篮球24秒倒计时器报告

电子课程设计报告

题目名称： 篮球竞赛30秒倒计时器

姓 名：

专 业： 班 级： 学 号： 同 组 人： 指导老师:

南昌航空大学电子信息工程学院

二零零八年九月

电子信息工程学院 电子基础课程设计任务书

I、电子基础课程设计题目：

篮球竞赛30S计时器

II、电子基础课程设计技术要求及主要元器件：

基本要求：1)具有显示30S计时功能，启动和暂停/连续功能， 2)在直接清零时，要求数码显示器灭灯， 3)设置外部操作开关，控制计数器的直接清零， 4)计时器为30S递减计时，计时间隔为1S，

5)计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。 主要元器件：NE555(1)，74ls161(1)，74LSl92(2) III、电子基础课程设计工作内容及进度安排：

1.方案设计，绘制电路图并仿真（2天） 2.电路布线和焊接（3天） 3.电路的调试（2天） 4.课程设计总结和报告（7天） Ⅳ 、主 要参考资料：

1.杨志忠.数字电子技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2000 2.胡宴如.高频电子线路（第三版）.北京：高等教育出版社，2005 3.王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）.北京：高等教育出版社，1999

专业名称： 电子信息工程 班级学号：

06041304

学生姓名： 李莉

指导教师： 万在红 设计时间：

2008.9.1——2008.9.15

摘要

随着世界篮球水平的提高，对计时的准确度及可靠性也越来越高，篮球30秒倒计时器也就孕育而生了。

设计一个篮球30秒倒计时器，主要解决的问题是实现倒计时功能。所以必须要有一个脉冲，为确保产生的脉冲稳定，该设计采用555时基电路构成的多谐振荡器产生周期为0.1秒的脉冲，再通过74LS161十分频来产生周期为1秒的脉冲。计数部分用74LS192芯片来实现，192芯片是8421码计时的，符合30秒读数的需要。译码部分采用74LS248芯片，74LS248是把8421BCD码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接推动LED，显示十进制数。显示部分采用七段数码管，数码管的使用很广泛，价格也不会很贵。整个线路就是把以上几个主要的部分用导线连接焊接起来。

在许多领域中，计时器都得到了普遍应用，比如在体育比赛中的计时器、安全措施中的定时报警器、游戏中的倒计时、维持秩序的交通信号灯、红绿灯、交通信号控制机、闹钟等等......可见计时器在现代社会中是很重要的。在设计计时器时，采用了模块化的思想，使得设计简单、快捷。本设计完成了中途计时功能，实现了在许多特定场合进行时间追踪，在社会生活中会具有广泛的应用价值。

关键字： 控制 倒计时 译码显示 光电报警

目录

前言............................................1 第一章 设计任务及要求........................2 第二章 电路设计原理与设计电路..................3

2.1 设计原理..............................3 2.2 设计方案..............................4 2.3 单元模块...............................4 2.3.1 时钟模块.........................4 2.3.2 8421BCD递减计数器模块............7 2.3.3 辅助时序控制模块.................10 2.3.4 译码显示模块.....................11 2.4 电路改进................................14

第三章 电路仿真，安装与调试..................15

3.1 电路仿真.............................15 3.2 电路焊接.............................15

3.3 电路安装.............................15 3.4 电路调试.............................15

第四章 实验总结.............................16 参考文献.....................................17 附录一.......................................18 附录二..........................................18

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是何其重要的。

篮球作为一项全民健身项目，已有一定的历史。在中国，篮球很盛行，篮球比赛也日趋职业化。篮球比赛中有一项违例时间要用倒计时器，目前多数采用的是24秒制，但随着篮球制度的改革将会采用30秒制。有需要就会有市场，因此设计一款30秒计时器是非常有必要也非常有前景的。

该款计时器是在原来的基础上把24秒制改为30秒制。该计时器要有递减计时及报警功能。因此符合比赛中违例判罚的需要。

在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过30秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛30秒计时器”，可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间30秒。一旦球员的持球时间超过了30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30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30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 2001仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在Multisim 2001下设计和进行仿真，得到了预期的结果。

