篮球竞赛30秒计时器设计课程设计

沈阳航空航天大学课程设计（说明书）篮球竞赛30秒计时器设计班级/学号学生姓名指导教师沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称数字逻辑课程设计院（系）计算机学院专业计算机科学与技术班级学号姓名课程设计题目篮球竞赛30秒计时器设计课程设计时间:2010年07月15日至2010年07月24日课程设计的内容及要求：一、设计说明在篮球比赛进行过程中经常需要计时操作，设计一个用于篮球竞赛的30秒计时器。其原理参考框图如图1所示。秒脉冲发生器译码显示计数器控制电路报警电路外部操作开关{图1篮球竞赛30秒计时器原理框图二、技术指标1．具有显示30秒的计时功能。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30秒递减计时器，其计时间隔为1秒。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。三、设计要求1．在选择器件时，应考虑成本，要求采用LED显示。2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。四、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。2．进行实验数据处理和分析。五、推荐参考资料1．刘修文主编.实用电子电路设计制作.[M]北京：中国电力出版社，2005年2．朱定华主编.电子电路测试与实验.[M]北京：清华大学出版社，2004年3．路勇主编.电子电路实验及仿真.[M]北京：北方交通大学出版社，2004年六、按照要求撰写课程设计报告指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日成绩评定表评语、建议或需要说明的问题：指导教师签字：日期：成绩一、概述在篮球比赛中，规定了一方的持球时间不能超过30秒，否则就被判做犯规。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，就可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒进行限制。一旦球员的持球时间超过了30秒，它自动的报警。这次课设设计了一个一个篮球竞赛30秒计时器电路。它由秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和时序控制电路五个部分组成。当计数器接收到秒脉冲后开始倒记数，等递减到0时，发光二极管亮光报警。通过控制电路来完成计时器的启动、计数、暂停/继续、译码显示电路的显示等功能。本电路用两个74LS192芯片构成递减计数器（30进制）；控制电路由74LS00和74LS08构成；秒脉冲发生器由555集成定时器构成；两个数码管构成显示电路。二、方案论证图1篮球竞赛30秒计时器原理框图篮球竞赛30秒计时器原理框图如图1所示。功能的电路采用模块化设计，分别都有各自的功能。篮球竞赛30秒计时器包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路、报警电路等5个部分组成。其中计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30秒计时功能，而控制电路控制计数器的启动计数、暂停／继续计数。当启动置数开关时，计数器完成置数功能显示30秒字样；当启动开关时，计数器开始计数；暂停／继续开关连接到连续计数端时，计数器开始连续计数，当连接到暂停计数端时，计数器暂停计数。计数器递减到零时，发出光电报警信号。三、电路设计(1)8421BCD码递减计数器模块电路本实验中计数器选用中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是十进制同步加法/减法计数器，它采用8421BCD码二-十进制编码，其功能表如表1所示。表174LS192的功能表CPUCPDCR操作××00置数↑110加计数1↑10减计数×××1清零由此看出,当LDˊ=1,CR=0,CPD=1时,如果有时钟脉冲加到CPU端,则计数器在预置数的基础上进行加法计数,当计数到9时,COˊ端输出进位下降沿跳变脉冲；当LDˊ=1，CR=0，CPU=1时，如果有时钟脉冲加到CPD端，则计数器在预置数的基础上进行减法计数，当计数到0时，BOˊ端输出借位下降沿跳变脉冲。由此设计出三十进制减法计数器，具体电路图如图2所示,图中的Q0-Q7分别接到显示译码器的输入端，CPD端接到秒脉冲发生器的脉冲输出端。图中预置数为N=（0011000）8421BCD=（30）10，当低位计数器的借位输出端BOˊ输出借位脉冲时，高位计数器才开始进行减法计数。当计数到高、低位计数器都为零时，高位计数器的借位输出端BOˊ输出借位脉冲，使置数端LDˊ=0，则计数器完成置数，在CPD端输入脉冲的作用下，进行下一循环的减法计数。图2三十进制减法计时器(2)时钟信号控制电路VCC5VU10A74LS00NU10B74LS00NR210kΩR310kΩS2Key=B26250VCC23U7A74LS08D1图3时钟信号控制电路图3是时钟脉冲信号CP的控制电路,控制CP的放行与停止。当定时时间未到时，74LS192的借位输出信号BO2=1时，则CLK信号受“暂停/继续”开关S2的控制，当S2处于“暂停”位置时，门U10A输出0，门U7A关闭，封锁CLK信号，计数器暂停计数；当S2处于“连续”位置时，门U10A输出1，门U2A打开，放行CLK信号，计数器在CLK作用下，继续累计计数。