篮球竞赛30s计时器

1沈阳航空航天大学课程设计（说明书）篮球竞赛30秒计时器设计班级机电1303学号2013040604110学生姓名曾闯指导教师孙琦1一、概述随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计电子产品成为社会生活不可缺少的部分。就计时器来说，成为检验运动员成绩的一种重要工具。电子课程设计是电子技术学习中一个重要的环节，可以真正的锻炼学生的能力。在许多领域中计时器得到了普遍应用，如体育比赛，定时报警器，游戏中的倒时器，交通信号灯，红绿灯，行人灯等，说明了计时器的重要性。篮球竞赛中规定了球员持球的时间不能超过30s，否则就为犯规，本课程设计的正是“篮球竞赛30s计时器”，可用于篮球比赛中，对球员持球时间做30s限制，一旦球员持球时间超过30s，它自动报警从而判断球员犯规。本次课设要求完成一个用于篮球竞赛的30秒计时器。设计要求①篮球竞赛30秒计时器的直流稳压电源要求自己设计。②在选择器件时，应考虑成本，要求采用LED灯显示。③根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。④画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。二、方案设计该电路包括脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路、报警电路、直流稳压电源6个部分组成。计数器和控制电路是主要部分。计数器完成30s计时功能，控制电路完成启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示和灭灯等功能。总体设计框图如下：在篮球比赛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。其原理如图1所示。图1篮球竞赛30秒计时器原理框图能完成的功能：①显示30s倒计时功能；②系统外部设置操作开关，控制计时器直接清零、启动和连续/暂停功能；③在清零时数码管显示“00”；④计时2器间隔时间为1s，完成30s递减计时；⑤计时器递减到零时，数码管不灭灯，同时发出光电报警信号；⑥启动前数码管显示“30”等。此计时器采用模块化结构，主要由以下3个组成：计时模块、控制模块、译码显示模块。三、电路设计1、直流稳压电源电路直流稳压电路由电压变压器、整流滤波电路及稳压电路组成，电压变压器的作用是将电网220的交流电压变成整流电路所需要的交流电压，通常为降压变压器。整流电路是将输入的交流电压变换为单向脉动电压和电流，这是还需在整流电路的输出端接入滤波电路滤除交流分量，使输出为平滑的直流电压。稳压电路的作用是将滤波电路输出的电压经稳压后，输出较稳定的电压。交流电源220V，选用变压器匝数比为30:1，经过变压后输出电压为7.33V,再通过桥式整流电路整流，又经过极性滤波电容滤波，到达三端集成稳压器，选用三端集成稳压器型号LM7805，最终可输出稳定直流电压5V。电容容量选470μF。直流稳压电源结构框图2所示，直流稳压电源原理图如图3所示。交流输入直流输出图2直流稳压电源结构框图图3直流稳压电源原理图2、多谐振荡器产生秒脉冲信号电路选用555定时器构成多谐振荡器,其引脚功能如下：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。其引脚图如图4所示：变压器整流电路滤波电路稳压电路3图4LM555引脚图LM555秒脉冲发生器的振荡周期T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C，振荡频率f=1/T=1/﹝0.7（R1+2R2）C﹞≈1.43/﹝(R1+R2)C﹞。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=47kΩ,R2=48kΩ,C1=100nF,C2=10μF。LM555秒脉冲发生器由555集成定时器构成，555定时器功能表如表1所示，脉冲信号产生电路原理图如图5所示。表1555定时器功能表输入输出THRTRIRSTUOT晶体管T状态XX00道通2/3VCC1/3VCC10道通2/3VCC1/3VCC11截止2/3VCC1/3VCC1不变不变图5脉冲信号产生电路图3、三十进制计数器4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2所示。表274LS192功能表输入输出CLRLOADUPDOWNDCBAQ3Q2Q1Q01×××××××000000××dcbadcba01↑1××××加计数011↑××××减计数方案中采用十进制双时钟加减可逆计数器74LS192芯片实现减计数功能，其逻辑符号如图6，图中：LOAD为置数端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，CO为非同步进位输出端，BO为非同步借位输出端，A、B、C、D为计数器输入端，CLR为清除端，QA、QB、QC、QD为数据输出端。图674LS192逻辑符号图用两片74LS192芯片串联可作为三十进制计数器，第一片芯片的脉冲输入端由第二片芯片借位输出控制，第二片芯片脉冲输入端直接由555定时器构成的多谐振荡电路产生的脉冲信号控制。第一片芯片同步置数输入端为0101，第二片芯片同步置数端输入为0000。当A接入低电位且B也接入低电位，两对应的数码管输出为“30”；当A断开，LOAD接入高电位，计数器开始计数，直到数码管出现“00”，完成计数。即完成三十进制计数。结合电路（见附录I）可看出,当B接5V时，CR为高电平，计时器清零；当B接地时，CR为低电平、LD为低电平时，D0-D3端输入的数据d0-d3被置入计数器，Q3Q2Q1Q0=d3d2d1d0。当CR为低电平，LD为高电平时，如果CPD为高电平，由CPU端输入计数脉冲，进行加计数。如果CPU为高电平，由CPD端输入计数脉冲，则进行减计数。如果CPU和CPD端都为高电平，计数器保持状态不变。当B5接地时（即CR=0），同时启动开关A闭合时，两片74LS192的LD=0,计数器置30秒.当A断开时，LD=1，计时器工作，CPD端输入秒脉冲时进行减数。