第一章 设计任务及要求

一、篮球竞赛30秒计时器（基本要求）： 1）具有显示30S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30S递减计时，计时间隔为1S；

5)计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，同时发出光电报警信号。 二、设计任务及目标：

（1）根据给出的电路原理图分析各单元电路的功能； （2）熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能；

（3）进行电路的安装、调试，直到电路能达到规定的设计目标； （4）写出完整、详细的课程设计报告。

第二章 电路设计原理与设计电路

2.1 设计原理

分析设计任务，该系统包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、辅助时序控制电路（简称控制电路）和报警电路5个部分构成。其中，计数器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30秒倒计时功能，而控制电路具有直接控制计数器的清零，启动和暂停/连续功能、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能。为满足设计要求，设计控制电路及控制开关时，应该正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清零时，要求计数器清零，数码显示器灭灯。当启动开关J2闭合时，辅助控制电路应该封锁时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样，计数器开始进行递减计数；当暂停/连续开关J1闭合（即拨到暂停位置）时，计数器停止计数，处于保持状态；当J1断开时，计数器继续递减计数。当开关J3闭合与地连接时，计数器直接清零，同时数码显示器灯灭。当开关J3闭合与高位那片74LS192的借位端连接时，计数器正常计数。且当计数器递减计数到零时（即定时时间到），控制电路发出报警信号。

30s计时器的方框图如下图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、辅助时序控制电路（简称控制电路）五部分组成。该设计中用发光二极管来代替报警电路，二极管发光即代表报警。

整体原理框图如下所示：

2.2 设计方案

用555时基电路构成的多谐振荡器来产生频率为10Hz的脉冲，即输出周期为0.1秒的方波，再将该脉冲信号加到由74LS161构即周期为1秒，接着将该信号送到计数器74LS192的CP减计数脉冲端,再通过译码器74LS248把输入的8421BCD码经过内部作和电路“翻译”成七段（a，b，c，d，e，f，g）输出，然后直接推成的十分频器上，这样由74LS161后输出的脉冲频率为1Hz，动LED，显示十进制数，然后在适当的位置设置开关或控制电路即可实现计数器的直接清零，启动和暂停/连续、译码显示电路的显示与灭灯及光电报警等功能，光电报警用发光二极管来代替，灯亮代表报警。这是方案一，电路图见图2。也可以用555构成的多谐振荡器直接产生频率为1Hz的秒脉冲，这是方案二。由于两个方案的原理基本相同，且实现的功能也相同，为了确保输出的脉冲的稳定，这里采用第一种方案。以下所述均针对方案一。

篮球30秒倒计时计时器电路图 图2

2.3 单元模块 2.3.1 时钟模块

本设计采用555构成的多谐振荡电路（即脉冲产生电路），其内部管脚图如下图3.通过计算可以确定参数的取值：R1=51KΩ，R2=47KΩ,C2=1.0uF,C1=10nF.因此产生的脉冲周期为：T=0.7(R1+2R2)C2=0.1s,之后经过74LS161用异步清零法十分频，使得74LS161输出的脉冲周期为1s.

脉冲产生电路 图3

芯片NE555

NE555是时基集成电路，它在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。 下图是NE555的内部功能原理框图和内部管脚图。

NE555内部管脚图 芯片74LS161

74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，它可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能.

