课程设计--足球换人显示牌设计.docx

电子课程设计报告
——足球换人显示牌设计

重庆大学电气工程学院
2015年6月

摘要

在足球比赛中，双方球队经常有换人的情况，由于比赛场太大不便喊话，且不易听清楚，因此，通过举示号牌的方式显示换下场队员和换上场队员，同时也可告知众人。换人号牌显示状态有： 队员号用绿色显示——表明换上场队员、队员号用红色显示——表明换下场队员。由于换人时换上场队员已站在举牌裁判旁边，该队的场上队员便知道是几号队员换下场，便达到换人告示的目的。

裁判宣布换人上、下场之后，可拨动该换人显示牌的总开关，显示牌上便会显示预先设定好的上、下场球员号码，并且同时开始25秒的计时。计时到达20秒时，显示牌上的球员号码会闪烁，同时会有声响发出，以催促球员尽快上、下场；25秒时，计数停止，裁判可拨动总开关对计时器清零复位，同时将手动换组开关切换至第二组球队，同第一组过程类似实现换人显示。

该显示牌电路主要由数据选择器、显示译码器、拨码开关、计数器、秒脉冲发生器、LED驱动和交/直流转换部分构成。数据选择器和拨码开关实现对上、下场球员号的预置；打开总开关后，译码器会输出相应的数码驱动LED的相应字段，将上、下场队员号码显示在屏幕上，同时定时器部分开始工作，到相应时间会有闪烁和报警提示。另外，该显示牌可以直流供电，但在条件有限的情况下，可接上交流电源，转化为直流对器件里的蓄电池进行充电，然后放电供给该显示牌。

总体设计由各个模块的设计搭建而成，并在计算机Multisim中实现仿真，最后进行元件焊接。下文将对各个模块逐一介绍。

关键字：足球换人显示牌 计数器 数据选择器 显示译码 LED驱动

目录
1.设计模块及其任务 4
1.1．总体功能及其任务 4
1.2 选号和译码 4
1.3 计时器 5
1.3.1 同步计数 5
1.3.2 秒脉冲发生器 5
1.4 交/直流供电 6
1.5 报警电路 6
1.6 LED驱动电路 6
2.设计原理和功能分析 7
2.1 74LS157选号 8
2.2 74LS48译码 9
2.3 74LS160计数 10
2.4 555定时器构成秒脉冲发生器 12
2.5 555定时器构成报警电路 14
2.6 交流变直流电路 15
2.7 LED驱动电路 18
3．总电路仿真 19
4．课程设计感想和总结 20
5．参考文献 21

1.设计模块及其任务

1.1．总体功能及其任务

(1).换人显示牌需要预设2组换人队员号，在完成了第一组换人后，通过拨动换人组选择开关，即可进行第二组换人；
⑵． 比赛规定每组换人时间为25秒，后5秒内会有闪烁提示和声响报警；
⑶．该换人显示牌采取交流/直流供电方式；首先考虑直流供电；由于字体较大（可由多只高亮度LED组成字段笔画），则耗电较大，采用电池供电，不宜长时间开启，即电池的使用时间不长。在有条件的比赛场即可使用交流电供电。
⑷．换下场队员编号字符用红色LED显示，换上场队员编号字符用绿红色LED显示。总开关要对计数器复位，换组开关实现换组功能。

1.2 选号和译码

用74LS157数据选择器对需要更换的上、下场队员号预置数，并通过使能端控制信号选定换人组号。预置数的选择由拨码开关接通高、低电平来决定。置数和选定通道之后，译码器将换人队号编译出来，驱动LED电路并显示在屏幕上。

设计思路：

使用1片74LS157、1片74LS48和2个4位拨码开关实现上场队员个位队号的选择、译码功能，连接绿色LED电路驱动显示；同理，也可实现上场队员十位队号的选择和译码功能；

