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1、` 一、 概述 在篮球比赛中，规定了一方的持球时间不能超过30秒，否则就被判做犯规。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，就可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒进行限制。一旦球员的持球时间超过了30秒，计时器便自动报警。 30秒计时器不仅可用于篮球比赛中，生活中也有许多地方可以用到，比如通过对预置时间的更改，可以用于辩论赛等场合。 此次课设设计了一个篮球竞赛30秒计时器电路。它由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和时序控制电路五个部分组成。通过控制电路来完成计时器的直接清零、启动、计数、暂停/连续等功能。计时器为30秒递减计时器，其时间间隔为1秒；计时器递减到零时，数码
2、显示器不能灭灯，持续发光报警。并自行设计直流稳压电源。 这次实践，旨在增强学生思考问题，解决问题，以及将知识运用于实际的能力，作为一名学生应该好好珍惜这样的机会。 二、 方案论证 图1 篮球竞赛30秒计时器原理框图 30秒计时器的原理框图如图1所示。30秒计时器主要由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、时序控制电路和报警电路5部分构成。计数器完成30秒减计时功能，而控制电路是控制计时器的直接清零、启动、计数、暂停/连续功能等功能。操作清零开关时能够使计数器清零并使显示器显示“00”，报警灯发光；
3、当启动开关闭合时，控制电路应封锁脉冲信号，同时计数器完成置数功能，显示器显示“30”；当启动开关断开时，计数器开始计数；当暂停/连续开关闭合时，控制电路封锁脉冲信号，计数器处于封存状态，计数器停止计数；当暂停/连续断开时，计数器连续累计计数；当计数器递减计数到零时，报警灯发出报警信号。 三、 电路设计 1. 直流稳压电源电路 直流稳压电路由电压变压器、整流滤波电路及稳压电路组成，结构框图如图2所示。 变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 交流输入 直流
4、输出 图2 直流稳压电源电路构成 电压变压器的作用是将电网220的交流电压变成整流电路所需要的交流电压，通常为降压变压器。整流电路是将输入的交流电压变换为单向脉动电压和电流，这是还需在整流电路的输出端接入滤波电路滤除交流分量，使输出为平滑的直流电压。稳压电路的作用是将滤波电路输出的电压经稳压后，输出较稳定的电压。直流稳压电源的电路图如图3所示。 图3 直流稳压电路图 2.计数器电路 本实验中计数器选用中规模集成电路74192进行设计，74192是十进制同步
5、加法/减法计数器，它采用8421BCD码二-十进制编码，其功能表如表1所示。 表1 74192的功能表 CPU CPD CR 操作 × × 0 0 置数 ↑ 1 1 0 加计数 1 ↑ 1 0 减计数 × × × 1 清零 74192的引脚图如图4所示。 结合整机电路（见附录I）可看出,当J3接5V时，CR为高电平，计时器清零；当J3接地时，CR为低电平、LD为低电平时，D0-D3端输入的数据d0-d3被置入计数器，Q3Q2Q1Q0=d3d2d1d0。当C
6、R为低电平，LD为高电平时，如果CPD为高电平，由CPU端输入计数脉冲，进行加计数。如果CPU为高电平，由CPD端输入计数脉冲，则进行减计数。如果CPU和CPD端都为高电平，计数器保持状态不变。用两片74192实现30秒定时器的计数如图5所示。当J3接地时（即CR=0），同时启动开关J2打向下端时，两片74HC192的LD=0,计数器置30秒.当J2打向上端时，LD=1，计时器工作，CPD端输入秒脉冲时进行减数。当计时器计时到0时，BO1和BO2同时输出低电平0。 图4 74192引脚图 BO 接显示器
