籃球30秒計時器

1、 摘要 計時器在人類生活中有著非常重要而廣泛的應用，古時候人們就開始用沙漏和水漏做定時工具，隨著科技和社會的發(fā)展，人們開始用全新的方法來改造計時器以達到準確計時的目的?；@球競賽計時器就是一種典型的計時器的應用。在籃球比賽中規(guī)定球友持球的時間不能超過30秒，否則就是犯規(guī)。本課程設(shè)計的“籃球競賽30秒計時器”，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間進行30秒限制，一旦球員持球的時間超過了30秒，它將自動報警從而判定球員的犯規(guī)。 正文1 課程設(shè)計背景二十一世紀，人類邁入信息時代，電子科學技術(shù)在人們生活中的運用越來越普遍。運用模電和數(shù)電知識設(shè)計的電子產(chǎn)品成為社會生活不可缺少的一部分，特別是在各種競技運動

2、中，計時器成為檢驗運動員成績的一個重要工具?；@球作為一項全民健身項目，已有一定的歷史。在中國，籃球很盛行，籃球比賽也日趨職業(yè)化?；@球比賽中有一項違例時間要用倒計時器，目前多數(shù)采用的是24秒制，但隨著籃球制度的改革將會采用30秒制。有需要就會有市場，因此設(shè)計一款30秒計時器是非常有必要也非常有前景的。該款計時器是在原來的基礎(chǔ)上把24秒制改為30秒制。該計時器要有遞減計時及報警功能。因此符合比賽中違例判罰的需要。 在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時間不能超過30秒，否則就犯規(guī)了。本課程設(shè)計的“籃球競賽30秒計時器”，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間30秒限制。一旦球員的持球時間超過了30秒，它自

3、動的報警從而判定此球員的犯規(guī)。 本設(shè)計是74LS192芯片作為減數(shù)功能的30秒倒計時計數(shù)器。該計數(shù)器主要包括555構(gòu)成的震蕩電路，74LS192模塊，數(shù)碼管等模塊單元。經(jīng)測試，計數(shù)器可實現(xiàn)顯示30秒倒計時功能，系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計時器的直接清零、啟動功能，發(fā)出光電報警信號。該設(shè)計電路簡單、使用方便，功能穩(wěn)定多樣，具有很強的實用價值。2課題設(shè)計要求（1）具有顯示30S的計時功能；（2）設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計時器的直接清零、啟動和暫停/連續(xù)功能；（3）計時器為30S遞減計時器，其計時間隔為1S；（4）計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，應發(fā)出光電報警信號3設(shè)計任務及目標（1）根據(jù)給

4、出的電路原理圖分析各單元電路的功能；（2）熟悉電路中所用到的各集成塊的管腳及其功能；（3）進行電路的安裝、調(diào)試，直到電路能達到規(guī)定的設(shè)計目標；（4）寫出完整、詳細的課程設(shè)計報告。4課題設(shè)計框圖秒脈沖發(fā)生器計數(shù)器譯碼顯示報警電路控制電路外部操作開關(guān)5電路設(shè)計5.1設(shè)計原理分析設(shè)計任務，該系統(tǒng)包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路和報警電路5個部分構(gòu)成。其中，計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成30秒倒計時功能，而控制電路具有直接控制計數(shù)器的清零，啟動和暫停/連續(xù)功能、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能。為滿足設(shè)計要求，設(shè)計控制電路及控制開關(guān)時，應該正確處理各個信號之間的時

5、序關(guān)系。在操作直接清零時，要求計數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器為零。當置數(shù)開關(guān)閉合時，控制電路應該封鎖時鐘信號CP，同時計數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示30s字樣。當啟動開關(guān)閉合時，計數(shù)器開始進行遞減計數(shù)；當暫停/連續(xù)開關(guān)斷開計數(shù)器停止計數(shù)，處于保持狀態(tài)；當暫停/連續(xù)開關(guān)閉合時，計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù)。當計數(shù)器遞減計數(shù)到零時（即定時時間到），控制電路發(fā)出報警信號。5.2設(shè)計方案 用555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖，即輸出周期為1秒的方波。利用2個74LS192作為計數(shù)模塊，最后通過兩個帶有譯碼功能的數(shù)碼管顯示。6單元模塊6.1脈沖模塊利用555集成電路組成多諧振蕩電路為系統(tǒng)提供時鐘

6、秒脈沖。555定時器應用為多諧振蕩電路時，當電源接通Vcc通過電阻R1、R2向電容C充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當u上升至2/3Vcc，會使比較器C1輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓為零，同時放電管T導通，電容C通過R2放電；當電容電壓下降到1/3Vcc，比較器C2工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖?，C放電終止，Vcc通過R1、R2又開始充電；周而復始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時間有關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響 公式計算： T1=(R1+R2)Cln2; T2=R2Cln2; 振蕩周期T = T1+T2=0.7 ( R1 + 2R2) C =1 (s) 若取C=10F，結(jié)合實際選取電阻為R1=

