篮球三十秒计时器1

目录
前言 2
第一章篮球三十秒计时器设计要求及方案比较 3
1.1 设计要求 3
1.2 方案比较 3
第二章系统组成及工作原理 5
2.1 系统组成 5
2.2 工作原理 5
第三章单元电路设计、参数计算、器件选择 7
3.1 控制电路 7
3.1.1 暂停/连续控制电路 7
3.1.2 置数/启动控制电路 7
3.1.3 清零/灭灯电路 8
3.2 秒脉冲发生电路 8
3.3 计时电路 10
3.3.1 计数器 10
3.3.2 计时电路的组成 12
3.4 译码显示电路 12
3.4.1 七段发光二极管（LED）数码管 12
3.4.2 CD4511 13
3.5 报警电路 14
第四章调试及测试结果分析 16
4.1 调试 16
4.2 结果分析 17
结论 18
致谢 19
参考文献 20
附录一原理图 21
附录二元件清单 22

前言
人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。
而典型的应用就是篮球竞赛计时。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，数码显示器不灭灯，同时发出光电报警信号等。
篮球三十秒计时器和篮球二十四秒计时器如出一辙，不同之处在于置数部分。方案中应用双时钟加、减同步可逆计数器74LS192来实现倒计时功能,在功能选择过程中选择减计数功能,芯片管脚选择中让DOWN处于工作状态。在显示零秒亮灯报警电路中，应用组合电路及二极管发光条件来实现该功能。显示电路用CD451和共阴数码管来实现，通过控制CD4511的灭灯输入信号（BL’）来实现灭灯的功能。

第一章篮球三十秒计时器设计要求及方案比较
1.1 设计要求
[课题名称]:篮球三十秒计时器
[基本要求]:1)具有显示三十秒计时功能;
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,要求数码显示器灭灯;
4)计时器为三十秒递减时,计时间隔为一秒;
5)计时器递减计时到零时,数码显示不能灭灯,同时发出光电报警信号。
[主要参考元器件]：NE555﹑74LS161﹑74LS192
1.2 方案比较
本课程设计中，我和我的同组人提出了两个脉冲信号发生电路的方案，方案如下：
方案一是用555定时器构成一个多谐振荡器，为电路提供芯片工作的脉冲

信号。其电路图如下：
方案一

图1.2.1 555构成的秒脉冲发生器
方案二是电路由14位二进制串行计数器/分频器和振荡器CD4060、BCD同步加法计数器CD4518构成的秒信号发生器。
方案二

图1.2.2 基准秒信号发生电路
电路中利用CD4060组成两部分电路。一部分是14级分频器，其最高分频数为16384；另一部分是由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成振荡频率为32768Hz的振荡器。震荡器输出经14级分频后在输出端Q14上得到1/2秒脉冲并送入由1/2 CD4518构成的二分频器，分频后在输出断Q1上得到秒基准脉冲。
方案选择:
本课程设计中对秒脉冲信号的精度要求并不是很高，并且方案二中用CD4060和分频器构成的基准秒脉冲发生电路较于前者要复杂的多，而且CD4060和CD4518我们平常很少用，对其功能和引脚信息了解不多，所以，我们选用了方案一，用555定时器构成电路中的脉冲信号发生器。

第二章系统组成及工作原理
报警电路
控制电路
2.1 系统组成
本课程设计主要包括秒脉冲发生电路、计数电路、数码显示电路和报警电路，控制电路是由各外部操作开关组成，而秒脉冲发生器是由555定时器构成，计数电路则由计数器组成。其设计原理构图如下：

