篮球24秒定时电路设计.docx
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篮球24秒定时电路设计
实践教学论文
篮球竞赛二十四秒计时器设计与实现
学院系别:
信息与工程技术学院电气系
专业班级:
电气200802
设计人员:
张海玲(学号:
20083560)
赵海燕(学号:
20083584)
张军(学号:
20083562)
指导老师:
陈松柏(实验员)
李老师(实验员)
四川农业大学
二〇一〇年十月二十四日
摘要
实践是检验真理的唯一标准,在这个信息现代化飞速发展的社会,尤其如此,在大学期间,尽管学习了很多的理论知识,但到底真正掌握了多少,还需要通过实践这道关卡来检验,本次实践教学正是基于所学知识上而开展,锻炼了学生的理论运用能力和实际动手能力,对加深学生对所学知识的理解有很大的帮助。
在现代化信息技术飞速发展的今天,数字电路占据着相当重要的角色,各种数字信号的传递、各种计数器的运用等等都需要数字电路来实现。
定时电路是数字系统中的基本单元电路,它主要由计数器、震荡电路和译码电路组成。
在实际生活和工作中的运用场合很多。
例如,在新的篮球比赛规则中,队员持球时间不能超过24s就是定时电路的一种实际运用。
本次实践中所设计就是众多计时电路中的一种——篮球24秒倒计时器。
它由脉冲产生电路、计数译码显示电路和控制电路三部分组成。
电路的工作原理是:
由秒脉冲发生电路产生标准1HZ的时钟信号进行计数,每1s计数器在上一个基础上进行减1,数码管显示剩余时间,当减到0时,定时时间到,报警电路工作,输出报警信号。
对于定时器的启动、暂停/连续计时等功能由控制开关单元来完成,可以方便的进行不同工作。
篮球24s计时器在简单更改预置基数后可以实现不同时间(1—255s)的计时功能,在调节输入信号(CP)的接口位置(CPU/CPD)后又可以实现顺/倒计时功能,在改变报警电路单元后又可以实现其他不同的用途。
本计时器的使用材料便宜,构造简单,工作稳定,计时准确,功能和扩展和更改方便简单。
因而可以实现了在许多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应用价值。
关键词:
数字电路;倒计时器
ABSTRACT
Practiceisthesolecriterionfortestingtruth,inthisrapiddevelopmentofmoderninformationsociety,particularlyinthecollege,eventhoughlearningalotoftheoreticalknowledge,butintheendthenumberofreallymaster,butalsothroughthepracticeofthishurdletotest,Thepracticeofteachingisbasedontheknowledgeandcarriedouttrainingthestudentsabilitytoapplytheoryandpracticalability,toenhancethestudentsunderstandingofwhattheyhavelearnedagreathelp.
Intherapiddevelopmentofmoderninformationtechnologytoday,digitalcircuitsoccupyaveryimportantroleinthetransmissionofvariousdigitalsignals,etc.,allneedtocountertheuseofdigitalcircuitstoachieve.
Timingcircuitisthebasicunitofadigitalsystemcircuit,whichismainlyfromthecounter,oscillatorcircuitanddecodingcircuit.Inpractice,theuseoflivingandworkinginmanyoccasions.Forexample,inthenewbasketballrulesofthegame,theplayerholdingtheballlongerthanTwenty-foursecondsisapracticaluseoftimingcircuits.
Thepracticeinthecircuitdesignisamanytime-basketballTwenty-foursecondscountdown.Itconsistsofpulsegenerationcircuit,displaycircuitcounteddecodingandcontrolcircuitofthreeparts.Circuitworks:
bythesecondpulsecircuitgeneratestheclocksignalstandard1HZcounts,eachofthecounterinthelast1sonthebasisofminusone,thedigitaldisplaytheremainingtime,whenreducedtozero,thetimertime,alarmcircuits,theoutputalarmsignal.Forthetimerstarts,pause/continuoustimerfunctionbythecontrolswitchunittocompletetheworkcaneasilybedifferent.