使用1片74LS157、1片74LS48和2个4位拨码开关实现下场队员个位队号的选择、译码功能，连接红色LED电路驱动显示；同理，也可实现下场队员十位队号的选择和译码功能；

1.3 计时器

打开总开关，在队号显示的同时计数器应该开始工作，总计数时间为25秒。通过与非门逻辑推导，将计数器端口和报警电路、LED显示电路连接，到达20秒时出现LED闪烁和声响报警的提醒。

1.3.1 同步计数

用两片74LS160连接起来，输入同步时钟信号，便可实现两位数的计数功能。当个位计数计满之后，通过进位信号使十位的160芯片有效工作。要求总开关能够控制计数器的工作状态。

1.3.2 秒脉冲发生器

使用555定时器构成多谐振荡器可输出秒脉冲信号作为同步时钟信号。时钟信号周期为：T=0.7*(R1+2R2)*C，调整电阻和电容参数，可产生以1秒为周期的脉冲，并将输出端接到两片160芯片的CP端。

1.4 交/直流供电

在条件足够时，可直接装上电池，供给直流5V电压给显示牌；当电池耗尽时，需要外接交流220V电压。经过阻容降压、桥式整流、滤波、稳压之后，可给蓄电池充电；蓄电池电量充足时，放电供给显示牌使之工作。

设计思路：

交流220V电压从端口输入。用R和C并联构成阻容降压段，用4个1N4007二极管构成桥式整流电路，用电解电容和无极性电容并联（均一端接地）实现滤波，然后接入三端稳压器LM7805稳压。这时，输出端口可接入蓄电池充电，蓄电池电量足够后便可放电。

1.5 报警电路

用555定时器构成多谐振荡器，输出端驱动蜂鸣器实现报警功能，蜂鸣器连续发出声响。要求在计数20秒时，报警器开始工作，故需用160计数Q端信号和与非门连接来控制报警电路工作状态。可将外来信号接入到555器件的4端（RST）来控制。

1.6 LED驱动电路

队号需要以大字段形式输出显示到屏幕。故用4部分“8”字形的LED字段来分别表示上、下场队号的个、十位。由译码输出信号驱动LED发亮，74LS48译码器输出高电平有效。7段线型LED 由输出a b c d e f g端来控制，每一个输出端可控制一段线型LED笔画段。LED上可形象显示0-9十个数字。LED以共阴极方式连接，阳极接高电平导通发光。

7段LED显示的结构原理如下：

2.设计原理和功能分析

2.1 74LS157选号

该芯片为一种A、B双通道选入，单通道输出的数据选择器。选入通道的控制由使能信号完成。

选通端真值表如下：

输入

输出
选通
G
选通
A/B
A B
H
L
L
L
L

X
L
L
H
H
X X
L X
H X
X L
X H
L
L
H
L
H

总开关闭合时，G为高电平，74LS157禁止工作；总开关打开时，G为低电平，输入有效，74LS157工作。其中，当A/B选通端输入低电平时，A输入通道选择有效，1A、2A、3A、4A输入，1Y、2Y、3Y、4Y为输出；A/B端为高电平时，则B通道有效。选择有效通道可通过手动换组开关来实现。

通过拨码开关的开合，可选择输入通道进入的电平高低。157芯片输入为高电平有效。1A、2A、3A、4A位数从低到高，选择预置的队号可转换为二进制码来完成（如在上场队员的十位数字中，选择数字为3，则通过拨码开关设置使输入为“0011”，其中1A=2A=1，3A=4A=0）。

2.2 74LS48译码

该芯片可实现7段显示译码功能，讲输入8421BCD码转换为笔画段（a-g的LED）的通断，实现数码显示。7448输出高电平有效，可直接驱动共阴极LED电路。

正常工作时，LT端、RBI端以及BI/RBO端均接入高电平，可实现输出译码。

74LS48真值表如下：

2.3 74LS160计数

74LS160芯片为集成同步二-十进制计数器，其功能表如下：

本设计采用两片160芯片实现两位数（25秒）的计数功能。个位、十位的160芯片预置数端均接地（A=B=C=D=0），计数器工作时，从十进制“00”开始计数。个位、十位芯片的计数输出端Q均接到DCD_HEX_DIG_RED 4端输入显示数码管上，显示出十进制数从00到25。