译码显示电路
计时电路
秒脉冲发生器

外部操作开关

图2.1 参考原理构图
2.2 工作原理
冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路等五个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的主要模块。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。当启动开关闭合时，555振荡器将产生的信号送至计数器的DOWN信号输入端，减计数器开始工作，完成30秒计时功能。
秒脉冲发生篮球30秒计时器的总体参考方案框图如图2.1所示。它包括控制电路、秒脉器产生的信号是电路的时钟脉冲和定时标准，但本设计对此信号要求并不太高，故电路可采用555集成电路或由TTL与非门组成的多谐振荡器构成。
译码显示电路由CD4511和共阴极七段LED显示器组成。报警电路在设计中可用发光二极管代替。
分析设计任务，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30s计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的启动计数、暂停／连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。为了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。在操作直接清零开关时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。
当启动开关闭合时，控制电路应封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示“30”

字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；为了简单起见，我们将暂停与连续的控制开关放在555电路模块中，通过控制脉冲信号的传送来达到相应的目的。最后灭灯电路是通过74LS192的清零端和CD4511的灭灯输入信号来实现的。当计数器CLR端输入高电平时清零，而此时在CLR端接一个非门，再将非门的输出接至CD4511的BI’端，就能保证CD4511的灭灯输入信号BI’=0，使数码管灭灯。从而就完成了灭灯电路的实现。进而实现整个课程设计的要求。

第三章单元电路设计、参数计算、器件选择
3.1 控制电路
3.1.1 暂停/连续控制电路
电路中通过外部操作开关控制脉冲信号的连续与暂停来实现整个电路的连续与暂停功能。因为555振荡器本身产生的秒信号就不是很稳定，若将开关接到信号输出端，在拨动开关时产生的振动会影响555信号的输出，从而影响电路的正常工作。所以设计时，我们将暂停/连续开关放在多谐振荡器的电阻所在支路上，其原理图如图3.1.1所示：

图3.1.1 暂停/连续电路
3.1.2 置数/启动控制电路
本单元中应用了触发器的记忆功能来实现置数信号的关与闭。电路制作过程中，我们选择的是按钮开关来实现这一功能。但按钮开关在使用时要一直按住，很不方便，于是我们就在这部分电路中加了一个RS触发器，通过它的记忆功能来简化操作。电路如下所示：

图3.1.2 置数/启动控制电路
3.1.3 清零/灭灯控制电路
设计中要求电路具有直接清零功能并且在清零时数码管显示灭灯。其电路如图3.1.3：

图3.1.3 清零/灭灯电路
3.2 秒脉冲发生电路
设计中采用NE555来产生一秒的脉冲信号。555集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。它结构简单，使用灵活，用途广泛，可以组成多种波形发生器﹑多谐振荡器﹑定时延时电路﹑单稳触发电路﹑双稳态触发器﹑报警电路﹑检测电路﹑频率变换电路等。
设计要求要产生一个1s的脉冲信号来作为电路的CP脉冲信号。通过计算得到以下电路中的参数。

图3.2.1 秒脉冲发生电路
555信号周期计算
其中R1=R2=48 KΩ,C=0.1uF,C1=10uF.因为T=(R1+2R2)C㏑2 ，算得T=1.008 s
下面是555的内部结构和引脚图：

图3.2.2 555内部结构及引脚图
555各引脚的具体功能如下：
1地GND 2触发 3输出 4复位 5控制电压 6门限(阈值) 7放电
8电源电压VCC
下表为555的功表：

表3.2.2 555定时器功能表

输入输出
阈值输入 6 触发输入 2 复位 4 输出 3 放电管T 7
X X 0 0 导通
<2/3VCC <1/3VCC 1 1 截止
>2/3VCC >1/3VCC 1 0 导通
<2/3VCC >1/3VCC 1 不变不变

由图3.2.2不难证明表3.2.2的正确性，表中第一行说明555

定时器的清零作用。4脚加入低电平，将对RS触发器直接置“0”。接在端的三极管起跟随缓冲作用。
当TH高触发端6脚加入的电平大于，TL低触发端2脚的电平大于时，比较器A1输出高电平，比较器A2输出低电平，触发器置“0”，放电管饱和，7脚为低电平。
当TH高触发端加入的电平小于，TL低触发端的电平大于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。
当TH高触发端6脚加入的电平小于，TL低触发端的电平小于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。
当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。
3.3 计时电路
3.3.1 计数器

