篮球24秒计时器设计

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY

本科生毕业论文（设计）

题目篮球24秒定时器系统设计

学生姓名高能

指导教师李长庚

学院物理科学与技术学院

专业班级电子工程(09A)

完成时间2011-4-8

摘要

本电路主要由五个模块构成：秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路，主要采用555 作为振荡电路, 由74LS192、74LS48 和七段共阴LED 数码管构成计时显示电路, 具有计时器直控制电路直接控制计数器启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。当控制电路的置数开关闭合时，在数码管上显示数字24，每当一个秒脉信号输入到计数器时，数码管上的数字就会自动减1，当计时器递减到零时，报警电路发出光电报警信号。

关键词：计数器；24秒倒计；译码显示电路；控制电路；报警电路

Abstract

The circuit has five main modules: pulse generator, counters, display decoder circuit, control circuit and alarm circuit is mainly used as an oscillator circuit 555 by the 74LS192, 74LS48 and a total of Seven-Segment LED digital tube Yam constitute a time circuit, Direct control circuit has a timer counter to start counting direct control, pause / row count, the display of display circuit decoding functions. When the control circuit to open the closure of the home several time, digital tube display in figure 24, every time 1 seconds pulse signal input to the counter, the digital tube will automatically reduce the number of 1, decreasing to zero when the timer and alarm circuit issued photoelectric alarm signal and the buzz.

Key words:counter; 24 seconds counter; decoding display circuit; control circuit; alarm circuit

目录

第1章设计要求和设计方案 (1)

1.1设计要求 (1)

1.2设计方案 (1)

第2章简易篮球比赛计时器基本组成及工作原理 (2)

2.1电路组成 (2)

2.2工作原理 (2)

2.2.1译码显示电路 (2)

2.2.2计数电路 (5)

2.2.3555振荡电路 (7)

2.2.4时序控制电路 (9)

2.2.5报警电路 (10)

2.3总体电路图 (11)

第3章调试 (12)

3.1静态测试与调整 (12)

3.1.1供电电源表电压测试 (12)

3.1.2测试单元电路静态工作总电流 (12)

3.1.3三极管表态电压、电流测试 (12)

3.1.4集成电流表态工作点的测试 (12)

3.1.5数字电路表态工作点的测试 (13)

3.2电路调整方法 (13)

3.3动态测试与调整 (14)

3.3.1测试电路动态工作电压 (14)

3.3.2测量电路重要波形及其幅度和频率 (14)

3.4频率特性的测试与调整 (14)

3.5整机性能测试与调整 (15)

结论 (16)

谢辞 (17)

参考文献 (18)

附录 (19)

第1章设计要求和设计方案

1．1设计要求

1．24秒计时器具有显示24秒的计时功能。

2．系统设置外部操作开关，控制计时器的直接清零、启动、暂停/连续功能。

3．设置计时器为24秒递减时,其计时间隔为0.1秒。

4．当计时器递减到零时，数码显示器不能灭灯，应发出光电报警信号。

1．2设计方案

分析设计任务，该系统包括脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助时序控制电路（简称控制电路）和报警电路等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24秒计时功能，而控制电路其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24字样；当启动开关断开时，计数器开始计数；当暂停/连续开关拨在闭合位置上时，计数器停止计数，处于保持状态；当暂停/连续开关拨在断开时，计数器继续递减计数。

第2章简易篮球比赛计时基本组成及工作原理

2．1电路组成

电路由秒脉冲发生器、计数器、译码器、显示电路、报警电路和辅助控制

电路五部分组成, 见图2-1.

图2-1 计时器方框图

2.2工作原理

由555 定时器输出秒脉冲经过U2和U3入到计数器U4 的CP D端, 作为减计数脉冲。当计数器计数计到0 时, U4的( 13) 脚输出借位脉冲使个位计数器U5开始计数。当U5计数器计数计到0 时, U5的( 13) 脚输出借位脉冲使十位计数器U6开始计数。当计数器计数到“000”时应使计数器复位并置数“24”。但这时将不会显示“000”, 而计数器从“001”直接复位。从11 脚输出低电平使计数器置数, 并保持为“24”, 同时D发光二极管亮, 即光电报警。按下K1 时, 计数器开始计数。若按下K2,计数器立即复位置数, 松开K2 计数器又开始计数。若需要暂停时, 按下K1, 使计数器保持不变, 断开K1后, 计数器继续计数。按下K3为直接清零。

注：U2为74ls10，U3为74ls04，U4、U5、U6为74ls192.