<74ls161引脚图> 输 入

输 出 CR CP LD EP ET D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 a 0 Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф Ф 0 0 0 1 ↑ 0 Ф Ф d c b a d c b 1 ↑ 1 0 Ф Ф Ф Ф Ф Q3 1 ↑ 1 Ф 0 Ф Ф Ф Ф Q3 1 ↑ 1 1 1 Ф Ф Ф Ф Q2 Q1 Q0 Q2 Q1 Q0 状态码加1 <74LS161功能表>

从74LS161功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。

芯片74LS00

74LS00是常用的2输入四与非门集成电路，它的作用很简单，顾名思义就是实现一个与非门。

Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y

┌┴—┴—┴—┴—┴—┴—┴┐ __ │14 13 12 11 10 9 8│

Y = AB ） │ 2输入四正与非门 74LS00 │ 1 2 3 4 5 6 7│

└┬—┬—┬—┬—┬—┬—┬┘ 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND

<74LS00引脚图>74LS00真值表： A＝1 B=1 Y=0 A＝0 B=1 Y=1 A＝1 B=0 Y=1 A＝0 B=0 Y=1

2.3.2 8421BCD码递减计数器模块

74LS192是一块同步8421BCD码加/减计数器，具有直接清零、置数、加锁计数功能。计数器选用汇总规模集成电路74LS192进行设计比较简便。74LS192是双

时钟方式的十进制可逆计数器，CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端，LD为预置输入控制端，异步预置，CR为复位输入端，高电平有效，异步清除，CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。 电路图见图4.

计数模块 图4

计数电路由两片74LS192来构成。由于是做30s倒计时电路，所以计数CP脉冲应从CPD端（即DOWN端）输入，并且计数器的预置数（BCD码）应为00110000，其中上片74LS192置为0000，下片74LS192置为0011，即为十进制的30.它的计数原理是：只有当低位BO端发出借位脉冲时，高位计数器才作递减计数。当高、低位计数器处于全零，且CPD为0时，置数端LD为0，计数器完成并行置数，

在CPD端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下一次循环减计数。

芯片74LS192

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能. 0 CPQ3 Q2 Q1 QCR VCC D0 CR BO CO LD D2 D3 16 15 14 13 12 11 10 9 74LS192 74LS192 1 2 3 4 5 6 7 8 CPD D3 D2 D1 D0 LD D1 Q1 Q0 CPD CPU Q2 Q3 （a） GND 74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。 （b） CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 LD为预置输入控制端，异步预置。

CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出 BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。 其功能表如下： 输入 MR × × 1 × × 1 PPPP 输出 Q3 Q2 Q1 Q0 3 2 1 0 1 × 0 0 0 1 0 1 × × × × 0 0 0 0 d c b a d c b a × × × × 加计数 × × × × 减计数 74LS192的功能表

2.3.3 辅助时序控制模块

总电路图如图5所示：

整体电路 图5 控制电路要完成以下功能：

1.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。 1）开关J2在电路图中起到启动的作用，闭合启动开关J2，计数器完成置数功能，显示器显示30秒字样，计数器开始进行递减计数。

2）开关J1在本设计中起暂停/连续作用，当启动开关闭合后，计数器进行递减计数。若闭合开关J1，则计数暂停，控制电路封锁时钟脉冲信号CP，显示器上保持原来的数不变，当开关J1断开，计数器继续累计计数。

3）开关J3在电路中起到了控制计数器的直接清零，同时数码显示器灭灯的功能。如图4，当开关J3闭合与地连接时，计数器直接清零，同时数码显示器灯灭。当开关J3闭合与高位那片74LS192的借位端连接时，计数器正常计数。且当计数器递减计数到零时（即定时时间到），控制电路发出报警信号，本设计中采用发光二极管代替报警器，所以发光二极管灯亮代表报警信号。

当计数到零时，两计数器借位端输出为零，，该设计中将高位片借位端通过两次反向反馈到二极管的负端，此时+5V电源经390Ω电阻使二极管发光（光电报警信号），完成报警功能。而在递减计数时，74LS192的借位端输出为高。

2.3.4 译码显示模块

该模块由两片74LS248译码器和共阴极七段数码管LED显示器组成，通过计数器的输出加到译码器的输入，从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数功能。

（1）74LS248是七段显示译码器，电路部分图为图6：

译码显示模块 图6 1）A、B、C、D是BCD码的输入端；

2）OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG（即a、b、c、d、e、f、g）是输出端； 3）其功能表为下图所示：