在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
计数器的种类非常多。如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可以将计数器分为同步式和异步式两种。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转由先有后，不是同时发生的。在设计中我们选择的是同步加/减计数器74LS192。它是双时钟同步可逆计数器，是8421BCD码计数，其详细引脚图及功能表如下：

图3.3.1 74LS192引脚图

表3.3.1 74LS192功能表

输入输出
CR LD CPU CPD D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0
1 X X X X X X X O 0 0 0
0 0 X X d c b a d c b a
0 1 1 1 X X X X 保持
0 1 1 X X X X 加计数
0 1 1 X X X X 减计数
表中CR是清零端，LD是置数端，CPU是加计数时钟输入端，CPD是减计数时钟输入端，D3﹑D2﹑D1﹑D0DO都是计数器预置数输入端，Q3﹑Q2﹑Q1﹑Q0都是数据输出端，另外，C0是非同步进位输出端，BO是非同步借位端输出端。

3.3.2 计时电路的组成
设计中通过两片74LS192的级联来实现一个30进制的计数器。当低位片从0跳到9时，高位片进位加一，直到实现三十秒的计数功能。再者，因为要求中提到要求电路要实现倒数计时，所以74LS192的加计数器信号输入当应该加上无用性号（高

电平）。计数电路的核心是置数部分。本设计中的30秒只需将两计数器的输入端分别置为0011和0000即可，采用同步置数的方式来实现30置数。因为74LS192是十进制的计数器，所以当倒计时为0时，计数器会跳到99，因此我们采用99置数来解决这个问题，最后让显示器停在30秒处。计数电路如下：

图3.3.2 计时电路
3.4 译码显示电路
3.4.1 七段发光二极管（LED）数码管
LED数码管是目前最常用的数字显示器，图4.4.1（a）及（b）所示为共阴管及共阳管的引脚功能图和电路。
一个LED数码管可用来显示一位(0～9)十进制数和一个小数点。小型数码管每段发光二极管的正向压降随显示光（通常为红、绿、黄、橙色）的颜色不同略差别，通常约为2~2.5V，每个发光二极管的点亮电流在5~10mA之间。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器，该译码器不但要完成译码功能，还要有相当的驱动能力。
共阴接法和共阳接法的区别在于它们公共端的接法不一样。共阳接法中，数码管的公共端3和8都接VCC，而共阴接法中，3、8脚都接GND。

3.4.2 CD4511
BCD码七段译码驱动器型号有74LS47（共阳）74LS48（共阴）、CD4511（共阴）等，本设计采用的是CD4511。
图4.4.2所示为CD4511引脚排列图。其中A~D为BCD码输入端;a~g为译码输出端，输出“1”有效，用来驱动LED共阴数码管；LT’为测试输入端，LT’=0时，译码输出全为“1”；BI’为消隐输入端，BI’=0，译码输出端全为“0”；LE为锁定端，LE=1时译码器处于锁定状态，译码输出端保持在LE=0时的数值，LE=0为正常译码。
CD4511内有上拉电阻，故只需要在输出端与数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。译码器还有拒伪码功能，当输入码超过1001时，输出全为“0”，数码管熄灭。
表3.4.2 CD4511功能表

输??????? 入输??????? 出
LE BI LI D C B A a b c d e f g 显示
X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8
X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0
0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1
0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2
0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3
0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4
0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5
0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6
0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7
0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8
0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9
0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐
1 1 1 X X X X 锁?????? 存锁存

图3.4.2 CD4511引脚图
3.5 报警电路
设计中要求电路在计数为0时实现光电报警的功能。设计方案中我们用或门和发光二

极管实现了这一功能。电路图如下图3.5：

图3.5 报警电路
上示电路中，将两片计数器74LS192的输出通过或门连接到发光二极管，当八个输出都为0时，即数码管显示为00时，或门最终输出低电平，发光二极管导通发光，完成光电报警功能。

