篮球比赛计时器设计.doc

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课 程 设 计

课程名称 数字电子技术
课题名称 篮球竞赛计时系统
专 业 自动化
班 级 0701
学 号 10
姓 名 胡吉全
指导教师 郭照南

2010 年 5 月 24 日

湖南工程学院
课程设计任务书

课程名称: 数字电子技术
题 目：篮球竞赛计时系统

专业班级: 自动化0701 班
学生姓名：胡吉全 学号：10
指导老师： 郭照南
审 批:

任务书下达日期 2010年5月24日星期一
设计完成日期 2010年6月4日星期五

设计内容与设计要求
一． 设计内容：
设计制作一个篮球竞赛计时系统：
1、具有显示每节12分钟比赛时间的倒计时功能； 具有显示 24S 倒计时功能：用四个数码管分别显示分、秒，其计时间隔为1S。并用四个LED分别自动指示比赛节数
2 、设置启动键和暂停/继续键，分别控制两个计时器的直接启动计数,暂停/继续计数功能。
3、设置复位键：按复位键可随时返回初始状态,时间显示电路显示分别为12。00和24S。
4、计时器递减计数到‘00。00’时，计时器停止工作,并给出报警信号.
5、功能扩展（自选）；
二． 设计要求：
1． 设计思路清晰，给出整体设计框图；
2． 设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；
3． 总电路设计；
4． 安装调试电路;
5． 写出设计报告；

主要设计条件
1. 提供直流稳压电源、信号源、示波器等仪器；
2. 提供各类TTL集成电路芯片、电阻、电容及插接件等元器件.
3. 提供电子综合实验装置。

说明书格式
1、 课程设计封面；
2、 课程设计任务书；
3、 说明书目录;
4、 设计总体思路,基本原理和框图；
5、 单元电路设计（各单元电路图)；
6、 总电路设计（总电路图）；
7、 安装、调试步骤；
8、 故障分析与电路改进；
9、 总结与设计调试体会;
10、 附录（元器件清单）;
11、 参考文献；
12、 课程设计成绩评分表。
注意：课程设计报告说明书要求用16开纸打印！

进 度 安 排
第一周:
星期一 上午 安排任务、讲课。
星期一～星期二：查资料、设计
星期三～星期四:设计仿真<四楼现代设计实验室〉
星期四:领元件〈四楼电子综合实验室〉
星期四~星期五 调试电路;
第二周：
星期一～星期四 安装调试电路;〈四楼电子综合实验室〉
星期五 写总结报告,答辩;

参 考 文 献
《电子技术课程设计》 历雅萍、易映萍编
　《电子技术课程设计指导》 彭介华 主编 高等教育出版社
《电子线路设计、实验、测试》 谢自美主编 　华中理工出版社。

目录

第一章 设计总体思路、基本原理和框图
1、设计思路………………………………………………8
2、基本原理………………………………………………9
3、总体设计框图…………………………………………10
第二章    单元电路设计（各单元电路图)
1、秒、分倒计数器的设计……………………………11
2、显示器的驱动设计……………………………14
3、节次控制电路的设计………………………………14
第三章 总电路设计(总电路图）………………………15

