篮球竞赛30s计时器

课程设计说明书

课程设计名称：数字电路课程设计课程设计题目：篮球竞赛30s计时器学院名称：科技学院

专业：通信工程班级：1082041

学号：18 姓名: 刘金钊

评分：教师：

摘要

篮球是现在学生酷爱的运动项目之一。无规矩不成方圆，同样，篮球比赛也有约束其开展的赛制。篮球比赛中，一场比赛都是以时间计算的。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球员的犯规。

本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛30秒计时器。此计时器功能齐全，可以直接启动、暂停、连续、清零以及具有光电报警功能。课设原理包括信号发生、时序控制电路、计数器、译码显示、光电报警五部分。信号发生部分，用到555芯片，构成多谢振荡电路，产生脉冲信号。时序控制电路部分，以RS触发为主体构成。利用74LS192十进制可逆计数器构成计数器部分，译码显示可选择CD4511BC或74LS48均可。本设计主要能完成：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、启动和暂停/连续功能；在直接清零时，数码管显示器灭灯；计时器为30秒递减计时其计时间隔为1秒；计时器递减计时到零时，同时发出光电报警信号等。

由于30秒计时器的设计的应用，使得篮球比赛朝着更加公平合理，紧张激烈和富有魅力的方向发展。

关键词：555 多谢振荡电路 RS触发 74LS192 倒计时 30秒

目录

前言 (4)

第一章设计内容 (5)

设计要求 (5)

第二章系统设计方案 (6)

2.1 计时器的组成框图 (6)

2.2系统方案及选择 (6)

2.21 方案一 (6)

2.22 方案二 (7)

第三章系统电路设计 (9)

3.1 秒脉冲发生器 (9)

3.2 30进制递减计数器 (10)

3.3 译码显示电路 (10)

3.4 光电报警电路 (11)

3.5 时序控制电路设计 (11)

第四章安装与调试 (13)

第五章结论与心得 (15)

附录一总电路图 (16)

附录二各芯片管脚图及功能表 (16)

附录三元件清单 (17)

附录四参考文献 (18)

前言

篮球比赛规则从最初的13条发展至今更趋于合理、公平，其中重要是一条便是对时间的规定。美国队一直都是奥运赛场上篮球比赛的最大赢家，1952年第15届奥运会篮球比赛苏联队对美国队的冠亚军争夺大赛，大概是篮球史上最没有意义的一场比赛！不仅双方的比分低的可怜，而且两队所采用的战术更令人扫兴。最后苏联队以25：36败给美国队，获得银牌。而原因就是当时没有30s 和球回后场违例的规则。苏联利用这一空子，采用稳扎稳打，步步为营的战术逼近美国队，不断缠美国队员，让美国队员难以出手投篮。而美国队由于水平较高，则采用在领先的情况下打控制球，把球来回的倒的泡时间方法。其他各队见这一招好使，都纷纷效仿，从而使得快速激烈的篮球运动变成了“老爷车”式的运动。1956年国际篮联出决定，增添了30s规则，限制了这种“老爷球”的打法。从此，慢吞吞的“老爷球”打法终于在篮球历史上彻底消失了。

而现代篮球打法更趋于科技化，本试验就是一个体现—30s计时器的设计。科技的进步促使该相竞技运动更加精彩。

投篮竞赛30秒计时器在篮球比赛中有很重要的作用，规范了比赛及赛场秩序。处在多元化社会的今天，会有很多赛事需要用到电子设备。作为一名学习知识的青年，应该学好基础知识，设计出是人民满意的东西，产出人性化和自能化的电子产品，另一方面电子产品不断的更新，需要我们更加扎实的基础。

本课设主要利用各芯片功能，从而构成功能电路，主要实现倒计时功能。整个电路的设计借助了multisim 2010仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在multisim 2010下设计和进行仿真，得到了预期的结果。最后，运用Protel 99SE进行了PCB电路板的设计。

第一章设计内容及要求

设计内容:

设计重点在于对30s计时器进行整体的分析和构思，研究其在起动、暂停/连续以及报警条件下，实现这些功能所需的模块。设计主要包括信号发生、时序控制电路、计数器、译码显示、光电报警五部分。信号发生部分产生正弦波信号，时序控制电路控制使外部操作开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续功能，计数器实现30S倒计时功能，之后译码器译码显示。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、暂停/连续计数、译码显示电路的显示与灭灯、定时时间到报警等功能。

基本要求:

1、具有显示30S计时功能；

2、设置外部操作开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停/连续功能；

3、在直接清零时，要求数码管显示器灭灯；

4、计时器为30S递减计时，计时间隔为1S；

计时器递减计时器到零时，数码管显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。

第二章 系统设计及方案选择

2.1计时器的组成框图

用计时器对1Hz 时钟信号进行计数，其计数值即为定时时间。根据设计要求可知，计数器初值为30，按递减方式计数，减到0时，输出报警信号，并能控制计数器暂停/连续计数，所以需要设计一个可预置初值的带使能控制端的递减计时器。总思路设计框图如下所示：

图2.11 总思路设计框图

2.2 系统方案及选择 2.21 【方案一】：

第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路），555脉冲形成电路是由555芯片、电阻和电位器够成占空比可调的无稳态多谐振荡器,产生时钟脉冲，以下是555芯片功能表、原理图及管脚图：

表2-21 555芯片功能表 图2.22 555芯片原理图及管脚图

第二部分：由74LS192十进制可逆计数器，构成30进制递减计数器，预置数为8421BCD 码0011 0000，即十进制的30，根据功能可以看出，通过控制CPu 、CPd 端输入，起到加减计数的功能，本实验用到的是减计数，芯片功能表如下所示；

译码显示

报警电路

计数器 秒脉冲发生器 控制电路

外部操

作开关

表2-23 74LS192功能表

第三部分：译码显示部分由8421BCD码译码器74LS48及数码管构成，起到对倒计时数据译码显示的作用，74LS48是一种常用的七段数码管译码器驱动器；

表2-24 74LS48功能表

第四部分：光电报警部分包括发光二极管、蜂鸣器及电阻组成，在计时器倒计时为零时，发出警报提醒，电阻起到的是分压的作用；

2.22 【方案二】

鉴于方案一在电路焊接完成后，未能使电路实现计数器的直接清零、启动和暂停/连续功能，故对方案一进行了一定的改进。

第一部分：利用NE555构成占空比及频率可调的脉冲发生电路（多谐振荡电路），555脉冲形成电路是由555芯片、电阻和电位器够成占空比可调的无稳态多谐振荡器,产生时钟脉冲：

第二部分：由74LS192十进制可逆计数器，构成30进制递减计数器，预置数为8421BCD 码0011 0000，即十进制的30，通过控制CPu、CPd端输入，起到加减计数的功能，本实验用到的是减计数；

第三部分：译码显示部分由8421BCD码译码器74LS48及数码管构成，起到对倒计时数据译码显示的作用，74LS48是一种常用的七段数码管译码器驱动器；

第四部分：光电报警部分包括发光二极管、蜂鸣器及电阻组成，在计时器倒计时为零时，发出警报提醒，电阻起到的是分压的作用；

第五部分：时序控制电路部分，主要由RS触发电路构成，为了保证满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系，通过外部开关的控制，起到计数器的直接清零、启动和暂停/连续功能。

两方案相比较，方案一较为简单，但在功能上，缺少时序控制电路部分，导致电路无法实现计数器的直接清零、启动和暂停/连续功能。方案二在其基础上添加时序控制电路，完成了改功能的实现。故在电路功能的实现上，方案二较优于方案一。根据电路方案的设计及选择，得到图2.11 总思路设计框图。

图2.11 篮球竞赛30s计时器电路图

第三章系统电路设计

3.1秒脉冲发生器

秒脉冲发生器是电路的时钟脉冲和定时标准，本设计对此要求不高。电路采用555集成电路组成的多谢振荡器构成。信号发生部分用555定时器设计成一个周期为1s的多谐振荡电路，将其输出端通过门电路给十进制计数器输入时钟信号。接着通过十进制计数器的进位端提供秒脉冲。