第四章调试及测试结果分析
4.1 调试
在这两周的课程设计中，通过查找资料、比较各种方案、讨论，最终确立了比较简单又比较完善的方案，并用仿真软件仿真出了结果。领取组件后，我负责电路板上元器件的排版和我和部分模块电路的焊接，我同组人主要负责电路检查和其他部分电路的焊接。在我们的共同努力下，只经过短短的2天我们就将基本电路焊完成。但由于没有经验，加上焊接电路板的时候没有对单元电路进行检验，导致问题太多，数码管根本没有显示。通电后，稳压电源的5伏电压会突变到2伏左右，而且电路板上VCC和GND两条总线间连电压都没有，但各芯片又处于正常通电状态，由于电线太多，而且出现的问题经调试后也无法减少，所以我们决定重新焊接。这一次，我们采取“各个击破”的方式进行电路板的焊接。不过在单元电路的完成过程中也出现了一些问题，在显示电路的部分中，我们选用的是七段共阴数码管，它的公共端3脚和8脚本应都接低电平的，而我们在焊接时却不小心将8脚接到了VCC总线上，导致数码管不能正常显示，这让我们明白在焊接过程中要绝对细心，头脑要清楚，在焊接时要数清芯片的管脚，并正确接到别的芯片上对应的管脚上。还有在计数电路中，计数时丢失了有4和7的数，经过分析了解到，我们肯定有虚焊点的存在，通过用万用表检测问题计数器各输出端的电平，发现果然是虚焊问题导致的结果，低位计数器的Qc端一直没有电压，经过再次焊接后，计数终于恢复了正常。
基本电路完成后，我们开始灭等电路的焊接和各个暂停开关的焊接。这两部分相对比较简单。但这里偏偏也有麻烦。刚开始，我们将暂停开关放在计数器信号输入与555信号输出之间，但接上电源后，数码显示异常，而将计数信号输入与信号发生器相连，电路又运行正常。这个现象让我们把问题锁定在开关上，后来通过询问其他同学，了解到555产生的脉冲信号不稳定，而我们选用的开关是一个拨动开关，当拨动时会有较大的振动，会影响信号的传送。所以后来我们就换了开关的位置，放到电阻R1那，避免和555信号输出端连接。改良后，电路可以正常工作。
最后做整体电路的检测，各个模块的工作都很正常，外部操作开关也都可以实现要求中的启动、暂停、清零、连续功能。基本完成了此次课程

设计的任务。
4.2 结果分析
(1)控制电路检查
在电路全部焊接完后，改变各开关的闭、合状态，电路的启动、连续、暂停清零等功能均得以实现，电路控制部分没有问题。
(2)显示电路检查
当将显示电路中的两个数码管接好后，接入直流电源，发现数码管不亮，说明显示电路连接不正确。
解决方法：1）接入电源，用万用表检查电路是否焊接好且没有虚焊，并把有问题的部分重新焊接好；
2）进一步检查电源与地的接入是否接反；
3）若上述两种情况都未出现则对照各芯片的管脚图，检查在焊接过程中各管脚的连接是否接错；
(3)、计时电路检查
将本课设中所选计数器74LS192与显示电路相连，接入直流电源，用信号发生器给计数器一个1s的脉冲信号，观察计数器的计数功能，发现数码显示是在从30递减至0的过程中未出现有4和7的数，上述情况表明计数电路接触良好，但置数出现问题。
解决方法：1）检查两片74LS192的数据输出端所连的置数电路，看是否有连线错误；
2）选择被用作低位显示的那片74LS192作为检测对象，在数码显示的整个过程中用万用表测量Qc对应的6管脚的电压。看是否有时会有高电平。
(4)、555脉冲发生电路检查
我们将555的输出端3接到示波器上观察到的波形为一脉冲波，其频率近似为一秒。基本符合课程设计中所需秒信号的要求。
(5)、报警电路检查
将秒信号接入计数电路，按下启动电路，观察计数为0时发光二极管的像工作情况，发现当数码显示为00时，发光二极管发光，说明报警电路光电报警功能已经实现。