Twenty-foursecondsbasketballpresettimerbaseinasimplechangecanbeachievedafterthedifferenttime(onetotwohundredsseconds)thetimingfunctionintheregulationoftheinputsignal(CP)interfaceposition(CPU/CPD)canbeachievedaftercis/countdownfunction,changingalarmcircuitunitcanbeachievedaftertheotherfordifferentpurposes.Theuseofthetimerinexpensivematerials,simplestructure,stable,accuratetiming,features,andexpansionandchangeseasyandconvenient.Whichcanbeachievedinmanyoccasionsthetimetotrackaspecificfunction,insociallifealsohasextensiveapplicationvalue.
Keywords:
digitalcircuit;countdown
引言……………………………………………………………………………………5
第一章篮球二十四秒计时器设计要求
1.1设计要求…………………………………………………………………………6
第二章系统组成及工作原理
2.1系统组成…………………………………………………………………………7
2.2工作原理…………………………………………………………………………7
第三章单元电路设计、参数计算、器件选择
3.1控制电路…………………………………………………………………………9
3.1.1暂停/连续控制电路…………………………………………………………9
3.1.2置数/启动控制电路…………………………………………………………9
3.2秒脉冲发生电路………………………………………………………………10
3.3计时电路………………………………………………………………………12
3.3.1计数器………………………………………………………………………12
3.3.2计时电路的组成……………………………………………………………13
3.4译码显示电路…………………………………………………………………14
3.4.1七段发光二极管(LED)数码管………………………………………………14
3.4.274LS48………………………………………………………………………14
3.5报警电路………………………………………………………………………16
第四章调试及测试结果分析
4.1调试……………………………………………………………………………17
4.2结果分析………………………………………………………………………18
结论…………………………………………………………………………………20
致谢…………………………………………………………………………………21
参考文献……………………………………………………………………………22
附录一原理图………………………………………………………………………23
附录二元件清单……………………………………………………………………24
引言
在篮球比赛中,规定了球员的持球时间不能超过二十四秒,否则就犯规了。
本课程设计的“篮球竞赛二十四秒计时器”,可用于篮球比赛中,用于对球员持球时间二十四秒限制。
一旦球员的持球时间超过了二十四秒,它自动的报警从而判定此球员的犯规。
本设计主要能完成:
显示二十四秒倒计时功能;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;计时器为二十四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,同时发光二极管发出红色报警信号。
方案中应用双时钟加、减同步可逆计数器74LS192来实现倒计时功能,在功能选择过程中选择减计数功能,芯片管脚选择中让借位信号处于工作状态。
在显示零秒亮灯报警电路中,应用组合电路及二极管发光条件来实现该功能。
显示电路用74LS48和7段共阴级数码管来实现,通过控制74LS192的借位信号(BO)来实现灭灯的功能。
第一章篮球二十四秒计时器设计要求
1.1设计要求
[课题名称]:
篮球二十四秒计时器
[基本要求]:
1、具有显示二十四秒计时功能;
2、设置外部操作开关,控制计数器的直接清零,启动和暂停/连续功能;
3、在直接清零时,要求数码显示器灭灯;
4、计时器为二十四秒递减时,计时间隔为一秒;
5、计时器递减计时到零时,数码显示不能灭灯,同时发出光电报警信号。
[主要参考元器件]:
NE555﹑74LS48﹑74LS192、74LS00和74LS10
第二章系统组成及工作原理
2.1系统组成
本课程设计主要包括秒脉冲发生电路、计数电路、数码显示电路、报警电路和控制电路五部分组成,其中控制电路是由各外部操作开关组成,而秒脉冲发生电路是由555定时器电阻和电容组成,计数电路则由74LS192计数器组成,译码显示电路由7段共阴极数码管和74LS48组成,报警电路由普通红色发光二极管和电阻组成。