2.2.1译码显示电路

用发光二极管（LED）组成字型来显示数字。这个数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进数，就必须先把BCD码转换成7段型数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常图2-2 译码显示电路

用的74LS48。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成，如图2-2所示。

数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。数码的显示方式一般有三种：第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示某字符，只须使相应的电极发亮即可，如辉光放电管、边光显示等。第二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成，如荧光数码管等。第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组合便可显示不同的数码，如场致发光记分牌。数字显示方式目前以分段式应用最普遍，如2-3表示七段式数字显示器利用不同发光段组合方式，显示0—15等阿拉伯数字。在实际实用中，10—15并不采用，而是用2位数字显示器进行显示,译码驱动74LS48 和7 段共阴数码管组成。74LS48 译码驱动器具有以下特点: 内部上拉输出驱动, 有效高电平输出, 内部有升压电阻而无需外接电阻。

图2-3 七段式数字显示器利用不同发光段组合

按发光物质不同，数码显示器可分为下列几类：

（1）半导体显示器，亦称发光二极管显示；

（2）荧光数码管、场致发光数字板等。

（3）液体数字显示器，如液晶显示器等。

（4）气体放电显示器，如辉光数码管、等离子显示板等。

如前所述，分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。因此，为了使数码管能将数码所代表的显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段，见图2-4。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使a、b、c、

d、g各段点亮。即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出端有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。

图2-4 74ls48引脚分布图（左）及对应灯状态（右）

七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。它有3上辅助控制端LT、RBI、BI/RBO，现简要说明如下表2-1：

表2-1 74ls48引脚功能表—七段译码驱动器功能

灭灯输入BI/RBO

BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI=0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a—g均为0，所以字形熄灭。

试灯输入LT

当LT=0时，BI/RBO是输出端，且此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a—g 均为1，显示字型8。该输入端常用于检查7488本身及显示器的好坏。

动态灭零输入RBI

当LT=1，RBI=0且输入代码DCBA=0000时，各段输出a—g均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=0与RBI=0可以实现某个一位的“消隐”。此时BI/RBO 是输出端，且RBO=0。

动态灭零输出RBO

BI/RBO作为输出使用时，受控于LT=1且RBI=0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0：若LT=0或者LT=1且RBI=1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器间的连接。

从功能表还可以看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，面对其它输入代码仅要求LT=1，这时候，译码器各段a—g输出的电平是由输入BCD决定的，并且满足显示字形的要求。

2.2.2计数电路

计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它不仅可用来计脉冲数，还常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能。计数器种类很多。按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分，有同步计数器和异步计数器。根据计数制的不同，分为二进制计数器，十进制计数器和任意进制计数器。根据计数的增减趋势，又分为加法、减法和可逆计数器。还有可预置数和可编程序功能计数器等等。

74LS192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。

如图为74LS192的引脚图 2-5：

图2-5 74LS192的引脚图

LD—置数端

CPU—加计数端

CPD —减计数端

CO—非同步进位输出端

BO—非同步借位输出端

D0、D1、D2、D3 —计数器输入端

Q0、Q1、Q2、Q3 —数据输出端

CR—清除端

表2-2为74LS192同步十进制逻辑功能表：

表2-2 74LS192逻辑功能表

当清除端CR为高电平“1”时，计数器直接清零；CR置低电平则执行其它功能。

当CR为低电平，置数端LD也为低电平时，数据直接从置数端D0、D1、D2、D3 置入计数器。

当CR为低电平，LD为高电平时，执行计数功能。执行加计数时，减计数端CPD 接高电平，计数脉冲由CPU 输入；在计数脉冲上升沿进行 8421 码十进制加法计数。执行减计数时，加计数端CPU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD 输入.

