篮球计时系统的设计与制作.docx

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篮球计时系统的设计与制作

篮球计时系统的设计与制作

2008-04-1321:

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设计内容与设计要求

一．     设计内容：

设计制作一个篮球竞赛计时系统，具有单节12分钟倒计时、节数记次和进攻方24秒倒计时功能，具体设计要求如下：

1、具有显示每节12分钟比赛时间的倒计时功能：

用四个数码管分别显示分、秒，其计时间隔为1S。

2、具有节数记次功能，用四个LED分别自动指示比赛节数。

3、具有显示24S倒计时功能：

用两个数码管显示，其计时间隔为1S。

4、分别设置启动键和暂停/继续键，控制两个计时器的直接启动计数，暂停/继续计数功能。

5、分别设置复位键：

按复位键可随时返回初始状态，单节计时器返回到12：

00；进攻方计时器返回到24S。

6、各计时器递减计数到‘00.00’时，计时器停止工作，并给出声音提示，即扬声器输出2~3s的双音频提示音。

7、功能扩展（自选）；

二.设计要求：

1．    设计思路清晰，给出整体设计框图；

2．    设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；

3．    总电路设计；

4．    安装调试电路；

5．    写出设计报告；

                                  主要设计条件

1.       提供直流稳压电源、信号源、示波器等仪器；

2.       提供各类TTL集成电路芯片、电阻、电容及插接件等元器件。

3.       提供电子综合实验装置。

说明书格式

1.       课程设计封面；

2.       课程设计任务书；

3.       说明书目录；

4.       设计总体思路，基本原理和框图；

5.       单元电路设计（各单元电路图）；

6.       总电路设计（总电路图）；

7.       安装、调试步骤；

8.       故障分析与电路改进；

9.       总结与设计调试体会；

10.   附录（元器件清单）；

11.   参考文献；

12.   课程设计成绩评分表。

注意：

课程设计报告说明书要求用16开纸打印

进度安排

第一周：

星期一上午：

安排任务、讲课。

星期一~星期二：

查资料、设计

星期三上午：

领元件〈四楼电子综合实验室〉

星期三~星期五单元电路设计和仿真、调试电路；

第二周：

星期一~星期四安装调试电路；〈四楼电子综合实验室〉

星期五写总结报告,答辩；

篮球计时系统的设计与制作

（二）

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第二章、单元电路设计（各单元电路图）

1、倒计时部分：

（1）①12分钟倒计时秒部分。

运用两片可逆计数器74LS192来构成60进制的减计数器。

这个计数器的低位即个位，不需要搭接任何反馈电路而直接运用74LS192芯片的减计数功能：

时钟脉冲接到down端，置数、清零端无效，即可以实现十进制的倒计时计数功能。

而最低位的计数变化应当与时钟脉冲的变化同步。

所以，原则上应当将时钟脉冲直接引到这片192计数器的减计数时钟脉冲输入端down，但是由于本系统的特定要求，计时电路需要在任何必要的情况下能完成暂停和继续的功能，例如，在比赛中有球员犯规了，计时需要暂停，而当对方球员发球并接到手后，比赛时间需要继续进行倒计时。

所以我在时钟脉冲的引入端接进了暂停/继续开关S，用它来控制时钟脉冲的中断与继续从而实现计时器的的暂停/继续功能。

开关S断开，倒计时暂停，开关S闭合，倒计时继续。

当时钟脉冲通过开关S后，在图中还可以看到时钟脉冲又通过了两个与非门，这两个与非门中靠近开关S的那个是实现计时完全（计时到零）时，实现计时器的停止功能，这部分的功能将在下文的停止控制电路中进行详细介绍。

而另一个则是使时钟脉冲的有效边沿与其他计时器的有效边沿同步而设置的，即这个三脚的与非门仅仅充当了一个非门的作用。

该计数器的高位即十位，与低位的计数进制不相同。

由于时间的分和秒都是60进制，所以这里的计数芯片74LS192必须要接成六进制的计数器。

这里，我选用反馈置数的方法来实现这个功能。

考虑到74LS192芯片的置数端LOAD是异步置数，并且是低电平有效的，所以我根据74LS192芯片减计数的特点（0→9→8→7→6→5→4→3→2→1→0）并综合以上两点特性，就将74LS192芯片的输出端输出9时，即仅QD和QA输出为高电平（二进制数1001）时从这两个引脚引出高电平信号，并通过与非门作用后形成低电平反馈信号，送入74LS192芯片的置数端LOAD使之实现置数动作。