4）试灯输入端：低电平有效。当=0时，数码管的七段全亮，与输入的译码信号无关。该输入端用于测试数码管的好坏；

5）动态消隐输入端：低电平有效。当=1、=0时，且译码输入全为0时，该位输出不显示，即0字被熄灭；当译码输入不全为0时，该位正常显示。本输入端用于消隐无效的0. 6）灭灯输入/动态消隐输出端有时用作输出。当输入无关。但

：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，

作为输入使用，且为0时，数码管七段全灭，与译码作为输出使用时，受控于

和

；当

=1且

=0时，=0；其他情况下=1.该端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。 （2）共阴极七段LED数码管

共阴极七段LED数码管是比较常用的显示数码管，其管脚COM端一定要接地（如果使用的是共阳的，则COM端接高电平），且在实验时一定要加一个保护电阻限流（这里用了一个390Ω的电阻）。 1）其管脚图如下：

2）数码管使用条件：

a、段及小数点上加限流电阻；

b、使用电压：段：根据发光颜色决定； 小数点：根据发光颜色决定

c、使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA

3）数码管使用注意事项说明：

A、数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角； B、焊接温度：２６０度；焊接时间：５Ｓ C、表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。

2.4电路改进

为了使电路启动时不出现乱码及不稳定现象，在此对辅助控制部分做了如下改进，如图7所示。

操作“清零”开关时，计数器清零。闭合“启动”开关时，计数器完成置数，显示器显示30断开“启动”开关，计数器开始进行递减计数。电路图中，当开关J1合上时，LD=1，74LS192进行置数；当J1断开时，LD=0，74LS192处于计数工作状态。开关J2是时钟脉冲信号CP的控制电路。当定时时间未到时，74LS192的借位输出信号BO2=0，则CP信号受“暂停/连续”开关J2的控制。

辅助控制部分改进电路 图7

（1.74A04B的管脚2接74LS192的4脚 2.74LS10的1脚接74LS192的13脚）

第三章 电路仿真、安装与调试

3.1 电路仿真

电路采用Multisim2001软件进行仿真，仿真前须明白：在仿真软件上能仿真出结果的设计电路并不代表在实际电路中能得到同样的结果；仿真不出结果的电路也并不代表在实际电路中得不出结果。仿真只是给我们提供一个环境去验证一下自己的设计电路。 仿真的基本步骤：

1.用虚拟器件在工作区建立电路； 2.选定元件的模式、参数值及标号； 3.选择分析功能和参数； 4.激活电路进行仿真。

仿真前仔细检查电路是否连接好了，芯片的管脚是否接错。确认后即可仿真。 3.2 电路焊接 焊接电路时，电烙铁不可以在电路板上停留过长时间，不该短路的地方千万不要短路，否则调试时很可能烧坏芯片。注意焊接时：不要虚焊、漏焊以及过焊。 3.3 电路安装

安装电路时需注意一下几点：

1）一般以电路板的左端为输入、右端为输出。此时按照输入级、中间级、输出级的顺序进行电路布局及安装；

2）同一块同类元器件应采用同一安装方式，即距离实验板表面的高度应该大体一致。如果采用立体安装方式，元器件型号或标应朝同一方向，而卧式安装的元器件型号或标称值应同朝上方，集成电路的定位标志方向应一致。

3）元器件的引线一般不宜剪的过短，以便重复利用。实践证明，虽然元器件完好，但往往由于布线不好，造成电路工作失常。这种故障不像脱焊、断线、接触不良、器件损坏那样明显，多以寄生干扰形式表现出来，很难排除。 3.4 电路调试

电路安装完毕后，必须经过调试才能正常工作。通常采用以下两种调试方法： （1）单元调试：把电路按照框图上的功能分成若干个单元分别进行调试，然后再完成各个单元电路调试的基础上逐步扩大调试范围，最后进行整个电路的调试。对于新设计的电路而言，这种方法既便于调试，又能及时发现和解决问题，该方法适用于课程设计。