此实验我们用到计数器由两片74LS192 同步十进制可逆计数器构成。

利用减计数CR= 0, LD= 0, CPD=1, 实现计数器按8421 码递减进行减计数。

利用借位输出端BO 与下一级的CPD 连接, 实现计数器之间的级联。

利用预置数LD 端实现异步置数。当CR= 0, 且LD= 0 时, 不管CPU 和CPD 时钟输入端的状态如何, 将使计数器的输出等于并行输入数据, 即Q3Q2Q1Q0= D3D2D1D0。

2.2.3 555振荡电路

集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工

作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压VCC＝+5V～+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3～+18V，555管脚如图2-6：

图2-6 555管脚分布图

(1) 构成单稳态触发器图2-7

图2-7单稳态触发器的组成（a）及时序图（b）

暂稳态的持续时间tw决定于外接元件R、C值的大小。tw ＝1.1RC 通过改变R、C 的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化

(2) 构成多谐振荡器如图2-8

图2-8 多谐振荡器的组成（a）及时序图（b）

T＝tw1＋tw2， tw1＝0.7(R1＋R2)C， tw2＝0.7R2C

555电路要求 R1 与R2 均应大于或等于1KΩ，但 R1＋R2 应小于或等于3.3MΩ。由NE555构成的多谐振振荡器。接通电源后，电容C2被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc 时，触发器被复位，同时放电BJTT导通，此时V0为低电平，电容C通过R5和T放电，使Vc下降，当下降至1/3Vcc时，触发器又被置位，V0翻转为高电平。当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R5和Rw、R4向电容器充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：

f=1/(t1+t2) f=1.44/(R1+2R2)C

在这里我们选择R2=51K，C2=10uf，只要调节Rw =9K即可输出10HZ，达到要求。

（3）施密特触发器如图2-9

图2-9 施密特触发器的组成（a）及时序图（b）

2.2.4时序控制电路

此控制电路可以完成以下四项功能：

1、操作“清零K3”开关，要求计数器清零。

2、闭合“K2”开关，计数器应完成置数功能，显示器显示24，断开“启动”开关，计数器开始进行递减计数。

3、当“暂停/连续K1”开关处于“暂停”是，计数器暂停计数，显示器保持不变，当此开关处于“连续”开关，计数器继续累计计数

注：K1实现连续/暂停,K2实现置数/计数功能，K3为清零鍵。当显示减为00时高位BO端发出借位脉冲，使低位芯片无脉冲输入，电路停止计数，同时LED发出报警信号。控制电路如图2-10

图2-10 控制电路

2.2.5报警电路

当芯片2输出为低电平时发光二极管工作，发出报警。如图2-11。

图2-11报警电路

2.3 总体电路图

如图2-12所示：

图2-12 总体电路图

第3章调试

3．1静态测试与调整

3.1.1供电电源表态电压测试

电源电压是各级电路静态工作是否正常的前提，若电源电压偏高或都不能测量出准确的静态工作点。若电源若有较大起伏，最好先不要接入电路，测量其安全安全空载和接入假负载时的电压，待电源、电压输出正常后再接入电路。

3.1.2测试单元电路静态工作总电流

通过测量分块电路表态工作电流，可以及早知道单元电路工作状态，若电流偏大，就说明有短路或漏电。若电流偏小，则电路供电有可能出现开路，只有及早测量该电流，才能减小元件损坏。此时的电流只能作参考，单元电路各表态工作点高完成扣，还要再测量一次。

3.1.3三极管表态电压、电流测试

首先要测量三极管三极地电压，Ub.Uc.Uc,来判断三极管是否在规定的状态（放大、饱和、截止）内工作。例如，测出Uc=0V,Ub=0.68V,Uc=0v，则说明三极管处于饱和导通状态，看该状态是否与设计相同，若不相同，则要细心分析这些数据，并对基极偏置进行适当的调整。其次再测量三极管集电极表态电流，测量方法方法有两种：

