管，而发光二极管一段接高 电平，故在计数至零后，bo 向 led 的高电平端借位，导致控制端的三输入与非 门 74ls12 不能将输入信号封存，计数不停止。解决方法为，将 bo 输出信号经 过非门 74ls04 后接入报警电路，而 led 另一端接地。 （4）对比脉冲发生周期与现实秒周期发现，脉冲信号周期较小，具体表现 为信

25、号源脉冲指示灯频率过高，减计数过快。解决方法为：调整 555 计时器的 电阻阻值可以解决。 总之，在组装调试过程中出现了很多意外的故障，通过分析改正都得到解 决，在以后的实践中，应养成做事小心谨慎的习惯，要有理论与实践还有差距 的意识，不断提高动手解决问题的能力。 5 5 收获、体会和改进的方法收获、体会和改进的方法 5.15.1 心得和体会心得和体会 本次课程设计是一次基于数字电子计数和模拟电子计数的实践，第一次让我 将不同时间学习的不同种类的知识融合在一起，让我对电子计数这门课有了新 的认识，同时也意识到了自己的不足。尤其是发现自己的理论知识学习的不够 深刻也不够扎实，不能够满足实际应用，如此一个简单的设计尚且不能做好， 16 / 18 又怎么能做好以后的复杂的设计。 设计过程中我深刻的体会到理论和实际的差异，在将自己学的知识用于设计 制作的时候，发现有一些知识是没有办法用的，也有一些知识似乎没有什么使 用价值。比如 555 计时器构成的多谐