7、51K,R2=47K。555多諧振蕩電路圖秒脈沖仿真圖芯片NE555NE555是時基集成電路，它在應用和工作方式上一般可歸納為3類。每類工作方式又有很多個不同的電路。在實際應用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個單穩(wěn)、多個雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。下圖是NE555的內(nèi)部功能原理框圖和內(nèi)部管腳圖。NE555內(nèi)部管腳圖6.2計數(shù)模塊倒計時模塊設(shè)計原理圖如下圖計數(shù)電路選用兩片74LS192進行設(shè)計，74LS192是十進制計數(shù)器，有“異步清零”和“異步置數(shù)”功能，且有進位和借位輸出端。兩片74LS192構(gòu)成預置數(shù)的三十進制遞減計數(shù)器，計數(shù)器十位接成三進制，計數(shù)器個位接

8、成十進制，置數(shù)端A、B、C、D通過開關(guān)接高低電平，若接高電平可進行其他置數(shù)；此計數(shù)器預置數(shù)為（0011 0000）=（30）10，只有當?shù)臀欢税l(fā)出錯位脈沖，高位計數(shù)器才做減計數(shù)。1片74LS192構(gòu)成1秒減計數(shù)電路（即個位）。74LS192的引腳圖和功能表如圖所示。它的計數(shù)原理是：使加計數(shù)脈沖信號引腳CPu=1，計數(shù)脈沖加入個位74LS192引腳CPD腳，當減計數(shù)到零時，個位 74LS192的端發(fā)出錯位脈沖，使十位計數(shù)器減計數(shù)，當高、低位計數(shù)器處于全零時，在芯片74LS04和74LS03的作用下鎖住不在計時。倒計時模塊設(shè)計原理圖設(shè)計原理如下：（1）電阻 74LS192芯片的最大工作電流是34m

9、A,最小電流不定，所以在于“清零”“啟動”開關(guān)J1、J2串聯(lián)的電阻不應小于147,故我選取常見的1k電阻。（2）開關(guān)J1 開關(guān)J1的作用是置數(shù)和啟動，當開關(guān)撥向VCC端，芯片開始減數(shù)；撥向接地端，芯片預置數(shù)。（3）開關(guān)J2 開關(guān)J2的作用是異步清零，當開關(guān)撥向VCC端芯片異步清零；當開關(guān)撥向接地端，芯片處于減數(shù)狀態(tài)。（4）開關(guān)J3 開關(guān)J3的作用是暫停和連續(xù)，當開關(guān)斷開時暫停，開關(guān)閉合時連續(xù)。（5）00狀態(tài)的保持 當計數(shù)器減至00時在下一脈沖的到來后十位片的錯位點發(fā)出借位信號，借位信號為低電平0,0信號與脈沖信號相與非（由74lS03實現(xiàn)），結(jié)果輸出高電平1，后經(jīng)取反（由74LS04實現(xiàn)）得到

10、低電平0，此時無論脈沖輸入什么，得到的輸出都是0信號，芯片無法繼續(xù)減數(shù)。 圖4-4 74LS192管腳圖74LS192各個管腳功能如下：（1） 15、1、10、9管腳（P0P3）:并行數(shù)據(jù)輸入端（2） 13管腳（TCD）:借位輸出端（低電平有效）（3） 12管腳（TCu）：進位輸出端（低電平有效）（4） 4管腳CPD: 減法計數(shù)時鐘輸入端（5） 5管腳CPU：法計數(shù)時鐘輸入端（6） 14管腳MR：異步清零端（低電平計數(shù) 高電平清零）（7） 11管腳 PL：異步并行置入控制端（8） 3、2、6、7 管腳：Q0Q3輸出端（9） 8、16管腳：接地端和接VCC端74LS192功能表 輸入 輸出 CR

11、 LD CPU CPDD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 X X X X X X X O 0 0 0 0 0 X X d c b a d c b a 0 1 1 1 X X X X 保持 0 1 1 X X X X 加計數(shù) 0 1 1 X X X X 減計數(shù) 表中CR是清零端，LD是置數(shù)端，CPU是加計數(shù)時鐘輸入端，CPD是減計數(shù)時鐘輸入端，D3D2D1D0DO都是計數(shù)器預置數(shù)輸入端，Q3Q2Q1Q0都是數(shù)據(jù)輸出端，另外，C0是非同步進位輸出端，BO是非同步借位端輸出端。 74LS04管腳圖AY0110 74LS04功能表6.3譯碼顯示模塊此模塊主要借助multisim中特有的