其设计原理构图如下所示:
图2.1参考原理构图
2.2工作原理
该电路由秒脉冲电路、计数电路、译码显示电路和报警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。
控制电路完成计数器的直接置数、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。
当启动开关闭合时,555振荡器将产生的信号送至计数器的信号输入端,减计数器开始工作,完成二十四秒计时功能。
秒脉冲发生篮球二十四秒计时器的总体参考方案框图如图2.1所示。
它包括控制电路、秒脉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74LS48和共阴极七段LED显示器组成。
报警电路在设计中采用了一只红色发光二极管代替。
分析设计任务,计数器和控制电路是系统的主要部分。
计数器完成二十四秒计时功能,而控制电路具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之间的时序关系。
在操作直接清零开关时,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“二十四”字样;当启动开关断开时,计数器开始计数;为了简单起见,我们将暂停与连续的控制开关放在555电路模块中,通过控制脉冲信号的传送来达到相应的目的。
最后灭灯电路是通过74LS192的清零端和74LS48的灭灯输入信号来实现的。
当计数器CLR端输入高电平时清零,而此时在CLR端接一个非门,再将非门的输出接至74LS48的BO端,就能保证74LS48的灭灯输入信号BO=0,使数码管灭灯。
从而就完成了灭灯电路的实现。
进而实现整个课程设计的要求。
第三章单元电路设计、参数计算、器件选择
3.1控制电路
3.1.1暂停/连续控制电路
电路中通过外部操作开关控制脉冲信号的连续与暂停来实现整个电路的连续与暂停功能。
因为555振荡器本身产生的秒信号就不是很稳定,若将开关接到信号输出端,在拨动开关时产生的振动会影响555信号的输出,从而影响电路的正常工作。
所以设计时,我们将暂停/连续开关放在多谐振荡器的电阻所在支路上,其原理图如图3.1.1所示:
图3.1.1暂停/连续电路
3.1.2置数/启动控制电路
本单元中应用了触发器的记忆功能来实现置数信号的关与闭。
电路制作过程中,我们选择的是按钮开关来实现这一功能。
但按钮开关在使用时要一直按住,很不方便,于是我们就在这部分电路中加了一个R秒触发器,通过它的记忆功能来简化操作。
电路如下所示:
图3.1.2置数/启动控制电路
3.2秒脉冲发生电路
设计中采用NE555来产生一秒的脉冲信号。
555集成定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。
它结构简单,使用灵活,用途广泛,可以组成多种波形发生器﹑多谐振荡器﹑定时延时电路﹑单稳触发电路﹑双稳态触发器﹑报警电路﹑检测电路﹑频率变换电路等。
设计要求要产生一个1秒的脉冲信号作为电路的CP脉冲信号。
通过计算得到以下电路中的参数。
图3.2.1秒脉冲发生电路
由相关公式计算得到R1=R2=68KΩ,C=0.1uF,C1=10uF,因为T=(R1+2R2)Cln2,下面是555的内部结构和引脚图:
图3.2.2555内部结构及引脚图
经搜集资料获得555各引脚的功能如下表:
表3.2.2555定时器功能表
输入
输出
阈值输入6
触发输入2
复位4
输出3
放电管T7
X
X
0
0
导通
<2/3VCC
<1/3VCC
1
1
截止
>2/3VCC
>1/3VCC
1
0
导通
<2/3VCC
>1/3VCC
1
不变
不变
由图3.2.2不难证明表3.2.2的正确性,表中第一行说明555定时器的清零作用。
4脚加入低电平,将对R秒触发器直接置“0”。
接在RD端的三极管起跟随缓冲作用。
当TH高触发端6脚加入的电平大于2/3VCC,TL低触发端2脚的电平大于1/3V时,比较器A1输出高电平,比较器A2输出低电平,触发器置“0”,放电管饱和,7脚为低电平。
当TH高触发端加入的电平小于2/3VCC,TL低触发端的电平大于1/3VCC时,比较器A1输出低电平,比较器A2输出低电平,触发器状态不变,仍维持前一行的电路状态,输出低电平,放电管饱和,7脚为低电平。
当TH高触发端6脚加入的电平小于2/3VCC,TL低触发端的电平小于1/3VCC时,比较器A1输出低电平,比较器A2输出高电平,触发器置“1”,输出高电平,放电管截止,7脚为高电平。
因7脚为集电极开路输出,所以工作时应有外接上拉电阻,故7脚为高电平。
当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时,电路的输出将保持最后一行的状态,即输出为高电平,7脚高电平。
只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时,电路输出的状态才发生变化,即输出为低电平,7脚为低电平。