两个LD同步置数端接入高电平禁掉。
两个CLK端为同步上升沿触发，均接到秒脉冲发生器的输出端。
总开关线路通过U10A与非门接到两个CLR异步复位端，实现对计数器的复位控制；当开关打开后，CLR=1，禁止，计数器开始在CP信号脉冲下计数；闭合开关，CLR=0，有效，计数器立即清零复位，停止计数。
个位160芯片的RCO进位计数端接入到十位160芯片的使能EN端。当个位计数到9时，等待下一个时钟脉冲CP后清零为0，同时给出信号RCO=1，十位160芯片开始工作；当个位计数不到9时，RCO=0，使得十位160芯片的计数输出Q端一直保持，这也满足了“个位计数计满，十位才进一位来计数”的功能。

当计数到达25秒时，计数应停止，此功能通过与非门U9B来实现。U9B的输出端接到个位160芯片的EN端。当计数未满25时，与非门输出为1，使得计数器工作正常；当计数到25时，与非门输出为0，使得个位160芯片被禁止，从而十位160芯片亦被禁止，计时器停止工作，数码管上的数字保持为“25”。
当计数为25秒时：
十位：Qd1 Qc1 Qb1 Qa1 = 0010，
个位：Qd2 Qc2 Qb2 Qa2 = 0101。
_____________
与非门输出方程为：Y(U9B)= Qb1* Qc2* Qa2
故此时输出为0，其余时刻输出均为1。

U16A、U15B与非门连接到报警电路的RST端，实现其控制功能。U16A实现了三端与非功能，而U15B可等效为一简单非门，故该部分连接到RST端的输出方程可写为：
Y=Y(U9B)*Qb1*CP
当计数未满20秒时，Qb1为0，Y输出为0，接入到RST端为低电平，报警器不工作；
当计数满20秒时，Qb1为1，Y(U9B)输出为1，故Y输出应为CP，接入到RST端为低电平和高电平交替，报警器工作，并发出多次声响；
当计数满25秒时，Qb1为1，Y(U9B)输出为0，故Y输出应为0，接入到RST端为低电平，报警器停止工作，计数停留在25秒。
2.4 555定时器构成秒脉冲发生器

555定时器构成的多谐振荡器在接通电源后，可自动产生矩形脉冲波。调整电阻值R和电容值C，可以得到周期为1秒的脉冲发生器。周期的计算式为：T=0.7*(R1+2R2)*C。将OUT端同步接入到74LS160计数器的两个CP端。CON端口不使用时，通常用一个小电容接地，以防止该端口电压的跳变。

555的功能表和VC、VO的波形图如下：

故可求得充电时间：

2.5 555定时器构成报警电路

555定时器组成的多谐振荡器也可以搭建为报警电路。该报警电路的工作状态由RST直接复位端决定。复位端接入低电平，该电路停止工作；接入高电平则正常工作。当计数器到达20秒时，通过与非门逻辑转化，将CP信号接入到RST端，其高低电平交替进入使得蜂鸣器发出多次声响；到达25秒时则报警停止。调整R36和R38阻值以及C4容值，可以调整振荡频率从而改变蜂鸣器发声的急促程度；输出端连接的三级管推动输出OUT端的矩形波，让蜂鸣器工作；C3电容则有滤掉高次谐波的功能。