12、一種數(shù)碼顯示管，該數(shù)碼顯示管區(qū)別于普通七段數(shù)碼管，它本身具備譯碼功能，因此可以在我們進行仿真實驗時省去譯碼電路，若要實際搭建本課程設(shè)計的電路，我們需加入相應的譯碼電路（相關(guān)譯碼器可選用如74ls47,74ls48,74ls247,74ls248等），下面給出選用74ls48譯碼器的相關(guān)引腳資料和譯碼器電路圖。74LS48是七段顯示譯碼器，其管腳圖如所示。現(xiàn)將各管腳功能介紹如下： （1）A、B、C、D是BCD碼的輸入端。（2）a,b,c,d,e,f,g是輸出端。 （3）試燈輸入端：低電平有效。當0時，數(shù)碼管的七段應全亮，與輸入的譯碼信號無關(guān)。本輸入端用于測試數(shù)碼管的好壞。 （4）動態(tài)滅零輸入端：

13、低電平有效。當1、0、且譯碼輸入為0時，該位輸出不顯示，即0字被熄滅；當譯碼輸入不全為0時，該位正常顯示。本輸入端用于消隱無效的0。如數(shù)據(jù)0034.50可顯示為34.5。（5）滅燈輸入/動態(tài)滅零輸出端：這是一個特殊的端鈕，有時用作輸入，有時用作輸出。當作為輸入使用，且0時，數(shù)碼管七段全滅，與譯碼輸入無關(guān)。當作為輸出使用時，受控于和：當1且0時，0；其它情況下1。本端鈕主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器之間的連接。本設(shè)計將、都置高電平。 74LS48管腳圖 顯示原理圖共陰數(shù)碼管選用限流電阻的原理：LED一直工作在最大額定值。所以正向電流IF最大額定值（一般是30mA）。根據(jù)常識我們可以知道，電流

14、大，LED發(fā)光強，但消耗的功率大。電流小，LED發(fā)光小，消耗的功率小。通常電路用LED是做指示用途，電路的總體功耗要控制，不能都消耗在指示燈上，當然還要考慮電源的功率要滿足后面電路功耗的要求，并且最好要有富裕。所以這個LED的正向電流我們選取20mA，正向壓降為3.3V。限流電阻可以根據(jù)下式計算： 限流電阻=（電源電壓-LED正向穩(wěn)壓電壓）/要求的工作電流選取IF=20mA，VF=3.3V，電源電壓Vcc=5V:限流電阻=（5V-3.3V）/20mA=85歐姆 通常取個好一點的值（也就是相近阻值的電阻），R=100。在進行本課程設(shè)計時，我們可以在multisim軟件上進行仿真，因此我們可以選擇

15、自帶譯碼功能的理想數(shù)碼管簡化電路從而得到實驗結(jié)果。仿真數(shù)碼管顯示電路如下理想數(shù)碼管仿真電路6.4報警模塊電路當計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不滅燈，同時發(fā)出光電報警信號等。完成報警功能在進行multisim仿真的時候應該給發(fā)光二極管加一個限流電阻。電路如圖所示。光電報警電路6.5控制電路控制電路是30S倒計時設(shè)計的核心，電路如圖2-6(a)(b)(c)所示。圖（a）中，用2與非門組成基本RS觸發(fā)器，開關(guān)sw1控制計數(shù)器的置數(shù)，當SW1閉合時觸發(fā)器直低電平，送至74LS192的LD端和UP端，計數(shù)器的LD=0，計數(shù)器預置數(shù)，反之，計數(shù)器啟動處于技術(shù)工作狀態(tài)。 圖(b)開關(guān)SW2控制計數(shù)器的暫停

16、/計數(shù)。74LS11輸出接74LS192（2）的DWN端。當SW2下合時，觸發(fā)器輸出低電平，與十位74LS192（1）的13腳BO端輸出的高電平和555定時器輸出的時鐘脈沖一起通過三與門，使得三與門輸出低電平，送至74LS192（2）的4腳DWN端，令計數(shù)器停止工作。顯示器上保持原來的數(shù)不變，當SW2合上時，74LS11門電路打開，脈沖信號送入計數(shù)器的減脈沖輸入端，計數(shù)器繼續(xù)累計計數(shù)。圖（C）中，開SW3控制計數(shù)器清零，SW3=”1”（合下）時，接高電平輸出，送至74LS192集成電路CLR端，計數(shù)器清零，反之，正常計數(shù)。 7總結(jié)本設(shè)計包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼與顯示電路、報警電路和控制電路（輔助時序控制電路）等五個部分組成。計時電路遞減計時，每隔1秒鐘，計時器減1其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成30秒計時功能，而控制電路完成計數(shù)器的直接清零、啟動計數(shù)器、暫停/連續(xù)計數(shù)、定時時間到報