（1）直接测量法。直接测量法是把集电极焊接铜断开，然后串入万用表，用电流挡测量电流。

（2）间接测量法。间接测量法是通过测量三极管集电极电阻或发射极电阻的电压，然后根据欧姆定律I=U/R，计算出集电极静态电流。

3.1.4集成电路表态工作点的测试

（1）集成电路各引脚静态对地电压的测量。集成电路内的晶体管、电阻、电容都封装在一起，无法进行调整。一般情况下，集成电路各脚对地电压基本上反映了内部工作状态是否正常。在排除外围元件损坏（或插错元件、短路）的情况下，只要将所测得电压与正常电压进行比较，可做出正确判断

（2）集成电路静态工作电流的测量。有时集成电路虽然正常工作，但发热严重说明功

耗偏大，是表态工作电流还正常的表现，所以要测量表态工作电流。测量时可断集成电路供电引脚铜，串入万用表，使用电流挡来测量。若是双电源供电，则必须分别测量。

3.1.5数字电路表态逻辑电平的测量

一般情况下，数字电路只有两种电平，经TTL与非电路为例，0。8V以下为低电平，1。8以上为高电平。电压在0.8—1.8V电路状态是不稳定的，所以该电压范围是不允许的。不同数字电路高低电平界限都有所不同，但相关不远。在测量数字电路的表态逻辑电平时，先在输入端加入高电平或仰电平，然后再测量各输出端的电压是高电平还是低电平，并做好记录。测量完毕后分析其状态电平，判断是否符合该数字电路的逻辑关系。若不符合，则要对电路引线作一次详细检查，或者更换该集成电路。

3.2 电路调整方法

进行测试的时候，可能需要对某些元件的参数作以调整。调整的方法一般有两种：（1）选择法。通过替换元件来选择合适的电路参数（性能或技术指标）。在电路原理图中，元件的参数旁边通常标注有“*”号，表示需要在调整中才能准确地选定。因为反复替换元件很不方便，一般总是先接入可调元件，待调整确定了何事的元件参数后，再换上与选定参数值相同的固定元件。

（2）调节可调元件法。在电路中已经装有调整元件，如电位器、微调电容或微调电感等。其优点是调节方便，而且电路工作一段时间后，如果状态发生变化，也可以随时调整，但可调元件的可靠性差，体积也比固定元件大。

上述两种方法都适用于静态调整和动态调整。静态测试与调整的内容较多，适用于产品研制阶段或初学者试制电路适用，在生产阶段的测试，为了提高生产速率，往往只作简单针对性的测试，主要以调节可调性元件为主。对于不合格电路，也只作简单检查，如观察有没有短路或断线等。若不能发现故障，则应立即在底板上标明故障现象，再转向维修生产线上进行维修，这样才不会耽误调试生产线的运行。

3.3 动态测试与调整

3.3.1 测试电路动态工作电压

测试内容包括三极管b、c、e极和集成电路各引脚对地的动态工作电压。动态电压与

静态电压同样是判断电路是否正常工作地重要依据，例如有些振荡电路，当电路起振时测量Ubc只留电压，万用表指针会出现反偏现象，利用这一点可以判断振荡电路是否起振。

3.3.2 测量电路重要波形及其幅度和频率

无论是在测试还是在排除故障的过程中，波形的测试与调整都是一个相当重要的技术。各种整机电路都可能有波形产生或波形处理变换的电路。为了判断电路各种过程是否正常，是否符合技术要求，常需要观测各被测电路的输入、输出波形，并加以分析。对不符合技术要求的，则要通过调整电路元器件的参数，使之达到预定的技术要求。在脉冲电路的波形变换中，这种测试更为重要。

大多数情况下观察的波形都是电压波形，有时为了观察电流波形，则可通过测量其限流电阻的电压，再转成电流的方法来测量。用示波器观测波形时，示波器上线频率应高于测试波形的频率。对于脉冲波形，示波器的上升时间还必须满足要求观测波形的时候可能会出现不正常的情况，只要细心分析波形，总会找出排除的方法。如测量点没有波形这种情况应重点检查电源，静态工作点，测试电路的连线等。