当定时时间到时，BO2=0，门U7A关U374192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U474192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14GNDVCC5V11GND9VCC闭，封锁CLK信号，计数器保持零状态不变。从而实现了当暂停/连续开关处于暂停状态时，控制电路封锁计数脉冲，计数器停止计数，显示原来的数，而且保持不变；当暂停/连续开关处于连续状态时，计数器正常计数，的功能要求。注意，BO2是脉冲信号，只有在CPD保持为低电平才能保持不变。(3)秒脉冲信号产生模块电路NE555秒脉冲发生器由555集成定时器构成，其引脚图如图4所示。NE555秒脉冲发生器的周期与其充电的时间有关，充电时间由图11中的电容C1、电阻R1和R2所决定周期的计算公式为：T=Ln2(R1+2R2)×C1。本实验需要的周期是1s，计算出较为稳定的电阻电容值为：R1=15kΩ,R2=68kΩ,C1=10μF,C2=10nF。计算得T=1s。555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI15kΩR168kΩR210uFC110nFC240VVs016151419图4秒脉冲发生电路(4)显示模块电路显示模块用来显示计时模块输出的即时计时和中途计时结果。是由七段数码管构成，计时模块输出计时信号通过译码器译码由数码管显示出来。如图5所示。U1DCD_HEX_DIG_YELLOW图5显示译码电路(5)光报警模块当计数器递减计数到零(即定时时间到)时,控制电路应发出报警信号,使计数器保持零状态不变,同时报警电路工作。如图6所示。当计数到零时,两计数器借位端输出多为低（0）,故本设计将高位片借位2BO反馈到二极管负极性端,此时+5V电源经1k电阻使发光二极管发出光电报警信号,完成报警功能,而在递减计数时,2BO端输出为高（1）,二极管不报警。+5V600ΩBO2图6发光报警电路四、性能的测试(1)秒脉冲信号发生电路的仿真将秒信号发生器接到示波器上，如图6所示。观察输出波形，如图7所示。555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI15kΩR168kΩR210nFC240VVs20181719XSC1ABExtTrig++__+_1010uFC1图6秒脉冲信号发生器仿真图7秒脉冲信号的波形图(2)30秒置数仿真测试启动S1（低电平）成置数功能,LD置为低电平出现30秒字样;断开S1（高电平），LD置为高电平，计数器开始进行递减计数，如图8所示。图830秒置数仿真测试(3)暂停/继续仿真测试当暂停/继续开关S2处于暂停位置（低电平）时，控制电路封锁计数脉冲，计数器停止计数，显示原来的数，而且保持不变，如图9所示；当暂停/继续开关S2处于连续位置（高电平）时，计数器正常计数如图10所示图9暂停仿真测试图10连续仿真测试(4)报警电路的仿真当计数器计到状态“00”时，高位片的借位输出端BO产生低电平借位脉冲信号，由此导通发光二极管产生光报警信号。图11报警电路的仿真五、结论根据实验结果，本设计方案基本完成了设计的要求，总的来说该方案是十分可行的，电路结构简单，条理清晰，结果符合要求。但是由于产生的脉冲信号不易保持以及产生的秒脉冲信号不够稳定和精确的原因还存在着报警时间过短和计数时间不够精确的缺陷，可以通过用分频电路来代替555信号发生器来产生稳定的秒脉冲计时信号，来进一步改善电路计时的准确性；对产生的借位脉冲信号时间过短的原因可以用展宽电路把脉冲扩展到足够宽，使发光二极管持续发光。六、性价比综合各种因素来看，该方案所设计的电路比较经济实惠。虽然由于该电路中的元气件价格低廉但电路的总体性能比较稳定，效果很好，由此可见该方案的性价比还是很高的，若把该方案所设计的电路做成实物图完全可以应用到篮球比赛中。七、课设体会及合理化建议经过一段时间的查找资料和思考问题，最终把设计方案设计出来了。其中在查找资料的过程中收获颇丰，在这个过程中使我学会了如何查找文献资料并运用到自己的方案中去。经过一番深思熟虑后设计出比较实用的电路图，然后用仿真软件进行仿真。在仿真的过程中发现了一些问题，并通过自己的努力最终解决了出现的各种问题，在这解决问题的过程中使我学到了许多以前不太了解的知识，同时也培养了思考问题的习惯，经过一番奋斗后，仿真的结果符合设计要求。在连接实物图的过程中须得步步为营，若是一着不慎连错了后果是很严重的，不好检查线路，因此连线时须的小心再小心。经过最后的努力，终于把实物图所产生的结果与仿真一致。最终，在自己的不懈努力和老师同学的帮助下我的课程设计终于完成了，课设中充满了欢笑与泪水，为一小块的成功而高兴，为一时的困难而伤心，但整个过程是快乐的，因为我在过程中得到了锻炼，动手动脑的能力得到了加强，学到了许多书本上学不到的知识，使我深刻体会了“一分耕耘一分收获”的道理，总之我在课程设计中学到了许多真是一言难尽。在这里我谢谢老师和同学们的帮助，谢谢大家。参考文献1.刘修文主编.是用电子电路设计制作.【M】北京：中国电力出版社，20052.朱定华主编.电子电路测试与实验.【M】北京：清华大学出版社，20043.路勇主编.电子电路实验及仿真.【M】北京：北京交通大学出版社，2004附录I总电路图附录II元器件清单序号编号名称型号数量1U3U4可逆十进制计数器74LS19222U10AU10B二输入一输出与非门74LS00N23U5AU7A二输入一输出与门74LS08D24A1555定时器555_VIRTUAL15VCCVs直流电源+5v2+40v16C1C2电容10nF110μF17R1R2R3R6R7电阻600Ω110KΩ215KΩ168KΩ18U1U2七段显示数码管DCD_HEX_DIG_YELLOW2