第四章 安装、调试步骤……………………………16

第五章 测试和结果分析………………………………17

第六章 总结与设计调试体会…………………18
第七章 附录（元器件清单）………………………19

第一章、设计总体思路、基本原理和框图

一、设计概要：
1、篮球竞赛计时器主要有五个功能部分：
（1）脉冲发生电路：实验箱中有自带脉冲发生器，所以在此没有重新设计此电路.
（2）12分钟倒计时：一节比赛总时间是12分钟，所以比赛开始时，时间显示为12:00，开始后以秒为单位开始倒减，直到00：00。这部分的中心芯片选用74ls192，它是十进制的加减计数器,选用减数管脚，然后以级联的方式相连，用后面芯片的借位信号当做前一芯片的减数脉冲,如此类推，即可实现时间的分、秒、时的递减.
（3）24秒倒计时:24秒是一次进攻的时间，也需要倒计时，所以跟12分钟倒计时相似，进攻开始时时间显示24,开始后总时间从24开始递减直至00,所以也可以选用74ls192来实现这个模块的功能，同样选用减数管脚和级联的方式.
(4）节次显示：一场篮球比赛总共分为四节，所以要求用四个LED分别来表示四节比赛的节数，在此可以选用D触发器来进行移位显示。
（5)警报：用二极管灯亮来表示警报,警报要求不论哪个时间倒计时到零，相应的二极管则被自动点亮，表示此时间已到，相应的本节比赛或本次进攻时间已到。当某部分时间到零时，最高位的74ls192的BO端口会出现低电平，可
用它来点亮二极管，从而起到警报作用.
二、基本原理
1、倒计时电路:在比赛工程中对时间的置数、复位、清零、暂停与继续工作均由手动完成。比赛开始之际,按复位开关，则比赛时间停在24和12：00，当比赛正式开始，再按暂停/继续开关来开始比赛，此时时间开始以秒为单位开始倒计时，当在24秒进攻时间里面有暂停需要，则等裁判吹哨同意后可按暂停/继续开关来暂停时间，时间则停在即时时间不在变化（24秒与12分钟的时间均暂停)，暂停结束之后重新回到比赛,则再按暂停/继续开关来让时间继续倒计时.当24秒倒计时到零,则进攻时间结束，换另一方进攻,此时按24秒电路的复位开关使进攻时间重新置为24，再进行另一轮的进攻。12分钟的倒计时电路开始计时同24秒，不同的是在倒计到00：00时是不要复位的,而暂停则与24秒倒计时电路同时暂停，当计时到00：00，则表示一节比赛结束,当下一节比赛开始时按复位开关进行复位。
（1）暂停与继续的实现:把开关引出的信号通过锁存器,再把脉冲输出信号同时通过与非门，再通过一个非门，然后分别接到24秒与12分钟倒计时电路的最低位的减数管脚，而192需要上升沿才会减一，则开关为零电平时则可以让减数管脚停在低电平从而停止计数。还有就是当某个时间倒计时到零时也要求能自动暂停,则还要把两个倒计时电路的最高位的BO端也要同时接入与非门，这样不论是哪个时间倒计时到零或者是开关需要暂停都可以实现。
（2）复位功能的实现:24秒和12分钟都需要分别复位功能，74ls192芯片都有复位管脚，则可以设置两个复位开关与各自的复位管脚相连，由芯片的管脚功能可知，74ls192的复位管脚是低电平复位，所以当开关打在接地端时，可以对时间进行复位。
（3）清零功能实现：应为12分钟时比赛总时间,要一直倒计时到零,故不需要清零处理，而24秒则不同，因为可能总比赛时间已经结束，而最后一次的进攻时间还有多余,此时就要用到清零功能，而清零功能实现很简单,只要用开关控制芯片的清零管脚即可。
（4）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， 12分钟重置时，电路自动移位指示节次。
（5）警报功能的实现:在此设计中的警报即是在任意计时器计时到零是相应的LED被点亮。此时自然我们会想到显示时间的最高位的借位信号，即BO管脚,当需要借位时,BO管脚处即会出现一个下降沿信号,而前面已经讲到BO端同时会被接到暂停用的与非门,所以此时计数器将会暂停计数，则此时BO处将被置定为低电平,此时则可用这个电平来点亮LED，达到报警的作用.

三、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
报警电路
四节显示

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.
第二章、   单元电路设计(各单元电路图）

一、秒、分倒计时电路设计
1、24秒倒计时电路设计：
24秒的计时电路采用十进制的74LS192的级联方式来实现，首先把各个输入管脚接成相应的2和4，再把芯片的置位管脚（LOAD）接到一个开关上,用此来完成置位功能。当计时开始直至个位芯片计数到零，个位芯片的BO端会发出下降沿信号，此信号可把它用来当做十位上芯片的脉冲信号,从而使十位递减完成倒计时功能。计数器的倒计时功能.
24秒倒计时电路如图：

2、十二分倒计时电路设计
12分钟倒计时电路芯片同样采用级联方式,即低位的芯片的借位管脚接上一位芯片的脉冲输入管脚(也即减数管脚DOWN），使下级的芯片的借位脉冲成为上一级的输入脉冲，也即减数脉冲，从而达到递减功能。同时输入管脚也接成相应的初始数据12：50，此时为什么第三块芯片要接成5呢，因为12分钟的秒计时器不在是十进制计数了,而应该是60进制计数了，当时间从12：00开始，减一就必须变成11:59，所以第三块芯片必须要置成5，再从五开始减数直至零。那么第三块芯片怎么一下从0变成5呢，这就需要置位,而且是从12：00减一秒后就置位，我们知道,计数器从零减一就会变成9,此时第三块芯片的输出管脚输出的也是9，也就是1001,这就可以利用1001的D3位的1，通过取反接到第三块芯片的置位管脚进行强制置位，而一开始必须显示的零就可以通过清零管脚清零实现。

12分钟倒计时电路如下：

二、 显示器的驱动设计
译码电路的功能是将“秒"、“分"计数器的输出代码进行翻译,在显示管上变成相应的数字。但本次试验，试验箱中本来带有四管脚的显示器(显示器中本身是带有译码电路的），故不用译码可直接相连进行驱动。
三、节次控制电路的设计
节次控制电路图:

   这四个D触发器从左至右依次为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。(若需开关动作,可直接四个LED被四个开关直接控制）。

第三章、 总设计（总电路图)

简要说明：左边第一个开关的作用是对24秒进行置数（复位）.左边第二个开关是对24秒进行清零。 左边第三个开关是对整个时间进行暂停和继续控制。左边第四个开关是对12分钟的置数开关。

第四章 安装、调试步骤

1、在模拟软件上进行模拟成功之后，确定所需芯片器材.
2、对芯片器材进行测试,看是否有损坏等问题。
3、确定好电路板规格,在电路板上排定芯片位置，再测试整体通电情况。
（因为接线比较多,所以芯片的排定一定要合理)
4、对电路进行连线。
（连线过程中切忌整体一起连，因为这样不利于故障出现时排故，而芯片之间单独连接，且及时连接及时测试会让以后的工作简单很多)
5、接线完成以后进行通电测试,看是否符合要求.
6、排错检测，查看错误来源及时改正.
在实际接线过程中主要存在以下值得注意的问题：（1）带电操作导致导线或芯片烧坏.（2)芯片与电路板连接不好导致电路不通。（3）导线插接不好中途脱落导致短路。(4)在接线过程中不小心导致的短路或其他连接错误.
7、整体综合连接,测试整体性能。

第五章 性能测试和结果分析
经过测试，此篮球竞赛计时器可实现以下功能：
1、分别对24秒和12分钟计时电路启动和置数（复位）。
2、对24秒计时器的清零.
3、对24秒和12分钟暂停与继续。
4、计时时间到时自动报警。
5、比赛四节的显示.
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。

第六章 总结与设计调试体会
课程设计是对我们知识掌握程度的一种检测。这次用数字电子技术来设计篮球竞赛计时器相对来说还不是很难，关键是对芯片的功能与引脚的掌握和了解。
两周的时间让我又重新温故和学到了很多东西，特别是让我对专业知识有了更大的兴趣和信心,我觉得虽然大三了，但现在为时未晚，只要自己有了信心和兴趣，我相信，一切都会事半功倍的.在这次课程设计过程中，我发现动手能力是相当重要的，比如说在软件上模拟出来的东西在现实中不一定那么轻松就可以完成，甚至在现实生活中不一定就实用，所以要有一定的动手能力来解决这些问题。就拿这次的设计内容来说吧，模拟出来以后在实验箱中接线时发现那是一个庞大烦琐的工程，线多且挤,而且接上去以后不稳定，说掉就掉了,找出来比较困难,所以在接线上用的时间是最多的，这就不得不要有耐心和比较灵活的双手了。
这次设计只完成了基本要求的部分，其中包含有24秒和12分钟的倒计时，暂停,继续，置位复位和清零，另外还有到零警报和四节的显示。当然其中最难的是倒计时部分,具体原理这里就不再重复了，其实各种功能有多总实现方式，只要符合题目要求就是方法，所以我觉得不要有思维的局限性，先达到要求再力求最简。设计是一个由总到分由粗到细的过程，所以我首先想到的不是以什么样的芯片和方式来实现倒计时，而是想到整体的一个格局：24秒和12分的分工合作情况，功能键的控制安排情况,心理首先有一个大概框架后再去具体考虑该怎样让它倒计时怎样让它暂停与复位.
调试其实就是一个检查修改的过程，在这个阶段查看设计的电路图的正误,看是否符合要求,若符合要求,看能否进一步改进，若不符合则作修改，在这个设计中在调试中出现的主要问题是芯片与线路烧坏，数码管不能很好显示,线路连接困难等,所以在接线时注意要断开电源。
最后，对老师在课程设计中给予的指导表示衷心的感谢！

第七章 附录（元器件清单）

元件名称
规格及作用
数量
74LS192
十进制减计时器
6
七段数码显示器
共阴极
6
74LS00
四路二输入与非门
1
发光二极管
普通
5
74Ls20
二4输入与非门
1
CC4069
六反相器
1
开关
普通
2
开关
单刀双匝
2
导线
连接
若干

课程设计评分
项 目
评 价
设
计
与
总
结
报
告
方案设计与论证

单元电路设计与合理性

电路图

测试结果的分析

特色与创新

实际制作完成情况

答辩情况

过程监控情况

综合评分

指导教师签名：________________
日 期：________________

注: 此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序:封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
电气与信息工程系课程设计评分表
项 目
评 价
设计方案的合理性与创造性

硬件制作或软件编程完成情况＊

硬件制作测试或软件调试结果*

设计说明书质量

设计图纸质量

答辩汇报的条理性和独特见解

答辩中对所提问题的回答情况

完成任务情况

独立工作能力

组织纪律性（出勤率）

综合评分

指导教师签名：________________
日 期:________________

注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单)。