而置数时，输出的数是与输入的数是一样的，所以我设置的数是5（二进制0101），这样，当计数器从0变到9时，由于进行了异步置数，9就在瞬间变成了5，计数输出的结果就变为0→5→4→3→2→1→0，实现了六进制的功能。

这两个计数器通过低位的借位脉冲传输给高位充当时钟脉冲来实现六十进制的功能的。

这个借位信号的给出原理是这样的：

在低位计数器进行正常计数而且输出不为零时，借位输出端BO’输出的是高电平，当计数器输出为零时，借位输出端BO’跳变为低电平，当计数器输出从0变到9时，借位输出端BO’又从低电平跳变回高电平。

这样，就在低位计数器从0变到9的瞬间，在它的借位输出端出现一个电平的上升脉冲沿，从而使高位的计数器倒倒计一个数。

这样，低位每计十个数，高位就减一个数。

由此，这一部分电路就实现了低位计数器每计完十个数，就会向高位借一位。

与十进制减法逻辑上的“借一当十”相符合。

高位计数器的借位信号与此类似，每计完六个数，就向更高一位借一，实现“借一当六”的六进制减法逻辑。

这两个计数器组合起来，就能实现六十进制的减计数功能了。

具体电路图（12分钟倒计时秒部分）：

   在上图中，有几个地方需要说明一下。

首先是反馈的置数信号我只从QD引出，然后将其通过用或非门做成的非门形成反馈信号送入置数端LOAD进行置数。

这样做的目的是为了减少整个电路系统所使用门的种类，从而达到减少使用芯片种类的目的。

可以这样做的原理是QD只在输出9或8（二进制数1001或1000）时为高电平，而且减计数是从0→9→8的顺序进行的，所以选取输出9（二进制书1001）时的QD通过非门后的低电平作为反馈信号进行置数是可以的。

在图中还有A、B、C三个标志，A连到的是12分钟分部分置数端，引过来的信号分别通过两个或非门接到本计数器的清零端口CLR上，这两个或非门的实际作用也是用做非门。

具体作用将在12分钟分部分与之进行综合说明。

B、C连接的是停止控制电路的输出信号，用来截断时钟脉冲的传输，达到计时器停在“00：

00”状态的目的。

篮球计时系统的设计与制作（四）

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②12分钟倒计时分部分。

也是运用两片可逆计数器74LS192来构成减计数器。

在两片计数器的连接上，与秒部分一样。

也是把低位的借位信号作为高位的时钟脉冲进行连接。

而低位计数器的时钟脉冲则是用秒部分高位计数器的借位输出信号来充当的。

另一方面，由于本计时系统到“00：

00”时需要停止计数，也就是整个分钟计时部分只需要从“12”计到“00”就可以了。

所以在这部分电路中的两片计数器都不需要接任何反馈电路，当需要进行计数时，直接从开始预置的数进行倒计即可实现需要的要求。

在置数上，我选用了一个单刀双掷开关通向置数端LOAD来实现预置和计数的转换功能。

活动端连接这两片计数器的置数端LOAD，另外两个引脚分别连接到电源Vcc和地GND。

但在这里又有一个重要的问题就是怎么样在预置状态下，实现四片计数器同时预置出各自所需要的输出。

因为在比赛还没开始时，各计时器都应当预置在一个稳定的输出状态而不进行计数。

这一点，在分部分是通过置数端接高电平来实现，而在秒部分，则是通过清零端接低电平来实现的。

所以当他们要实现预置状态和计数状态的相互转换时，不能共用一个开关，否则，就只有一个部分在动作：

分部分处于预置状态秒部分计时或分部分计时秒部分处于预置状态（清零状态）。

假如用两个不同的开关分别连接到这两个不同的控制端则可以实现同时预置或同时计数，但是在这种情况下，要进行计数时，就会造成开关不同时动作而造成计数器不同时动作产生计时错误。