图3.1 555组成多谢振荡电路

秒脉冲发生器的设计一般用555定时器设计成多谢震荡电路产生脉冲信号。该设计要求振荡周期为1秒，输出脉冲幅度大于3V小于5V。输出脉冲的占空比q=2/3，根据要求电源电压取5V。

该电路的充放电时间及输出脉冲的周期如下：

充电时间：T1=R1C2ln2 式（3.1-1）

放电时间：T2=R2C2ln2 式（3.1-2）

周期：T=T 1+T 2=(R 1+R 2)C 2ln2 式（3.1-3） 3.2 30进制递减计数器

74LS192是十进制加/减可逆计数器，图2.3所示电路是选用该芯片设计的可预置计数初值递减计数器。30进制递减计数器的预置数为8421BCD 码0011 0000，即十进制的30。电路采用串行进位方式级联，其计数原理是，当制数端LD 为1，清零端CR 为0，且加计数端CPu 为1时，在CP 时钟脉冲上升沿的作用下，计数器在预置数的基础进行递减计数。每当个位计数器减计数到0时，其1BO 发出一个负脉冲，作为十位计数器减计数的时钟信号，使十位计数器减1计数。当高、低位计数器处于全0，同时在D CP 为0期间，高位计数器2LD =2BO =0，计数器重新进行异步置数，之后高位计数器2LD =2BO =1，计数器在D CP 时钟脉冲作用下，进入下一轮减计数。

图3.2 30进制递减计数部分电路

3.3 译码显示电路

为了保证计数器输出，数码管显示成功，故用到8421BCD 码译码器74LS48。74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，是8421BCD 译码器。电路

如图2.4所示：

U4

74LS48D

图3.3 译码显示电路

3.4 光电报警电路

根据任务要求，当计时器递减计时到零时，发光二极管及蜂鸣器导通，发出光电报警信号。设计以下电路控制，如图2.5所示：

图3.4 光电报警部分电路

此部分电路设计相对简单，主要是将计数器中“00”信号传输到电路中，从而实现报警效果。

3.5 时序控制电路设计

为了保证满足系统的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系，时序控制电路要完成以下两个功能：

1）当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP （秒脉冲信号），同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30S 字样；当启动开关断开时，计数器开始计数。

2）当暂停/连续开关拨到暂停位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停/连续开关拨在连续时，计数器继续累计计数。

根据以上功能要求，设计的时序控制电路如图2-7所示。图中，与非门U3A、U3B 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，当U3B输出为1时，U3A关闭，封锁CP信号；当U3B输出为0时，U3A打开，放行CP信号，而U3B的输出状态又受外部操作开关X2、X3（即启动、暂停/连续开关）的控制。图中，U3A空脚输入CP信号U5B输出端接芯片74LS192LD端。

C1

10μF 图3.5 时序控制电路

第四章安装与调试

4.1 电路的安装

电路安装要注意几个原则：

1、先矮后高、先小后大、先放耐焊元器件等；

2、布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；

3、最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接时，电烙铁绝对不能停留太久；

4、由于本课设电路相对复杂，因此，在焊接过程中，应在一个模块完成时就开始进行检查，以防出现最后焊接错误，却难以找出原因的现象，便于检查；

5、在焊接的时候要注意尽量少用导线连接电路，用焊锡丝连接电路，使作品更为美观；

6、芯片管脚在连接时，应特别注意管脚的辨识，以防出现因管脚接错的原因，导致实验结果出错；

7、在布局上要合理的安排电路，便于之后焊接的方便。

4.2 电路的调试

调试时应小心谨慎，电路安装完毕后，首先应检查电路的电源线和地线的走向，防止因为电源线或地线接错而导致烧坏芯片或者是电源等现象。然后接电调试。如果遇到问题，则应该根据产生的问题，加上对原理图的分析，首先找到可能出错的地方。在调试过程中先要接好线，特别是接电源线及地线。为了便于电源与地的区分，在焊接中尽量用不同颜色的导线，在最后完成时，将所有的电源线、地线放到一起，以防接电源时漏接导线。

