篮球比赛30秒倒计时电路设计.doc

EDA设计
篮球竞赛30s倒计时的设计
1课程设计背景
二十一世纪，人类迈入信息时代，电子科学技术在人们生活中的运用越来越普遍。运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，计时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。
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。
该款计时器是在原来的基础上把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，它自动的报警从而判定此球员的犯规。
本设计是74LS192芯片作为减数功能的30秒倒计时计数器。该计数器主要包括555构成的震荡电路，74LS192模块，数码管等模块单元。经测试，计数器可实现显示30秒倒计时功能，系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动功能，发出光电报警信号。该设计电路简单、使用方便，功能稳定多样，具有很强的实用价值。
2课题设计要求
（1具有显示30S的计时功能；
（2）设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动和暂停/连续功能；
（3）计时器为30S递减计时器，其计时间隔为1S；
（4）计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，应发出光电报警信号
3设计任务及目标
（1）根据给出的电路原理图分析各单元电路的功能；
（2）熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能；
（3）进行电路的安装、调试，直到电路能达到规定的设计目标；
（4）写出完整、详细的课程设计报告。

4课题设计框图
秒脉冲发生器
计数器
译码显示
报警电路
控制电路
外部操作开关

5电路设计
5.1设计原理
分析设计任务，该系统包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路5个部分构成。其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30秒倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的清零，启动和暂停/连续功能、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能。为满足设计要求，设计控制电路及控制开关时，应该正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零时，要求计数器清零，数码显示器为零。当置数开关闭合时，控制电路应该封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样。当启动开关闭合时，计数器开始进行递减计数；当暂停/连续开关断开计数器停止计数，处于保持状态；当暂停/连续开关闭合时，计数器继续递减计数。当计数器递减计数到零时（即定时时间到），控制电路发出报警信号。
5.2设计方案
用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为1Hz的脉冲，即输出周期为1秒的方波。利用2个74LS192作为计数模块，最后通过两个带有译码功能的数码管显示。
6单元模块
6.1脉冲模块
利用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供时钟秒脉冲。555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器C1输出翻转，输出电压为零，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过R1、R2又开始充电；周而复始，形成振荡。则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响
计算公式（T1 电容C充电时间，T2 电容C放电时间， q占空比）
T1=R1Cln2
T2=R2Cln2
q=R1/R1+R2
T=T1+T2
为使占空比达50%、T=1s两个电阻应当取值一致，C依经验取值10uf，抗干扰电
容C2 去0.1uf，则通过计算R1 R2 应当取值为72KΩ。

555多谐振荡电路图

秒脉冲仿真图

芯片NE555
NE555是时基集成电路它在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。 下图是NE555的内部功能原理框图和内部管脚图。

NE555内部管脚图
6.2计数模块
倒计时模块设计原理图如下图
计数电路选用两片74LS192进行设计，74LS192是十进制计数器，有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。两片74LS192构成预置数的三十进制递减计数器，计数器十位接成三进制，计数器个位接成十进制，置数端A、B、C、D通过开关接高低电平，若接高电平可进行其他置数；此计数器预置数为（0011 0000）=（30）10，只有当低位端发出错位脉冲，高位计数器才做减计数。1片74LS192构成1秒减计数电路（即个位）。74LS192的引脚图和功能表如图所示。它的计数原理是：使加计数脉冲信号引脚CPu=1，计数脉冲加入个位74LS192引脚CPD脚，当减计数到零时，个位 74LS192的端发出错位脉冲，使十位计数器减计数，当高、低位计数器处于全零时，在芯片74LS04和74LS03的作用下锁住不在计时。

