数电篮球秒倒计时器课程设计.doc

长春工业大学
课 程 设 计
（说明书）

篮球竞赛30秒计时器设计

设计项目：

班级 / 学号：
学 生 姓 名:
指 导 教 师:
设 计 日 期：

目录

一 论证..........................2
1.1 设计原理
1.2 设计方案
1.3 各分电路功能分析
1.3.1 计数器电路
1.3.2 脉冲发生电路
1.3.3 译码显示电路
1.3.4 控制电路
1.4 仿真原理图

二 课程设计总结......
三 参考文献......
附录

电子技术课程设计任务书
题目：具有数字显示的篮球竞赛30S计时器
1．任务规定
设计一个篮球竞赛30S进攻时间限制计时器。
2．性能指标规定：  
（1）工作时间可在1—30S内任意设定。
（2）30S计时器是递减计时器，间隔为1S。能用LED数码管显示剩余工作时间，还能显示到1/10秒。即当计时开始时显示出所设定的总时间，每当计时10个1/10S，显示器的数字立即减1。
(3）减1计时到7S时，发出三声低音预告信号。
(4) 减1计时到零时(工作时间到)，发出三声高声，并自动停止计时。
(5) 具有暂停/继续工作、清零复位和启动计时功能。
3．设计与测试
按任务规定，设计电路，计算参数，选择元器件。根据所设计电路原理图，选择所需元器件连接电路，并按照调试环节进行调试。
4. 成果规定
(1)课程设计说明书一本。
规定：内容完整，图表完备，笔迹工整，条理清楚，分析有据。
(2)所用元器件清单
(3)电路实体和仿真。
规定：电路必须有仿真结果（可运用Multisim进行电路仿真分析），该电路实体必须是自己安装调试通过并达成性能指标规定的电路实体。
参考器件：两片74LS192、74LS00，叁片74LS48，一片555、74LS04、
CC40161，共阴LED显示器3块，电阻、蜂鸣器、发光二极管等
5．答辩
在规定期间内，完毕叙述并回答问题。

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，定期报警器、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、还可以用来做时间提醒设备等等，由此可见计时器在现代社会是何其重要的。
篮球作为一项全民健身项目，已有一定的历史。在中国，篮球很盛行，篮球比赛也日趋职业化。篮球比赛中有一项违例时间要用倒计时器，目前多数采用的是24秒制，但随着篮球制度的改革将会采用30秒制。有需要就会有市场，因此设计一款30秒计时器是非常有必要也非常有前景的。
该款计时器是在本来的基础上把24秒制改为30秒制。该计时器要有递减计时及报警功能。因此符合比赛中违例判罚的需要。
在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒限制。一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警从而鉴定此球员的犯规。
本设计重要能完毕：显示30秒倒计时功能；系统设立外部操作开关，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，数码管显示器所有显示为“0”；计时器为30秒递减计时其计时间隔为0.1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 10.0.1仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在Multisim 10.0.1下设计和进行仿真，得到了预期的结果。

一 电路设计原理与设计电路

1.1 设计原理
我们可以用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波脉冲，将该方波脉冲信号送到计数器74LS192的CP减计数脉冲端,再通过译码器74LS48把输入的8421BCD码通过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，显示十进制数，然后在适当的位置设立开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能。

1.2 设计方案
通过初步的设计，可以拟定该系统应涉及秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助时序控制电路(简称控制电路)和报警电路等5个部分构成。其中，计数器和控制电路是系统的重要部分。计数器完毕30s计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停、连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能以及工作时间的调节。为了满足系统的设计规定，在设计控制电路时，应对的解决各个信号之间的时序关系。在操作直接清零开关时，规定计数器清零，数码显示器显示零。当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP，同时计数器完毕置数功能，译码显示电路显示30s字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；当按下十位调节开关时，计数器加1；当按下个位调节开关时，计数器同样加1；当暂停、连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处在保持状态；当暂停、连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。
系统设计框图如图1.1所示。

脉冲发生器
计数器
计数器
十位显示
个位显示
1/10位显示
译码器
译码器
译码器
计数器
报警电路
控制电路

图1.1　系统设计框图

在此，提出两种方案，重要是针对脉冲发生电路。方案一是采用555构成的多谐振荡电路（即脉冲产生电路），其电路原理图如图１.２。另一种方案是用555构成的多谐振荡器直接产生频率为10Hz的秒脉冲，原理图如图１.5。相比较之下方案一的秒脉冲会稳定些，但由于电路加入了74LS161用于异步清零法分频而使电路变得复杂许多，而本次课设都是采用软件仿真的方式来验证最后结果的，因此不会存在由于元器件的误差而使结果受到影响的情况，因此没有必要用复杂的电路来替代简朴电路就可以完毕的功能的电路。所以本次课设采用第二种方案来产生10Hz的秒脉冲。

图１.2　方案一的秒脉冲发生电路

１.3 各分电路功能分析
1.3.1 脉冲发生电路
555定期器
555定期器重要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以拟定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲波形产生和整形电路。图2.2是NE555的内部功能原理框图和内部管脚图