本课设电路设计中采用的均为定值元器件，主要是电路焊接及原理的问题，故在焊接完毕后，先主要针对原理图，检查电路是否焊接正确，是否存在短接之类问题。在确保电路的正确性后，再接电源查看功能。如若出现功能不能实现，则应更具原理，查看该模块电路，从而进行修改，得到结果。

4.3 电路的分析

本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，需要我们很好的理解各芯片的原理

及应用。在电路设计中，应先从应用芯片的功能着手了解，进而设计电路。

电路主要包括信号发生、时序控制电路、计数器、译码显示、光电报警五部分。分别运用了555芯片构成的多谢振荡电路、74LS192十进制可逆计数器、8421BCD译码器、数码管及光电报警部分电路，共同完成了本次课程设计的原理设计。

最后完成后，电路基本可以运行。但由于采用的方案一并不十分完善，因此，外部开关调控上还存在一定的问题。最后，完善方案二，加入了时序控制电路，继而能够较好的控制其功能。

第五章结论与心得

本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的部分功能要求：

1）具有显示30S计时功能；

2）计时器为30S递减计时，计时间隔为1S ；

3）可实现开关式直接清零，切数码管之后不灭灯。

存在的问题：

1）光电报警部分不理想；

2）由于缺少时序控制电路，不能做到电路控制清零功能，及外部开关控制。

此次课程设计采用的电路原理基于数字电路的基本知识，主要永运的是芯片控制电路。因此，电路设计中，要求我们能够很好地理解各应用芯片的功能。设计中，通过对方案一电路的改进，能够完成要求任务。通过对两方案的比较，加深了对原理的认知。也通过本次课程设计，巩固了对数字电路的学习。基本完成任务。最后，针对设计电路，应用到Protel 99SE软件进行了PCB电路板的设计。

在本次课程实际中通过自己选题、找材料、分析、设计等，也掌握了一些软件的操作方法，为以后学习做了铺垫。整个设计实现了从单一的理论学习到实际问题的解决。通过本次课设，提高了动手能力，培养了了寻找问题解决问题的的能力。在设计中，充分应用了所学的知识，例如：集成电路74LS系列、555芯片构成的多谢振荡电路等。

附录一:总电路图

U9

A B C D

E F G

CK

U10

A B C D E F G

CK

U374LS48D

A 7

B 1

C 2D

6

O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G

14

~L T 3~R B I 5~B I /R B O

4

U4

74LS48D

A 7

B 1

C 2D

6

O A 13O D 10O E 9O F 15O C 11O B 12O G

14

~L T 3~R B I 5~B I /R B O

4

R1100Ω

R2100Ω

U1

74LS192D

A 15

B 1

C 10

D 9UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN

4

~LOAD 11~BO 13~CO

12

CLR 14U2

74LS192D A 15B 1C 10D 9UP 5QA 3QB 2QC 6QD 7DOWN

4

~LOAD 11~BO 13~CO

12

CLR 14VCC

5V

VCC 5V U6A

74LS08D

U5A

74LS08D

R3

300Ω

VCC

5V

U7A

74LS00D U8A

74LS00D

R41.0kΩ

VCC

5V J2Key = B

J3

Key = C

VCC 5V

R51.0kΩ

A1

555_VIRTUAL

GND DIS OUT

RST VCC

THR CON

TRI VCC

5V

R6100Ω

R7600Ω

C110μF C2

10nF

LED1

附录二: 各芯片管脚图及功能表

74LS48管脚图

74LS192管脚图

74LS00（Y=AB）

附录三: 元件清单

元件清单

编号原件型号数量

1 电阻100 3

2 电阻300 1

3 电阻600 1

4 电阻1K 2

5 发光二极管 1

6 芯片555 1

7 芯片74LS192 2

8 芯片74LS48 2

9 芯片74LS00 1

附录四:

参考文献

【1】阎石.数字电子计数基础（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社.2006. 【2】罗杰.谢自美.电子线路设计.实验.测试（第四版）[M]. 北京：电子工业出版社.

【3】谢自美.电子线路设计.实验.测试（第三版）[M].武汉：华中科技大学出版社.2006.