结论
此次电子课程设计是理论与实践相结合的最好形式。在课题的完成过程中要求制作者要有坚实的理论基础和很强的动手能力。在设计过程中，通过自主查找数据和其他资料，接触到了很多新鲜的东西。
经过这次课程设计，才明白自己要做一个电子产品是多么的不容易。里面的过程要求我们要非常细心。要想设计并制作一个完美实用的数字电路，确实是一件不轻松的工作，不仅要有较强的动手能力，还要有灵活应用芯片理论的功底，为此需要阅读大量关于这方面的书籍。
在这次课程设计过程中，查阅了不少芯片手册，也阅读了不少有关数字电路设计的资料，其中也不乏有关篮球三十秒计时器的实例，这些都是制作电路必须的理论准备，可以为你的设计添砖铺瓦，并减少很多盲目的查找。
在实际动手过程中，焊接是最为重要的，它能直接决定电路的成败：元器件的替换，开关的选择，焊接点的精细牢靠，以及最后的调试与分析其中的每一个环节都是至关重要的。

一件产品的工艺性很重要，而焊接在电路制作中则是工艺的关键。焊接也是需要技术的，焊点漂亮能给人赏心悦目的视觉感官。
综合来讲，本次的课程设计从设计带到焊接都是我们我学知识的检验。通过亲身体验说明有些在仿真软件中能行的痛的方案在实际操作电路中并不一定能行。所以在设计时就要考虑方案的可行性，最好是要准备备用的方案。在经过各种比较后，选出最佳方案再进行焊接。
整个过程中，调试也是相当重要的一部分。当电路不能得到正确的结果时，要知道怎样进行排错和调试，以得到正确的结果。一般情况下，应该先检查电路是否连对，芯片管脚是否对错；若电路连接正确，则用万用表通过电压、电阻的测量来找出电路中的问题，并加以改正。
做完本次课题后，发现本设计中所用电路比较简单，所用元器件也比较常用，工作原理易懂，操作简单，也很适合一般人动手制作。

致谢
这是我们真正意义上第一次设计电路，设计过程中需要自己提出设计方案并且动手焊接电路，所以在电路制作过程中出现了很多问题。课程最终得以顺利完成要多谢指导老师和各位值班老师的指导和帮助。在课程设计过程中，老师们不厌其烦的指导，班上同学真诚的帮助，真的很让我感动。在此我特别的感谢老师对我们的帮助，也要感谢班上同学给予的热心帮助，谢谢！

参考文献
[1]NiklausWirth·数字电路设计·高等教育出版社，2002。
[2]彭介怀·电子技术课程设计·北京:北京高等教育出版社,2003。
[3]王公望·现代电子电路应用基础·西安电子科技大学出版社，2005。
[4]l刘培植·数字电路设计与数字系统·北京邮电大学出版社，2005。
[5]李焕英·数字电路与逻辑设计实训教程·科技出版社，2005。
[6]阎石·数字电子计术基础·高等教育出版社，2006。
[7]Blach.M·完整的数字设计·清华大学出版社，2006。

附录一原理图

附录二元件清单

元件名称型号规格数量备注
数码管共阴极小号 2 10脚
七段译码显示器 CD4511 直插式 2 16脚
8421BCD码计数器 74LS192 直插式 2 16脚
脉冲电路 555 直插式 1 8脚
非门集成芯片 74LS04 直插式 1 14脚
四2输入与非门集成芯片 74LS00 直插式 1 14脚
电容电解 0.1uF、10uF 2
色环电阻 Rest 200、Ω10KΩ、1KΩ、47KΩ、若干
发光二极管 LED 小号 1 红色
开关按键、拨动一路、两路 3
四2输入或门集成芯片 74LS32 直插式 2 14脚
导线若干