图1.3 555管脚图
用555定期器构成多谐振荡器
用555定期器构成多谐振荡器电路如图2.3(a)所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态,也不需要外加触发信号,运用电源VCC通过R1和R2向电容器C充电,使uC逐渐升高,升到2VCC/3时,uO跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容器C通过电阻R2和D端放电,使uC下降,降到VCC/3时,uO跳变到高电平,D端截止,电源VCC又通过R1和R2向电容器C充电。如此循环,振荡不断, 电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电,输出连续的矩形脉冲,其波形如图2.3(b)所示。

8 4
7
6 555 3
2
1 5
R1
R2
uc
C
+VCC

uo
0.01µF
t
uo
0
tw2
tw1
t
uc
0

T
（a）5555555
（b）

图1.4 555构成的振荡电路及即波形
输出信号uO的脉宽tW1、tW2、周期T的计算公式如下:
tW1＝0.7(R1＋R2)C
tW2＝0.7R2C
T＝tW1＋tW2＝0.7(R1＋2R2)C

根据规定，该系统中要使555构成的多谐振荡电路产生10Hz的脉冲，因此我们可以令R1= 51k，R2= 49k，C= 970nF，得到周期T=0.70.101s，即按照图2.4连接的电路就可以产生10Hz的方波脉冲。

图1.5 555定期器构成的多系振荡电路

1.3.2 计数器电路
计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定期、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。本次课程设计中选用74LS192来实现规定的减法计数功能。图2.5是74LS192的管脚图。

图1.6 74LS192管脚图

74LS192具有下述功能：
① 异步清零：MR=1，Q3Q2Q1Q0=0000 。（此功能可实现计数器的清零）
②异步置数：MR=0， =0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0 。
③保持： MR=0，=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原态
④加计数：CR=0, =1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法规律计数
⑤减计数：CR=0, =1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按减法规律计数

按照课程设计任务书规定，需要计时30s，并且显示到0.1s，因此该设计中需要用到一个三进制的减法计数器和两个十进制的减法计数器。我们可以用三片74LS192来实现这三个计数器。计数模块中的三片计数器的加计数器脉冲输入端都要接高电平，且要将低位片的借位信号加到高位片的减计数脉冲输入端。高位片计数器的借位信号控制报警信号，在进行减计数时，借位信号一直为高。30秒倒计时计数电路可以按照图2.6连接。

图1.7 30秒倒计时器的计数电路

2.3.3 译码显示电路
本次设计中我们用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。由于计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成 7 段字型数码管所规定的代码。我们把可以将计算机输出的BCD码换成 7 段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常用的74LS48。图2.7是74LS48的外部管脚图

图1.8 74LS48管脚图
七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。 它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：
灭灯输入BI/RBO
BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。
试灯输入LT
当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。该输入端常用于检查7488自身及显示器的好坏。
动态灭零输入RBI
当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。运用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。
动态灭零输出RBO
BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。该端重要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。
对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅规定LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的规定。74LS48的功能表如下：
74LS48功能表
十进数
或功能
输入
BI/RBO
输出
LT
RBI
D C B A
a
b
c
d
e
f
g
0
H
H
0 0 0 0
H
1
1
1
1
1
1
0
1
H
x
0 0 0 1
H
0
1
1
0
0
0
0
2
H
x
0 0 1 0
H
1
1
0
1
1
0
1
3
H
x
0 0 1 1
H
1
1
1
1
0
0
1
4
H
x
0 1 0 0
H
0
1
1
0
0
1
1
5
H
x
0 1 0 1
H
1
0
1
1
0
1
1
6
H
x
0 1 1 0
H
0
0
1
1
1
1
1
7
H
x
0 1 1 1
H
1
1
1
0
0
0
0
8
H
x
1 0 0 0
H
1
1
1
1
1
1
1
9
H
x
1 0 0 1
H
1
1
1
0
0
1
1
10
H
x
1 0 1 0
H
0
0
0
1
1
0
1
11
H
x
1 0 1 1
H
0
0
1
1
0
0
1
12
H
x
1 1 0 0
H
0
1
0
0
0
1
1
13
H
x
1 1 0 1
H
1
0
0
1
0
1
1
14
H
x
1 1 1 0
H
0
0
0
1
1
1
1
15
H
x
1 1 1 1
H
0
0
0
0
0
0
0
BI
x
x
x x x x
L
0
0
0
0
0
0
0
RBI
H
L
0 0 0 0
L
0
0
0
0
0
0
0
LT
L
x
x x x x
H
1
1
1
1
1
1
1

表1.1 74LS48的功能表

本次设计的译码显示电路可以按照图1.9连接电路

图1.9 译码显示电路

2.3.4 控制电路
报警电路
任务规定在计时器倒计时到7秒时发出低声警报，在倒计时到0秒时发出高声警报，因次我们可以将192的输出端按照下图连接，当192的高位到低位输出0000 1110 xxxx 时（即倒计时到7秒时）可发出报警。当计时到0秒时最高位192的借位BO会由高电平跳变为低电平，蜂鸣器导通，这样就产生了报警信号。因此，按照图1.10也可以使蜂鸣器发声报警。