3.3计时电路
3.3.1计数器
在数字系统中使用的最多的时序电路要算是计数器了。
计数器不仅能用于对时钟脉冲计数,还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
计数器的种类非常多。
如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类,可以将计数器分为同步式和异步式两种。
在同步计数器中,当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。
而在异步计数器中,触发器的翻转由先有后,不是同时发生的。
在设计中我们选择的是同步加/减计数器74LS192。
它是双时钟同步可逆计数器,是8421BCD码计数,其详细引脚图及功能表如下:
图3.3.174LS192引脚图
表3.3.174LS192功能表
输入
输出
CR
LD
CPU
CPD
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
X
X
X
X
X
X
X
O
0
0
0
0
0
X
X
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
1
1
X
X
X
X
保持
0
1
1
X
X
X
X
加计数
0
1
1
X
X
X
XX文库-让每个人平等地提升自我X
减计数
表中CR是清零端,LD是置数端,CPU是加计数时钟输入端,CPD是减计数时钟输入端,D3﹑D2﹑D1﹑D0都是计数器预置数输入端,Q3﹑Q2﹑Q1﹑Q0都是数据输出端,另外,C0是非同步进位输出端,BO是非同步借位端输出端。
74LS192逻辑图
3.3.2计时电路的组成
设计中通过两片74LS192的级联来实现一个二十四进制预置计数初值递减计数器,二十四进制递减计时器的初值为N=(00100100)8421BCD=(24)D。
电路采用串行近制级联,其计数原理是:
当LD=1,CR=0,且CPU=1时,在CPD时脉冲上升沿的作用下,计数器在预置数二十四的基础进行递减计数。
每当个位计数器减计数到零时,其BO1发出一个脉冲作十位计数器减计数的时钟信号,使十位计数器减一计数。
当高、低位计数器处于全零,同时在CPD=0期间,高位计数器时钟脉冲LD2=BO2=0,计数器重新进行异步置数,之后高位LD2=BO2=1,计数器在CPD时钟脉冲作用下,进行下一轮减计数。
该计数器的电路如下所示:
图3.3.2计时电路
3.4译码显示电路
3.4.1七段发光二极管(LED)数码管
LED数码管是目前最常用的数字显示器,图4.4.1(a)及(b)所示为共阴管及共阳管的引脚功能图和电路。
一个LED数码管可用来显示一位(0~9)十进制数和一个小数点。
小型数码管每段发光二极管的正向压降随显示光(通常为红、绿、黄、橙色)的颜色不同略差别,通常约为2~2.5V,每个发光二极管的点亮电流在5~10mA之间。
LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,该译码器不但要完成译码功能,还要有相当的驱动能力。
共阴接法和共阳接法的区别在于它们公共端的接法不一样。
共阳接法中,数码管的公共端3和8都接VCC,而共阴接法中,3、8脚都接GND。
图3.3.2七段共阴极数码管及内部电路
3.4.274LS48
BCD码七段译码驱动器型号有74L秒47(共阳)74LS48(共阴)、74LS48(共阴)等,本设计采用的是74LS48。
图4.4.2所示为74LS48引脚排列图。
其中A~D为BCD码输入端;a~g为译码输出端,输出“1”有效,用来驱动LED七段共阴数码管;LT’为测试输入端,LT’=0时,译码输出全为“1”;BO为消隐输入端,BO=0,译码输出端全为“0”;LE为锁定端,LE=1时译码器处于锁定状态,译码输出端保持在LE=0时的数值,LE=0为正常译码。
74LS48内有上拉电阻,故只需要在输出端与数码管管脚端之间串入限流电阻即可工作。
译码器还有拒伪码功能,当输入码超过1001时,输出全为“0”,数码管熄灭。
表3.4.274LS48功能表
输入
输出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
图3.4.274LS48引脚图
3.5报警电路
设计中要求电路在计数为0时实现光电报警的功能。
设计方案中我们用或门和发光二极管实现了这一功能。
电路图如下图3.5:
图3.5报警电路
上示电路中,将两片计数器74LS192的BO2端通接到发光二极管,当八个输出都为0时,即数码管显示为00时,借位信号BO2输出低电平,发光二极管导通发光,完成光电报警功能。
第四章调试及测试结果分析
4.1电路调试
在本次的实践教学实验设计中,通过上网查找各种资料、讨论,在第二天晚上我们就最终确立了一种比较简单又很完善的方案,并绘制出了完整的电路图。
领取组件后,我们就开始了我们的焊接工作,在我们的共同努力下,只经过短短的三天时间我们就将基本电路焊完成。
但由于缺乏焊接经验,加
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