为了解决这个问题，可以从分部分的置数端并行引出一个信号通过非门送入秒部分的清零端CLR，这样就可以实现预置状态分部分的置数端为低电平时秒部分清零端为高电平，并且在转换时可以实现同时变换，这样就可以用一个开关来实现同时置数或同时计数和同时变换的功能。

在下图中，高位的LOAD连接到秒部分清零端前的或非门，经过或非门反相后输入秒部分的清零端CLR，CP则是秒部分的高位借位输出端直接输过来的信号。

开关G接到高低电平分别进行计数或置数功能。

12分钟倒计时电路：

在上图中，可以清楚地看到时钟脉冲的传输路径，从时钟脉冲发生器出来，到达秒部分电路的低位计数器down端，然后每隔十个脉冲（又可称为十分频）从低位借位输出端BO’出来一个低电平跳变到高位的down端，又每隔六十个时钟脉冲（六十分频）从高位的借位输出端BO’输出一个低电平跳变到分部分的低位计数器down端，最后每隔三百六十个脉冲（三百六十分频）从分部分的借位输出端BO’输出一个低电平脉冲到高位的输入端down。

根据这个关系，可以得到12分钟倒计时电路的显示的状态转换图：

12分钟倒计时电路的显示的状态转换图：

篮球竞赛计时系统（五）

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③24秒倒计时电路。

这部分电路的主体部分与12分倒计时电路的分部分类似，而在时钟脉冲的输入部分与12分钟倒计时的秒部分的时钟脉冲接入类似。

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。

因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端LOAD来进行预置数。

又由于整个系统的置数和置数向计数转换应当同时进行，而且12分钟倒计时分部分预置数也是用置数端LOAD来置数，所以我又选用同一个开关G来进行置数。

时钟脉冲分别通过两个与门才再输进个位（低位）的down端，这也和12分倒计时的功能一样，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的时钟脉冲。

另外一个特别之处是，随时要进行重置计数而不影响主电路12分钟倒计时的计时。

要进行重置，首先在置数端进行考虑，置数端为低电平（CLR低电平）则计数器进行置数动作，置数端为高电平（CLR低电平）计数器进行计数。

所以，我在置数端和原来的置数开关间串接进一个开关C来实现24秒的重置计数转换。

两片计数器具体接法。

Vcc、UP接+5V电源，GND接地；时钟脉冲从与门输出后接到低位的down，然后从低位BO’接到高位的down；输入端低位C、高位B接电源，其他引脚和CLR都接地。

LOAD接到开关C的活动端，C的另外两个引脚分别接G的活动端和地。

而G的另外两个引脚分别接到电源和地。

24秒倒计时电路：

（2）停止控制电路。

各倒数计数器到零时，需要将电路停住。

现在选取各计数器到零的状态即12分计到“00：

00”，24秒计到“00”，从各引脚引出线接到二脚或非门，这时各引脚上都是低电平0，经过或非门后变成高电平1，再把或非门的输出输进与非门，在12分倒计时中用四脚与非门，24秒倒计时中用三脚与非门，这时输出都是低电平，然后将这个电平和时钟脉冲在12分时钟脉冲引入端的与非门，24秒时钟脉冲引入端的与门发生作用，与非门输出高电平1，与门输出低电平0，时钟脉冲被截止。