3.4频率特性的测试与调整

频率特性是电子电路中的一项技术指标，好坏主要取决于高频调谐器及中放通道频率特性所谓频率特性是指一个电路对于不同频率、相同同谋的输入信号（通常是电压）在输出端产生的响应测试电路频率特性的方法一般有两种，信号源与电压表测量法和扫频测量法。

（1）用信号源与电压表测量法。这种方法是在电路输入端加入按一定频率间隔的等幅正弦波，并且每加一个正弦波就测量一次输出电压。功率放大器常用这个方法测量频率特性。（2）用扫频仪测量频率特性把扫频仪输入端和输出端分别与被测电路的输出端和输入端连接，在扫频仪的显示屏上就可以看出电路对各点频率的响应幅度波形，采用扫频仪测试频率特性具有测试简便、迅速、直观、易于调整等特点，常用于各种中频特性调试、带通调试等。如收音机的调幅465KHZ和高频10。7MHZ常用扫频仪来调试。

3.5整机性能测试与调整

整机高度是把所有经过静态调试的各个部件组装在一起进行的有关高度，它的主要目的是让电子产品达到原设计的技术指标和要求。由于较多内容已在分块调试中完成了调试，整机高度只要检测整机技术指标是否达到原高计要求就可，若不能达到则不能达到则再作适当

调整。整机高度流程一般有以下几个步骤：

（1）整机外观的查检。整机外观的查检主要是检查外观部件是否齐全，外观调节部件和活动部件是否灵活。

（2）整机内部结构的查检。整机内部结构的检查主要是检查内部边线的分布是否合理、整齐，内部传动部件是否灵活、可靠各单元电路板或别的部件与机座是否坚固，以及它们间的连接线、接插件有没有漏了，错、紧等。

（3）结单元电路性能指标进行复检各单元电路性能反对票是否有改变，若有改变，则须调事有关元器件。

（4）整机技术指标的测试。对忆调整好的整机必须进行技术测定，以判断它是否达到原设计的技术要求。如飞机的整机功耗、灵敏度、频率覆盖等技术参数的测定，不同类型的整机有各自的参数，并规定了相应措施的测试方法。

首先检查电源的连接和所有地的连接，用万用表测试，如是电路中出现有有短路或者不连接时再一步一步检查，直至所有的地都连在一起，当检查完了这一步以后，再加上电源，测试出电路中所有芯片的的电源是否通，我们测出74LS192和74LS48和NE555的电源是5V，然后用示波器测出每个芯片输出的波形和芯片资料所给的形相吻合，当不吻合时，仔细阅读芯片资料，再检查每个管脚内部的工作原理，直到完成这个过程。集成电路生产过程中，主要有两次测试。第一次测试是在硅片加工完成后，测试仪通过探针与管芯的焊盘(Bonding Pad)相连，测试程序在输入端加入测试向量，同时检查输出端的响应。如果响应与预计的相同则为合格，否则判定位测试失败。第二次测试是在封装完成后，与第一次测试类似，测试仪通过测试程序完成对芯片的最后测试。做完板后发现暂停有毛刺现象，故补充另一开关来控制暂停，效果好转。

结论

本次设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求：

时钟模块为减计数提供一个频率为10Hz的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为0.1秒钟；

计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减数计时功能；

报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；

控制模块主要是为了实现定时器的启动、直接清零和暂停/连续功能，其中在直接清零

时，由控制开关控制译码器消隐端，从而可以实现显示译码器灭灯；通过暂停/连续开关从而实现断点定时功能。

通过本次课程设计，我们将课本理论知识与实际应用联系起来。按照论坛上的知识和老师讲授的方法，首先是确定思路和要求，然后是分析可能会出现的问题，然后一步步的去解决，对一些疑难问题我们也认真向老师询问请教，和老师一起探讨。

至此，本设计能完成所有任务及要求。

谢辞

大学生活即将结束，感谢曾经教导过我的老师以及关心过我的同学，本论文设计在李老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着李老师的心血和汗水，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成任务。在此向李老师表示深深的感谢和崇高的敬意。

与此同时，我还要感谢在一起愉快的度过舍友，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。