（2）待整个电路安装完毕后，再对电路进行调试，这种方法适合于产品。

调试时需要记录各个部分的测试数据及波形，以便于分析和运行时参考。

第四章 实验总结

篮球竞赛30S计时器的设计主要分为五个模块：时钟模块（即秒脉冲发生模块）、计数模块、译码显示模块、辅助时序控制模块（简称控制电路）和报警电路，其中计数模块中的两片计数器的加计数器脉冲输入端都要接高电平，且要将低位片的借位信号加到高位片的减计数脉冲输入端。高位片计数器的借位信号控制报警信号，在进行减计数时，借位信号一直为高，此过程报警信号不工作，当计数器减计数到零时，借位信号变为低，发光二极管导通，这样就产生了光电报警信号，在将借位信号和暂停/连续控制信号和时序脉冲信号加到一起作用低位计数器减计数脉冲输入端，即实现计数器递减计数到零时，显示器不灭灯，同时发出光电报警信号。

课程设计实验须要的是活学活用。在两周与同学们交流以及电路焊接过程中，我认识到合作的重要性。首先，基础知识的掌握是课程设计的基础，没有理论知识的后盾就不能将电路设计得当，或者说就根本设计不出来。其次，理论的掌握也要靠实践来体现。我对这次的实践有如下几条结论：

第一，做事要胆大心细，不要怕烫到手，更不能粗心大意，否则很可能要重来。好久没有拿电烙铁会有一种莫名的恐惧感。面对困难，要冷静大胆，不能慌。焊接电路最忌讳的就是粗心大意。有时候结果出不来很可能就是焊接某个地方时想别的事去了，这也是很多高年级学长常犯的错，这里我们一定要吸取教训。 第二，遇到困难一定要冷静思考其中的缘由，不能动不动就叫老师检查，这样根本就提高不了自身的水平。比如说，数码管倒计时至0时，报警灯不亮。首先的话要检查电路有没有虚焊，这是必须的。其次，假如没有虚焊，电路的线路也没有接错，那很可能要换一个发光二极管了。

第三，做事前一定要做好充分准备，机会往往留给有准备的人。要焊接电路最原始的准备应该是做好仿真，并且打印好。一些芯片的管脚也是必须要弄清楚的。这次我们做的不够好，因为老师要我们暑假查好资料，但确实因为自己的懒惰，一些资料没有查到位，这是我要深刻检讨的地方。

第四，最重要的放在最后讲吧！就是合作精神，在前面我也提到了，实验是两个人的事。设计，焊接，描电路图，都要两个人讨论。不能因为某个人哪方面强就分工，这样的话锻炼的只是自己的强项，就片面了。遇到错误更加需要合作，因为两个人的是视角不一样的，检查到的方面更加广。这是人多的优势，得珍惜利用。

参考文献

1《中国集成电路大全》编写委员会，中国集成电路大全TTL集成电路，北京国防工业出版社，1985

2孙人杰，《电路数据手册TTL电路》电子工业出版社，19

3王毓银.数字电路逻辑设计（第三版）.北京：高等教育出版社，1999 4杨志忠.数字电子技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2000 5胡宴如.高频电子线路（第三版）.北京：高等教育出版社，2005

6邓云祥. 孟劲松.苏燕辰.《数字电路的设计 》中国测试技术，2005年03期 7 鲁欣,赵亦工,徐秀红.《数字电路设计方案的比较与选择》.北京：信息产业部电子第六研究所，2002

附录一：

1.芯片：LM555 一片 ，74LS161 一片，74LS00 一片，74LS192 两片，74LS248 两片，74LS04 一片

2.电阻：51KΩ 一个 ， 47KΩ 一个，10KΩ 一个，390Ω 一个 3.电容：1.0uF 一个，10nF一个

4.开关：单刀单掷开关 2个，单刀双掷开关 1个 5.发光二极管：1个 6.共阴数码管：2个

附录二：

篮球竞赛30S计时器实路图