7、 接显示器 脉冲信号 图5 三十进制减法计时器 3. 时序控制电路 图6是时序控制电路。J1是暂停/连续开关。开关J1打向右端时，U3输出高电平，控制门U4打开，秒脉冲信号可以通过控制门U4使计数器进行减数；开关J2打向左端时，U3输出低电平，U4门关闭，秒脉冲信号被封锁，计数器处于锁存状态。计数器完成30秒倒计时或清零后，BO为低电平，二极管发光，同时U1门关闭，计数器不再进行计数，并显示“00”。
8、 脉冲信号BO秒脉冲 图6 时序控制电路 4.秒脉冲信号产生电路 LM555秒脉冲发生器的振荡周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C，振荡频率f=1/T=1/﹝0.7（R1+2R2）C﹞≈1.43/﹝(R1+R2)C﹞。本实
9、验需要的周期是1s，计算出较为稳定的电阻电容值为：R1=20.4kΩ,R2=20.8kΩ, C1=100nF ,C2=2.2μF。LM555秒脉冲发生器由555集成定时器构成，其引脚图如图7所示。脉冲 信号产生电路如图8所示。 图7 LM555引脚图 秒脉冲 图8 脉冲信号产生电路 5.译码和数码显示电路 译码器将各级十进制计数器的计数结果进行二-十进制译码，并驱动数码管用十进制符号显示出来。译码显示器如图9所示。 图9 译码显示器 为保护显示器，使显示器与电阻
10、串联，其电路图如图10所示。 接计时器 图10 译码和数码显示电路 6.报警电路 当计数器递减计数到零 ( 即定时时间到 )或直接清零时 ,显示器显示“00”，计数器保持零状态不变 ,BO输出为低电平，此时+5V电源经10k电阻使发光二极管导通并发出红光电报警信号,完成报警功能。报警电路如图11所示。 接计时器 BO 脉
11、冲信号 图11 发光报警电路 四、 性能的测试 1.直流稳压电源测试 将万用表接到直流稳压电源上，进行仿真，其电路如图12所示。万用表测试结果显示的数据如图13所示。 图12 直流稳压电源测试电路 图13 万用表的测试结果 万用表的数据显示为5.007V，即所设计的直流稳压电源的输出电压为5.007V，非常接近5V,所以可认为此直流稳压电源合格。 2.脉冲信号发生器测试 将示波器连接到脉冲信号发生器上，进行仿真，其电路如图1
12、4所示。示波器上所观察的波形如图15所示。 图14 脉冲信号发生器测试电路 图15 示波器测试所显示波形 示波器所显示波形的周期为94.129ms，即所设计的信号发生器的输出信号周期为94.129ms，其信号频率非常接近1HZ，所以此信号发生器合格。 3.整体电路测试 （1）预置30秒 对电路进行仿真，将J2打向下端（接地端），J3打向上端（接地端），J1打向右端。此时LD为低电平，显示器显示“30”，其仿真结果如图16所示。
13、 图16 30秒置数仿真结果 从显示器显示“30”可以得知，整个电路可圆满完成置数功能。 （2）暂停/连续功能 当置数30秒完成后，J2打向上端，计时器开始计时。计时开始后，暂停/连续开关J1打向右端时，U3输出高电平，控制门U4打开，秒脉冲信号可以通过控制门U4使计数器进行减数，实现连续功能；开关J1打向左端时，U3输出低电平，U4门关闭，秒脉冲信号被封锁，计数器处于锁存状态，实现暂停功能。J1打向左端时暂停功能的仿真结果如图17所示，J1打向右端时连续功能的仿真结果如图18所示。
14、 图17 暂停功能的仿真结果 图18 连续功能的仿真结果 从图17的仿真结果可以看出，在减计时过程中，将J1打向左端时（此时显示器显示“10”），U3输出低电平，U4门关闭，秒脉冲信号被封锁，计时器停止计时，且显示器显示结果保持不变（此时继续保持显示为“10”）。 从图18的仿真结果可以看出，当J1打向左端后（即处于暂停状态），再将J1打回右端，U3输出高电平，控制门U4打开，秒脉冲信号