图1.10 报警电路

暂停、置位、清零、十位调整、个位调整控制电路
暂停/连续 可以通过在将借位信号和暂停/连续控制信号和时序脉冲信号加到一起相与之后作用到1/10位计数器减计数脉冲输入端，即实现计数器递减计数到零时，显示器不灭灯。连接电路如图2.10的“暂停”，当开关打到低电平时计时器暂停，当开关打到高电平时计时器正常计时。
启动置位 可通过192的 异步置数：MR=0 =0时，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0 来使计时器置位启动。LCAD（即）端的置位功能连接如图图1.11。
清零 可以通过192的 异步清零：MR=1时，Q3Q2Q1Q0=0000 来使计时器清零。CLR（即MR）端的清零功能的电路连接如图图1.11。
十位调整 通过给十位192的加法计数的UP端产生脉冲来实现十位的加调整。
个位调整 通过给个位192的加法计数的UP端产生脉冲来实现个位的加调整。
十位调整、个位调整控制电路图如图图1.11

图1.11 控制电路

2.4 仿真原理图
具有数字显示的篮球竞赛30S计时器的设计重要分为五个模块：时钟模块（即秒脉冲发生模块）、计数模块、译码显示模块、辅助时序控制模块（简称控制电路）和报警电路，总体仿真电路如下图（图2.11的输出端连接到 图2.12 的输入）。打开仿真软件Multisim12.0按规定在Multisim12.0里连接好如图所示的电路后就可以按下F5就可以进行电路仿真了，由于仿真界面的限制，本次课程设计的仿真分为了两部分完毕。脉冲发生电路（图1.12）和倒计时的总体电路（图2.12）。在脉冲发生电路仿真中我们可以用示波器来观测产生的脉冲是否为10Hz。而在整体电路的仿真部分用一个10Hz的脉冲源替代了脉冲发生电路，最后的仿真结果是：计时器可以从30倒计时到0停止，并且在倒计时到7时发出低声报警，在倒计时到0时发出高声报警。同时也可以通过图中的开关按钮来完毕时间的调整、置位、清零和暂停。

图1.12 脉冲发生电路

图2.12 30秒倒计时器整体电路图

小结：该篮球竞赛30S计时器的设计重要分为五个模块：时钟模块（即秒脉冲发生模块）、计数模块、译码显示模块、辅助时序控制模块（简称控制电路）和报警电路，其中计数模块中的三片计数器的加计数器脉冲输入端都要接高电平，且要将低位片的借位信号加到高位片的减计数脉冲输入端。高位片计数器的借位信号控制报警信号，在进行减计数时，借位信号一直为高，此过程报警信号不工作，当计数器减计数到零时，借位信号变为低，蜂鸣器导通，这样就产生了报警信号。这是该计时器的一个简朴的工作流程。

二 课程设计总结

课程设计所需要知识都是基础性的，本小组同学通过一周的探讨与查资料，我结识到合作的重要性。在本次的课程设计中通过自己选题，找材料，分析、设计等，也掌一些软件的操作方法，这为以后的学习做了铺垫。整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了我的寻求解决问题的能力和团队精神也增强了我其它方面的能力。在设计中，我充足应用我们所学的知识，例如：集成电路74LS系列、三极管、二极管、整定期器555等元件的应用。这次实践使我受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了我的实际操作能力。在让我体会到设计电路艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。这次设计所用的的工具是Multisim12.0,安装了语言包之后操作起来得心应手，所以画图和仿真就比较方便，使设计的质量得到了保证。
本次课程设计提高了我的综合动手能力和工程设计能力，它使我的理论知识得到了综合应用，培养我综合运用所学理论的能力和解决较复杂的实际问题的能力。
电子技术发展呈现出系统集成化，自动化，设计自动化，以及智能化。用户专业化和测试智能的优势，作为一个大学生。我们必须时代的发展，这使我们必须要扩展自己的知识，并运用计算机来辅助分析和设计，这对我们是有益的。
课程设计的自主设计、学习和研究过程中，通过写课程设计的总结报告，初步训练我的书面表达能力。组织逻辑能力，这些技能应用性强，对我的将来就业和进一步发展帮助较大。同时也加强了对课本知识的理解，使我们做到理论和与实际的联系，收获很大。并且我也深深地体会到自己所学知识的局限性，激发了我的自学能力和应对挑战的能力。为此后学习打下了良好的基础，也培养了我们严谨务实的作风。

附录：
所需电器元件

1. 芯片：LM555一片 ，74LS00一片，74LS02一片,74LS11一片， 74LS48三片，74LS192三片，
2. 电阻：51KΩ一个 ， 49KΩ 一个，300Ω 二十一个
3. 电容：970nF 一个，10nF一个
4. 三极管：2N6751两个
5. 开关：单刀双掷开关 五个
5.共阴数码管：三个
6.蜂鸣器：两个
参考资料
阎石 《数字电子技术基础》第五版
长春工业大学数电课程指导书
长春工大电气实验指导书
百度文库