主要內(nèi)容：
籃球比賽中除了有總時間倒計時外，為了加快比賽的節(jié)奏，新的規(guī)則還要求進攻方在30秒內(nèi)有一次投籃動作，否則視為違例。我們小組設(shè)計了一個籃球比賽計時器，可對比賽總時間和各方每次控球時間計時。該計時器采用按鍵操作、LED顯示，非常實用。此計時器也可作為其他球類比賽的計時器。
通過脈沖發(fā)動器以及計數(shù)顯示等電路系統(tǒng)完成籃球競賽的30s計時，可以啟動與退出，中途暫停與繼續(xù)，清零重新計時，以及重置30s計時，在倒計時完畢后顯示00并發(fā)出閃光和鳴叫警報，輔助比賽秩序順利進行。
基本要求：
（1） 具有30s計時功能
（2） 設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計數(shù)器的直接清零、啟動和停止功能
（3） 在直接清零時，要求數(shù)碼顯示器滅燈
（4） 計時器為30s遞減計時，計時間隔為1s
（5） 計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，同時發(fā)出光電報警信號
（6） 暫停和連續(xù)計數(shù)功能。當暫停后需要繼續(xù)計數(shù)時，計數(shù)器繼續(xù)累積計數(shù)
參考資料
[1]胡成松，黃玉蘭，李文紅．C語言程序設(shè)計．北京：機械工業(yè)出版社，2015
[2] 雷于生，胡成松．C語言程序設(shè)計．北京：高等教育出版社，2009
目 錄
1序言 1
2設(shè)計任務(wù)及要求 1
3設(shè)計方案 1
4各個電路的功能分析 2
4.1脈沖發(fā)生器（555定時器） 2
4.1.1 用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器 2
4.1.2 用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器 3
4.1.3 用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 4
4.2 計數(shù)器（74LS192） 5
4.3譯碼顯示電路（74LS48,7SEG-BCD） 6
4.4 控制及警告電路（啟動/停止等） 9
5電路總圖 10
5.1電路總圖 10
5.2電路實物焊接圖 11
6心得體會 11
7參考文獻 12
1序言
籃球比賽中除了有總時間倒計時外，為了加快比賽的節(jié)奏，新的規(guī)則還要求進攻方在30秒內(nèi)有一次投籃動作，否則視為違例。我們小組設(shè)計了一個籃球比賽計時器，可對比賽總時間和各方每次控球時間計時。該計時器采用按鍵操作、LED顯示，非常實用。此計時器也可作為其他球類比賽的計時器。
2設(shè)計任務(wù)及要求
（1）具有30s計時功能
（2）設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計數(shù)器的直接清零、啟動和停止功能
（3）在直接清零時，要求數(shù)碼顯示器滅燈
（4）計時器為30s遞減計時，計時間隔為1s
（5）計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，同時發(fā)出光電報警信號暫停和連續(xù)計數(shù)功能。當暫停后需要繼續(xù)計數(shù)時，計數(shù)器繼續(xù)累積計數(shù)
3設(shè)計方案
本設(shè)計的核心是一個30s計時器，根據(jù)要求要將計時進行實時顯示，同時達到設(shè)計任務(wù)中的清零、重置、報警等各項要求。初時確定課題后，是沒有什么頭緒的，想法就是通過元器件以秒為單位發(fā)出脈沖，并計次顯示，如此大致思路。結(jié)合目前學(xué)習(xí)中的知識，定時器、計數(shù)器、7段譯碼器以及7段顯示器首先成為選擇，翻閱了數(shù)電書后，簡單繪圖大致思路即定型，方案初步可行。細節(jié)性的東西再結(jié)合往期知識來完成，設(shè)計課題大致不會有問題，借此機會加深對各個元器件的了解和運動，來完成課題設(shè)計。
電路系統(tǒng)應(yīng)包括幾個部分，分別為：脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼器、顯示電路、控制系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)幾個主要部分來完成。其中計數(shù)顯示是電路的核心部分。計數(shù)器完成30s計時功能，而控制電路具有直接控制計數(shù)器的啟動計數(shù)、暫停、連續(xù)計數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈功能。為了滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，在設(shè)計控制電路時，應(yīng)正確處理各個信號之間的時序關(guān)系。在操作直接清零開關(guān)時，要求計數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器顯示零。當啟動開關(guān)閉合時，控制電路應(yīng)封鎖時鐘信號CP，同時計數(shù)器完成置數(shù)功能，譯碼顯示電路顯示30s字樣；當啟動開關(guān)斷開時，計數(shù)器開始計數(shù)；當暫停、連續(xù)開關(guān)撥在暫停位置上時，計數(shù)器的停止計數(shù)，處于保持狀態(tài)；當暫停、連續(xù)開關(guān)撥在連續(xù)時，計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù)。
其設(shè)計思路及各電路單元大致如下：
由基本電源供電，通過對電源的開關(guān)選擇來達到整個計數(shù)工具的開啟與關(guān)閉。脈沖發(fā)生器以秒為單位發(fā)出脈沖信號，并配以開關(guān)控制與電源的接觸達到脈沖波的暫停與繼續(xù)。通過計數(shù)器進行脈沖計數(shù)，并根據(jù)計數(shù)，自動鳴叫，閃光。通過控制電路，對計數(shù)器進行清零和置數(shù)控制。計數(shù)器的數(shù)字信號，通過譯碼器以及最后的數(shù)字顯示器，達到計數(shù)顯示的最終設(shè)計目的。