2.6 交流变直流电路

接入交流220V以后，需要经过阻容降压、桥式整流、滤波、稳压等一系列调整后，才可将输出的直流5V接入蓄电池充电。
阻容降压的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。
将电容和电阻并联接入干路，电容器上不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。因此,电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。经过阻容后，交流电压的有效值会有下降。
桥式整流电路利用了二极管的单向导电作用。四个特性相同的二极管连接成四臂电桥，D1和D4顺向串联，D2和D3顺向串联，交流电压与两条串联支路的中点相连。对于正半周的交流电压，二极管D1和D3承受正相电压而导通；对于负半周的交流电压，二极管D2和D4承受正向电压而导通。由此，交流电压可以转换为单极性电压。
滤波部分由一个电解电容和一个无记性电容并联而成，其中一端均接地。其作用是通过电容的反复充放电输出一个近似锯齿波的电压，降低交流电压的脉动程度，得到较为平滑的直流电压。三端稳压器的作用是尽量使得输出的直流电压在蓄电池充电时尽量保持稳定，其输出的稳压有关系式：Vo=(1+R2/R1)*Vref。Vref为能隙基准电压，取固定值。调整R1和R2还可改变输出直流电压Vo。

用示波器检测，得到稳压后的直流电压波形图：

2.7 LED驱动电路

LED为共阴极接法。需要注意的是，为了实现闪烁的功能，将U15B与非门的输出端接入到各LED二极管的阴极，与报警电路RST输入端并联。74LS48译码器的输出端高电平有效，接到LED阳极，使得对应笔画段的LED发光，形象地显示0-9十个数字。7段线型LED 由译码输出a b c d e f g端来控制，每一个输出端可控制一段线型LED笔画段。4部分“8”字形的LED字段来分别表示上、下场队号的个、十位。红色LED表示下场队员的队号；绿色LED表示上场队员队号。

3．总电路仿真

4．课程设计感想和总结
这次电子设计的实践操作过程很多，而且是以现实问题为基础，着重对理论知识的应用和熟练操作。最开始，自己拿到题目要去理解、揣摩该如何入手解决实际问题，应该怎么把一个大的设计问题用模块化的方式分析清楚，从大化小，逐一分析模块的功能，使问题大大简化，然后再考虑模块连接的问题。接着，应该使用Multisim仿真来模拟整个设计思路。一开始，本小组遇到了不少麻烦，比如编码-译码电路中的单刀单掷开关太多导致电路繁琐、编码器中找到的10线-4线类型无法从0000编码到1001，而是从0110到1111的问题，最后小组决定采用双通道输入的74157数据选择器来解决切换组别时电路繁琐的难题。另外，在设计秒脉冲发生器和交流/直流转换电路时，还要改变电路中的元件参数值，严谨地计算出脉冲周期1秒、得到直流电压5V左右。仿真时，还应该注意的问题就是合理布线。掌握设计原理可以搭建出功能完整的模块，但是由于总设计相对复杂，布线冗杂容易产生错误，且为焊接带来不少麻烦。所以，考虑实际设计问题时要远比理论周到。在焊接时，一定需要认真和耐心，不能容忍丝毫差错。几百个元件、若干根导线组合在一起，使得焊接显得较为复杂；但本小组先解决了模块内的焊接问题，再处理模块间的连接，并且先焊接大元件，合理排布器件到焊接板上，使得最后的焊接工作较为顺利地完成。

本次设计，让我对数字电子、模拟电子技术的原理有了更多更深刻的认识，通过分析数据选择器、译码器、计数器、555定时器、LED在具体情境中的应用，加深了对元器件搭建、内部结构和功能的理解，并且还熟悉了Multisim计算机软件的应用和问题处理方式。另外，小组成员之间互帮互助、合作顺利，锻炼了我们分析理论问题来解决实际问题的能力，也提高了我们的组织交流、动手操作和团结协作的能力，从综合素质层面全面地提升了学生素养。

5．参考文献
（1）《数字电子技术实验》. 夏鸣风编. 重庆大学电气工程学院. 2014年2月

（2）《数字电子技术基础》. 唐治德 主编. 科学出版社 北京. 2009年1月 第一版

（3）《模拟电子技术基础》. 唐治德 主编. 科学出版社 北京. 2009年8月 第一版

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