因为计数器只在上升脉冲沿计数，所以在12分钟的与非门后还加了个与非门做的非门，使两个计数器保持同步脉冲。

为方便说明，现将各计数器编号如下：

12分钟倒计时部分从低位到高位依次为1、2、3、4，24秒倒计时部分由低到高为5、6。

篮球竞赛计时系统（六）

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停止控制电路：

（3）节次控制电路。

这部分电路的要求是用四个指示灯LED分别指示四场不同的节次。

我选用四个D触发器和两个门构成四位可循环同步移位寄存器。

用它的输出作为指示信号分别接到四个LED指示节次。

节次控制电路：

   将这四个D触发器依次命名为D1、D2、D3、D4。

四个D触发器级连，前一个输出送入下一个输入，用一个共同的时钟脉冲，形成同步动作。

为了保证每次输出只有一位是高电平，用个或门把Q2、Q3进行或运算后，送入或非门与Q1进行运算后送回D1。

据次关系可得该电路的状态转换图：

当电源刚接通、开关G没有接地，整个计时系统没有进行工作，Q1-Q4为低电平（0000状态），D=1，四个LED都不亮。

合上G，接高电平，这样，当G接通时就有了一个电平的上升沿跳变，Q1=D1=1；1000状态，LED1亮，指示第一节比赛。

电路进入循环状态，倒计时电路重置一次，该电路状态转换一次，实现节次自动指示。

篮球竞赛计时系统（七）

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（4）警报提示装置。

警报提示就是完成任一计时器计时结束时，系统给出2~3秒的提示音。

这里我选用移位寄存器74LS194作为主体电路。

当计时系统计数时在QD处置进2~3个连续的高电平，并令左移端接地，当系统停止时，即时从停止控制电路取出控制信号通过组合逻辑电路使输出W为高电平，送到发声电路使警报即时发声。

这里的控制信号由停止控制电路的两个输出K1（12分）、K2（24秒）送来。

电路计数时K1=K2=1，停止时K1·K2=0。

警报提示电路:

  由上图组合逻辑电路可得W的逻辑表达式W=（K1+K2）QD,当K1、K2中任一个为0时，W=QD，而同时由于S1=K1·K2,所以S1=0，移位寄存器向左移位并在右端补0，故而与QD相邻的那两个高电平被依次送到W,从而实现2~3秒的警报提示。

三、  总设计（总电路图）

总电路功能介绍：

篮球竞赛计时系统，具有单节12分钟倒计时、节数记次和进攻方转换24秒倒计时功能。

开关G为启动/复位键，控制两个计时模块的直接启动和复位。

复位时可以实现节次的自动转换。

开关S为暂停/继续键，控制两个计时模块的暂停和继续功能。

开关C为攻放转换按钮，控制24秒倒计时的随时复位和计数。

第四章、安装、调试步骤

1、按照面包板的规格，设定好各集成芯片的排放位置、测试各芯片是否与面板接触良好。

2、用D触发器74LS74连接出节次控制模块：

a            测试74LS74，相应的门电路模块74LS02、74LS32的好坏。

b           将两片74LS74做成循环移位寄存器，测试其性能是否达到要求。

3、用移位74LS194寄存器及相关的门电路做出警报提示模块：

a            测试74LS194和门电路的好坏。

b           把74LS194的固定引脚接好。

c            连接74LS194外部门电路组成的组合逻辑电路并测试其功能。

d           进行整体连接并测试其功能。

3、用异步可逆双时钟BCD计数器74LS192及相关门实现定时倒计时电路：

a            测试74LS192和门电路的好坏。

b           先连24秒倒计时模块，并测试其性能是否达到要求

c            加入相应门电路实现暂停和停止/复位功能。

d           连接12分钟倒计时模块，并测试其性能是否达到要求。

e            加入相应门电路实现暂停和停止/复位功能。

4、整体综合连接，测试整体性能。

第五章、故障分析与电路改进

（1）故障分析和解决

在实际连线过程中，出现故障几乎是不可避免的。

其中接线错误就是第一个一个难以避免的困难。

另外一个让人头疼的原因是实验板与芯片接触不良，导致形成软型故障，难以准确找出故障点。

最后，我个人认为还有一个细节也不能忽视，就是实物图和电脑仿真上的芯片接法并不完全一样，电脑仿真上的芯片许多管脚已经默认接地或接电源了，这些我们在实物图上就必须实际地接上，否则就会得到错误的结果。

在查找故障时，首先要有耐心和细心。

同时要开动脑筋，进行认真的分析和判断。

在不通电的情况下，通过目测，对照电路原理图和装配图，检查每一块片是否正确，极性有无接反，管脚有无损坏，连线有无接错（包括漏错线、短路和）通电后，通过类比法，高低电平比较法等方法逐一找出故障点。