倒计时模块设计原理图
设计原理如下：
（1）电阻 74LS192芯片的最大工作电流是34mA,最小电流不定，所以在于“清零”“启动”开关J1、J2串联的电阻不应小于147Ω,故我选取常见的1k电阻。
（2）开关J1 开关J1的作用是置数和启动，当开关拨向VCC端，芯片开始减数；拨向接地端，芯片预置数。
（3）开关J2 开关J2的作用是异步清零，当开关拨向VCC端芯片异步清零；当开关拨向接地端，芯片处于减数状态。
（4）开关J3 开关J3的作用是暂停和连续，当开关断开时暂停，开关闭合时连续。
（5）00状态的保持 当计数器减至00时在下一脉冲的到来后十位片的错位点发出借位信号，借位信号为低电平0,0信号与脉冲信号相与非（由74lS03实现），结果输出高电平1，后经取反（由74LS04实现）得到低电平0，此时无论脉冲输入什么，得到的输出都是0信号，芯片无法继续减数。

图4-4 74LS192管脚图

74LS192各个管脚功能如下：
（1） 15、1、10、9管脚（P0~P3）:并行数据输入端
（2） 13管脚（TCD）:借位输出端（低电平有效）
（3） 12管脚（TCu）：进位输出端（低电平有效）
（4） 4管脚CPD: 减法计数时钟输入端
（5） 5管脚CPU：法计数时钟输入端
（6） 14管脚MR：异步清零端（低电平计数 高电平清零）
（7） 11管脚 PL：异步并行置入控制端
（8） 3、2、6、7 管脚：Q0~Q3输出端
（9） 8、16管脚：接地端和接VCC端

74LS192功能表

A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0

74LS03功能表

74LS04管脚图

A
Y
0
1
1
0
74LS04功能表
6.3译码显示模块
此模块主要借助multisim中特有的一种数码显示管，该数码显示管区别于普通七段数码管，它本身具备译码功能，因此可以在我们进行仿真实验时省去译码电路，若要实际搭建本课程设计的电路，我们需加入相应的译码电路（相关译码器可选用如74ls47,74ls48,74ls247,74ls248等），下面给出选用74ls48译码器的相关引脚资料和译码器电路图。
74LS48是七段显示译码器，其管脚图如所示。现将各管脚功能介绍如下：
（1）A、B、C、D是BCD码的输入端。
（2）a,b,c,d,e,f,g是输出端。
（3）试灯输入端：低电平有效。当＝0时，数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏。
（4）动态灭零输入端：低电平有效。当＝1、＝0、且译码输入为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。本输入端用于消隐无效的0。如数据0034.50可显示为34.5。
（5）灭灯输入/动态灭零输出端：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当作为输入使用，且＝0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。当作为输出使用时，受控于和：当＝1且＝0时，＝0；其它情况下＝1。本端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。本设计将、、都置高电平。

74LS48管脚图

显示原理图
共阴数码管选用限流电阻的原理：
LED一直工作在最大额定值。所以正向电流IF≤最大额定值（一般是30mA）。根据常识我们可以知道，电流大，LED发光强，但消耗的功率大。电流小，LED发光小，消耗的功率小。通常电路用LED是做指示用途，电路的总体功耗要控制，不能都消耗在指示灯上， 当然还要考虑电源的功率要满足后面电路功耗的要求，并且最好要有富裕。所以这个LED的正向电流我们选取20mA，正向压降为3.3V。
限流电阻可以根据下式计算： 限流电阻=（电源电压-LED正向稳压电压）/要求的工作电流 选取IF=20mA，VF=3.3V，电源电压Vcc=5V:限流电阻=（5V-3.3V）/20mA=85欧姆  通常取个好一点的值（也就是相近阻值的电阻），R=100Ω。
在进行本课程设计时，我们可以在multisim软件上进行仿真，因此我们可以选择自带译码功能的理想数码管简化电路从而得到实验结果。
仿真数码管显示电路如下

理想数码管仿真电路
6.4报警模块电路
当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。完成报警功能在进行multisim仿真的时候应该给发光二极管加一个限流电阻。电路如图所示。

光电报警电路
7总结
本设计包括秒脉冲发生器、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。计时电路递减计时，每隔1秒钟，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30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、定时时间到报警等功能。当计时器递减计时到零（即定时时间到）时，显示器上显示00，同时发出光电报警信号。
附录

30s倒计时电路图
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