15、可以通过控制门U4，此时显示器显示“09”，并继续递减，从而实现连续功能。 根据以上结果可得出电路能够成功实现暂停/连续功能的结论。 (3)报警功能 当计时器计时到零时，显示器显示“00”，此时计时器的BO端输出低电平，发光二极管自动导通，发出红色报警信号。报警显示如图19所示。图20为发光二极管报警时的局部放大图。 图19 报警功能仿真结果 BO端 接+5V 接U1 图2
16、0 报警时发光二极管的局部放大图 （4）清零报警功能 计时器递减计时过程中（该过程中J2保持打向上端不变，J1保持打向右端不变），将开关J3打向下端（接高电平），此时CR为高电平，计时器清零，显示器显示“00”，报警器发出红色报警信号。清零仿真结果如图21所示。 图21 清零功能仿真结果 仿真结果表明将J3打向下端后，显示器自动清零，显示“00”，并且此时报警器报警。电路能成功完成清零功能。 五、 结论 根据实验要求，本设计方案
17、圆满完成了设计要求和各项技术指标。电路结构较为简单，条理清晰，准确度较高。脉冲发生器使用的是555振荡电路，通过对器件参数的调整，使其精度和稳定程度都有较高保证。如果能够通过分频电路来代替555信号发生器的话，产生秒脉冲计时信号能够更加稳定和精准。 六、 性价比 综合各种因素来看，该方案所设计的电路比较经济实惠。虽然由于该电路中的元气件价格低廉但电路的总体性能比较稳定，效果很好，由此可见该方案的性价比还是很高的，若把该方案所设计的电路做成实物图完全可以应用到篮球比赛中。 七、 课设体会及合理化建议 这个设计方案的出台离不开对资料的查询，在查找资料的过程中我学会了如何查找文献资料
18、并把信息运用到自己的设计方案中去。在以后的学习和生活过程中，会遇到许多困难和疑惑，我们应该充分利用现有资源来解决现实中的问题。这次实验也让我对所学的知识有了更多理性和感性的认识，把所学运用到生活中去解决问题具有一种愉悦感和成就感。在连接实物图和仿真的过程中也遇到了不少问题，通过自己的努力最终解决了出现的各种问题，在这解决问题的过程中使我学到了许多以前不太了解的知识，同时也培养了思考问题的习惯。同时，遇到困难时，要勇于向老师和同学请教。 总之，在这次实验过程中，我收获颇丰。在过程中我得到了锻炼，动手动脑的能力得到了加强，学到了许多书本上学不到的知识。 参考文献 [1]毕满清主编.电
19、子技术实验与课程设计（第三版）.[M]北京：机械工业出版社，2005年 [2]朱定华主编.电子电路测试与实验.[M]北京：清华大学出版社，2004年 [3]杨志忠主编.电子技术课程设计.[M]北京：机械工业出版社，2008年 [4]朱修文主编.实用电子电路设计制作.[M]北京：中国电力出版社，2005年 [5]路勇主编.电子电路实验及仿真.[M]北京：北京交通大学出版社，2004年 附录I 总电路图 附录II 元器件清单 序号 编号 名称 型号 数量 1 U5 U6 可逆十进制计数器 74192 2 2 U
20、3 U4 二输入一输出与非门 74LS00N 2 3 U1 U2 二输入一输出与门 74LS08 2 4 U9 555振荡器 LM555CM 1 5 LED1 发光二极管 LED灯 1 6 C1 C2 C3 C4 C5 电容 100pF 1 2μF 1 1mF 1 22μF 1 100nF 1 7 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 电阻 20.4KΩ 1 18.8KΩ 1 10KΩ 3 4*100Ω 2 600Ω 1 8 J1 J2 J3 开关 Key space 3 9 U7 U8 显示器 DCD-HEX-DIG-RED 2 10 D2 D3 D4 D5 二极管 1N4001 4 沈阳航空航天大学 课 程 设 计 （说明书） 篮球竞赛30秒计时器设计 班级 / 学号 14060402/2011040604072 学 生 姓 名 荣柏林 指 导 教 师 孙琦 18
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