篮球24秒倒计时设计剖析

课题一、篮球竞赛24秒计时器设计 目录 一、设计要求 二、总体参考方案 三、单元电路设计 １. 秒脉冲发生器 ２. 计数器 ３. 译码显示模块 ４. 报警电路 ５. 控制电路 四、附图说明各部分功能的实现 １. 开始状态 ２. 启动、置数。 ３. 保持 ４. 到00时显示器不灭 ５. 报警 五、整体电路图 六、实验室调试 1.元件清单 2.调试过程 3.调试结果(照片) 4.调试心得体会 七、 参考文献

设计要求： 1. 具有24秒计时功能。 2. 设置外部操作开关，控制计时器启动和暂停/连续功能。 3. 计时器为24秒递减时, 计时间隔为1秒。 4. 计时器递减到零时，数码显示器显示00,同时发光二极管亮灯。 主要参考元件：555、74LS192×2、CD4511×2、数码管×2、各类74系列门电路、电阻、电容、开关、发光二极管、NPN三极管、PNP三极管等。 555秒脉冲发生器计数器74LS192显示译码器

CD4511300Ω

限流电阻

控制电路

置数控制启动停止

共阴数码管

倒计时到00时，亮灯

图1 系统结构图 图2 PNP三极管驱动电

前 言 电子课程设计是电子技术学习中非常重要的一个环节，是将理论知识和实践能力相统一的一个环节，是真正锻炼学生能力的一个环节。 在许多领域中计时器均得到普遍应用，诸如在体育比赛，定时报警器、游戏中的倒时器，交通信号灯、红绿灯、行人灯、交通纤毫控制机，还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等，由此可见计时器在现代社会的应用是相当普遍的。 在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就违例了。本课程设计“智能篮球比赛倒计时器的设计”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间24秒限制。一旦球员的持球时间超过了24秒，它自动的报警从而判定此球员的违例。 本设计主要能完成：显示24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24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。 整个电路的设计借助于Multisim仿真软件以及数字电路相关理论知识，并在Multisim下设计和进行仿真，得到了预期的结果。

1、总体设计思路、基本原理和框图 1.1设计思路 本课程设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒计时器。此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有光电报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出光电报警信号。本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的实用价值。 篮球竞赛记时系统的主要功能包括：进攻方24秒倒计时和计时结束警报提示。攻方24秒倒计时，当比赛准备开始时，屏幕上显示24秒字样，当比赛开始

R6300Ω

R710kΩ

VCC5V

LED34744Q3

2N2905

0

VCC

45 后，倒计时从24逐秒倒数到00。这一模块主要是利用双向计数器74LS192来实现；警报提示：当计数器计时到零时，给出提示音。这部分电路主要通过移位寄存器和一些门电路来实现。 此计时器的设计采用模块化结构，主要由以下3个组成，即计时模块、控制模块、以及译码显示模块。在设计此计时器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、方便、快捷。此电路是一时钟产生，触发，倒计时计数，译码显示、报警为主要功能，在此结构的基础上，构造主体电路和辅助电路两个部分。 1.2基本原理 24秒计时器的总体参考方案框图如图1所示。它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和辅助时序控制电路（简称控制电路）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。计数器完成24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。 秒脉冲发生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。报警电路在实验中可用发光二极管代替。 主体电路： 24秒倒计时。24秒计数芯片的置数端清零端共用一个开关，比赛开始后，24秒的置数端无效，24秒的倒数计时器的倒数计时器开始进行倒计时，逐秒倒计到零。选取“00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号，让该信号与时钟脉冲在与门中将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。

总体电路说明： 倒计时功能主要是利用192计数芯片来实现，同时利用反馈和置数实现进制的转换，以适合分和秒的不同需要。由于该系统特殊的需要，到计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并使报警电路的LED灯亮。 2、 单元电路设计（各单元电路图） 2、1各芯片的用法和功能 2.1.1 CD4511显示译码器

CD4511引脚图及功能 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管） 显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下： 具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。 其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状 态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 真值表如图：

2.1.2 555定时器 555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R1.R2向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器C1输出翻转，输出电压为零，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过R1。R2又开始充电；周而复始，形成振荡。则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响。 输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算：

:1tw VVuCCC30

、VuCCC、CtRR211

当1twt时， 把312VuCCCtw代入三要素方程。于是可解出: CtwRR

217.01

:2tw VVuCCC302、 VuC0

当2twt时，32VuCCCtw代入公式,于是可解出： CRtw27.02

振荡周期 sCtwtwTRR127.02121T 于是为了产生周期为1秒的脉冲，可以求出： kR201、kR622、FC10

用555定时器来产生多谐振荡电路如图所示：

2.1.3 74LS192 74LS192是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。当需要进行多级扩展连接时，只要将前级的端接到下一级的CP+端， 端接到下一级的CP-端即可。 74LS192功能表：

2.2 单元模块 2.2.1 信号发生部分 秒脉冲的产生由555定时器所组成的多谐振荡电路完成。电路图如下图所示。当开关断开时，555定时器产生周期为1s的脉冲；当开关闭合时，电路不能输出信号，于是没有脉冲输入74LS192中，故74LS192在保持状态，即实现暂停功能。

图2 信号发生电路 2.2.2 倒计时部分 24秒倒计时电路。这部分电路的主体部分在时钟脉冲的输入情况下工作，下面进行具体分析。 计数器的倒计时功能。用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以，这里的高位不需要做成六十进制的计数器。 因为预置的数是“00”，所以我选信号输入端控制。时钟脉冲与输出信号的或然后通过一个非门才再输进个位（低位）的down端，当停止控制电路送来停止信号时，截断时钟脉冲，从而实现电路的停止功能。低位的借位输出信号用作高位

CPU CPD LD CR

操作

× × × 1 清零 × × 0 0 置数 ↑ 1 1 0 加计数 1 ↑ 1 0 减计数 1 1 1 0 保持