当计时器计时到0时，BO1和BO2同时输出低电平0。三十进制计数器电路图如图7所示。图7三十进制计数器电路图4、译码显示电路显示报警时，应用组合电路及发光二极管来实现该功能，选用74LS48来驱动共阴极七线数码管，74LS48逻辑符号如图8所示。图874LS48逻辑符号图图中：A、B、C、D为输入端，OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG为输出端,接入数码管显示。当LT、RBI、BI/RBO都接高电位时，芯片能够正常工作。其功能表如表3所示。6表374LS48功能表功能输入BI/RBO输出备注LTRBIDCBAabcdefg0HH0000H111111011H×0001H01100002H×0010H11011013H×0011H11110014H×0100H01100115H×0101H10110116H×0110H00111117H×0111H11100008H×1000H11111119H×1001H111001110H×1010H000110111H×1011H001100112H×1100H010001113H×1101H100100114H×1110H000111115H×1111H0000000BI××××××L00000002RBIHL0000L00000003LTL×××××H11111114译码器将各级十进制计数器的计数结果进行二-十进制译码，并用74LS48芯片驱动数码管用十进制符号显示出来。译码显示电路如图9所示。图9译码显示电路75、控制电路A是启动开关，B是清零开关。当B打向右端，A闭合时，数码管显示“30”。当A断开时，LODA接入高电位，计数器进行减计数。当B打向左端时，数码管清零，此时显示“00”。C是暂停和连续开关，C打向左端时暂停，C打向右端时连续。计数器完成30秒倒计时或清零后，BO为低电平，二极管发光，计数器不再进行计数，并显示“00”。图10启动、清零图11暂停/连续86、报警电路当计数器递减计数到零(即定时时间到)或直接清零时,显示器显示“00”，计数器保持零状态不变,BO输出为低电平，此时+5V电源经10Ω电阻使发光二极管导通并发出红光电报警信号,完成报警功能。报警电路如图12所示。图12报警电路四、性能测试1、直流稳压电源电路直流稳压电路如图如图13所示。图13直流稳压电源万用表的数据显示为5.001V，即所设计的直流稳压电源的输出电压为5.001V，非常接近5V,所以可认为此直流稳压电源合格。万用表读数如图14所示。图14万用表读数图92、多谐振荡器产生脉冲信号电路555定时器构成的多谐振荡器如图15所示。图15多谐振荡器原理图将示波器连接到多谐振荡器产生的脉冲信号上，进行仿真，示波器上所观察的波形如图16所示。图16示波器输出波形图示波器所显示波形的周期为1.006s，即所设计的信号发生器的输出信号周期为1.006s，其信号频率非常接近1Hz，所以此信号发生器合格。3.整体电路测试10（1）预置30秒对电路进行仿真，将A闭合（接地端），B打向右端（接地端），C打向右端。此时LD为低电平，显示器显示“30”，置数仿真结果如图17所示。图17置数仿真结果图从显示器显示“30”可以得知，整个电路可圆满完成置数功能。（2）暂停/连续功能C为暂停/连续开关。当置数30秒完成后，A断开，计时器开始计时。计时开始后，C打向右端时，U12A输出高电平，控制门U5A打开，秒脉冲信号可以通过控制门U4使计数器进行减数，实现连续功能；开关C打向左端时，U12A输出低电平，U5A门关闭，秒脉冲信号被封锁，计数器处于锁存状态，实现暂停功能。C打向左端时暂停功能的仿真结果如图18所示，C打向右端时连续功能的仿真结果如图19所示。11图18暂停功能的仿真结果图19连续功能的仿真结果从图18的仿真结果可以看出，在减计时过程中，将C打向左端时（此时显示器显示“27”），U5A输出低电平，U12A门关闭，秒脉冲信号被封锁，计时器停止计时，且显示器显示结果保持不变（此时继续保持显示为“27”）。从图19的仿真结果可以看出，当C打向左端后（即处于暂停状态），再将C打回右端，U5A输出高电平，控制门U12A打开，秒脉冲信号可以通过控制门U4，此时显示器显示“26”，并继续递减，从而实现连续功能。12根据以上结果可得出电路能够成功实现暂停/连续功能的结论(3)报警功能当计时器计时到零时，显示器显示“00”，此时计时器的BO端输出低电平，发光二极管自动导通，发出红色报警信号。报警显示如图20所示。图21为发光二极管报警时的局部放大图。图20报警功能仿真结果图21报警时发光二极管的局部放大图（4）清零报警功能B为清零开关计时器递减计时过程中（该过程中A保持断开，C保持打向右端不变），将开关B打向左端（接高电平），此时CR为高电平，计时器清零，显示器显示“00”，报警器发出红色报警信号。清零仿真结果如图22所示。13图22清零仿真结果图仿真结果表明将B打向左端后，显示器自动清零，显示“00”，并且此时报警器报警。电路能成功完成清零功能。五、结论根据实验要求，本设计方案圆满完成了设计要求和各项技术指标。电路结构较为简单，条理清晰，准确度较高。脉冲发生器使用的是555振荡电路，通过对器件参数的调整，使其精度和稳定程度都有较高保证。如果能够通过分频电路来代替555信号发生器的话，产生秒脉冲计时信号能够更加稳定和精准。本次课设中，充分利用文献及其他参考书，两周时间顺利完成了本次课设，通过本次课设使我们所学的知识得到巩固，感谢老师精心的指导，遇到的很多问题迎刃而解，感谢同学的帮助，完善了该功能的缺陷。参考文献[1]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[2]路勇主编.电子电路实验与仿真.[北京]：北方交通大学出版社，200414[3]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版)[M].高等教育出版社[4]周明德.微型计算机系统原理及应用（第四版）[M].清华大学出版社，2002[5]杨宝清.实用电路手册.[北京].机械工业出版社.2002[6]唐颖马杰王海云《数字电路》.[重庆]：重庆大学出版社，2004[7]张玉璞李庆常.电子技术课程