（2）电路改进

这一点的重要性在电脑仿真结束时就开始体现出来了。

一般来说，在仿真时都不考虑门电路的具体选取，都是做一部分电路用一部分门。

这样，到最后整个功能实现时，门电路的种类和个数往往就会很多，这就需要对电路进行改进。

对于这种情况，一般就把门电路所组成的电路用逻辑表达式表达出来，然后对表达式进行化简，再把最简式变换回门电路，最后应当力求把门的种类和个数减到最少。

另外，就是在实际的接线过程中，会发现仿真上的有些情况和实际的很不一样，有些甚至不能在实际中实现，这就要求我们对电路进行改进。

例如，我在连接12分钟倒计时的时候，发现仿真时我用的同一个开关在不同的地方居然有两种状态，即一个开关闭合时既是高电平又是低电平，这在实际中是不可能出现的。

像这种情况就要求我们对电路的设计进行改进，这就要求我们对实际情况进行认真分析，另外还要我们对电子技术的基础知识有深刻的了解，这样才能对电路进行合理的改进。

实际的电路改进：

停止功能方面，由于12分钟倒计时的最高两位只从12计到00，所以用不到对应那两个芯片的QD和QC端，所以这两个芯片对应的这四端不必接到停止控制电路的或非门，这样可以减去两个或非门。

节次控制电路方面，原来的脉冲输入是从12分钟倒计时的停止控制端引出，但是在仿真时就可以看到由于74LS192芯片的异步清零、置数功能，在总电源刚打开时，启动键是闭合的，就会有两个干扰脉冲送到脉冲输入端，引起记节电路误动作，刚开始就是第二节。

改进后，我把引入端接到24秒停止控制电路输出端，这样，即使有上述情况，也会因为只有一个启动脉冲而使得记节电路进行正常工作，但这样还是因为共用同一个开关G而使得开关的要求变高，不符合电路设计的要求，所以我直接把G的两端接到高电平和地。

   第六章、总结与设计调试体会

在这次的设计中，让我收获很大，总的来说，有如下体会：

1．   学以致用。

在学习数字电路的过程中，上课都是些理论上的东西，并且实验也是在书本上给出设计好的电路下进行的，只需要我们连接好线路就行了，一直没有真正运用自己所学的知识来设计一个电路。

这次课程设计，真正让我们通过自己的知识和努力，通过查阅资料，自己分析解决问题，自己安装调试，来实现所给课题的要求，既巩固了理论知识，又提高了实践能力。

2．   学会分析解决设计上的问题。

在设计课题中，没一步都要自己去分析解决问题，通过多次的尝试改进来解决问题，有时一点微小的错误都会影响结果的正确与否，而许多的设计细节问题又是非常难以突破的，所以需要学会仔细分析问题，努力解决问题。

3．           提高实践动手能力。

大学中许多的时间都是在学习理论知识，很少参与时间中去，课程设计给我们提供了一个宝贵的机会，理论用语实践，从设计，仿真，安装调试，没一步的进行，都会带来受益非浅的实际操作训练，许多的实践经验是我们在课本上学不到的，必须经过这样严格的自己动手，才会从中体会出设计成果的喜悦。

理论知识总是要用于实践中才得以升华，我们应该更多的参与实践，以增强我们对电子专业的兴趣。

同时，从开发设计一些小规模产品去体会学习开发设计电子产品的设计思路，为以后的工作打下基础。

4．           懂得如何安装调试电路。

设计电路，关键步骤还在于解决实际遇到的问题，安装调试出正确的结果，这一步是最重要的也是最为困难的，许多时候，理论分析正确，却不一定会调试出正确的结果，这关键在于调试过程中的正确与否，我们必须遵循一些安装调试步骤，先单个调试，然后再整体调试，先部分再全部，切不可一次安装后调试，这样很难查出错误所在。

总之，这次课程设计收获是较大的，通过这几天的努力，终于设计调试出“篮球计时系统”电路，从开始的无从下手到处查阅资料，到试着开始设计各个单元电路，再到细节问题的处理及改进，每一步都是一大提高，在设计中困难重重，特别是许多的细节问题很是棘手，但是结果证明，只要不断的努力，不断的思考是一定能实现目标的。

                 第七章、附录（元器件清单）

四2或非门74LS02四片

四2与门74LS08一片

三3与非门74LS10一片

双4与非门74LS20一片

四4或门74LS32一片

双D触发器74LS74两片

可逆十进制计数器74LS192六片

移位寄存器74LS194一片

八、参考文献

《数字电子技术基础》阎石主编   高等教育出版社

《电子技术基础实验》陈大钦主编  高等教育出版社

《电子线路设计、实验、测试》谢自美主编　华中理工出版社