4各個電路的功能分析
4.1脈沖發(fā)生器（555定時器）
555定時器是一種中規(guī)模集成電路，利用它可以方便的構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等。555定時器具有功能強、使用靈活、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。目前在儀器、儀表和自動化控制中得到了廣泛的應(yīng)用。
555定時器有TTL/COMS型兩類，它們的邏輯功能和外部引腳排列完全相同。它是雙列直插式組件，它由分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電管和輸出緩沖級幾個基本單位組成。主要是通過外接電阻R和電容C構(gòu)成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關(guān)管的通斷。這就很方便地構(gòu)成從微秒到數(shù)十分鐘的延時電路、以及多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器等脈沖波形產(chǎn)生和整形電路。
555為8腳時基集成電路如圖4-1所示，各腳主要功能：
1 接地GND 2 低觸發(fā)端TR
3 輸出端OUT 4 復(fù)位端R
5 控制電壓CV 6 高觸發(fā)端TH
7 放電端DC 8 電源電壓VCC
圖4-1 555芯片引腳圖
4.1.1 用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器
用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路如圖4.1.1-1所示，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，也不需要外加觸發(fā)信號，利用電源VCC通過R1和R2向電容器C充電使Uc逐漸升高，升到2VCC/3時，U0跳變到低電平，放電端D導(dǎo)通，這時，電容器C通過電阻R2和D端放電，使Uc下降，降到VCC/3時，U0跳變到高電平，D端截止，電源VCC又通過R1和R2向電容C充電。如此循環(huán)，振蕩不停，電容器C在VCC/3和2VCC/3之間充電和放電，輸出連續(xù)的矩形脈沖如圖4.1.1-2所示。
輸出信號U0的脈寬tW1、tW2、周期T的計算公式如下：
tW1=0.7（R1+R2）C
tW2=0.7R*2C
T=0.7（R1+2R2）C
本次設(shè)計的核心之一便是555多頻振蕩器，設(shè)計選用555多頻振蕩器來做為計時器并以1s為周期發(fā)出的脈沖。其周期計算為：
0.7（R1+2R2）C=T=1s=0.7(4.4kΩ+2*5kΩ)100uF
得出多頻振蕩器各輔助器件參數(shù)R1=4.4kΩ，R2=5kΩ，C=100uF，連接電路，多頻振蕩
器即脈沖發(fā)生器完成。
圖4.1.1-1：多諧振蕩器電路 圖4.1.1-2：電容器C充放電波形圖
4.1.2 用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器
用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器如圖4.1.2-1所示。將2管腳和6管腳連在一起作為信號輸入端即可在輸入端外接三角波Ui，當Ui上升到2VCC/3時，輸出U0從高電平翻轉(zhuǎn)為低電平；當Ui下降到VCC/3時，輸出U0從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平。施密特觸發(fā)器將輸入的三角波整形為矩形波輸出。電路的工作波形如圖4.1.2-2所示:
圖4.1.2-1：555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器 圖4.1.2-2：電路的工作波形
4.1.3 用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器
用555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖4.1.3-1所示R、C時定時原件。輸入脈沖信號Ui加于2管腳。輸入觸發(fā)信號Ui的有效電平是低電平，當Ui處于高電平時，放電端D導(dǎo)通，Uc和U0均為低電平，電路為穩(wěn)態(tài)。當輸入觸發(fā)信號Ui的下降沿到來時刻，2管腳點位瞬間低于VCC/3，使輸出U0變?yōu)楦唠娖�，放電段D截止，電源VCC通過電阻R向電容器C充電，使Uc按指數(shù)規(guī)律上升，電路為暫穩(wěn)態(tài)。當Uc上升到2VCC/3時，使輸出Uo變?yōu)榈碗娖�，D端導(dǎo)通，電容器C經(jīng)D端迅速放電，暫態(tài)結(jié)束，自動恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，為下一個觸發(fā)脈沖的到來最好準備如圖4.1.3-2所示。
輸出脈寬tW是暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間為 tw=1.1RC
此電路要求輸入信號的負脈沖寬度一定要小于tW。
圖4.1.3-1：555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 圖4.1.3-2：輸入脈沖信號的波形
4.2 計數(shù)器（74LS192）
計數(shù)器是一個用以實現(xiàn)計數(shù)器功能的時序邏輯部件，它不僅可以用來對脈沖進行計數(shù)，還常用作數(shù)字系統(tǒng)的定時、分頻和執(zhí)行數(shù)字運算以及其他特定的邏輯功能。
74LS192為可預(yù)置的十進制同步加/減計數(shù)器（雙時鐘），其清除端是異步的。當清除端（MR）為高電平時，不管時鐘端（CPD、CPU）狀態(tài)如何，即可完成清除功能；預(yù)置是異步的，當置入控制端（PL）為低電平時，不管時鐘CP的狀態(tài)如何，輸出端（Q0-Q3）即可預(yù)置成與輸入端（P0-P3）相一致的狀態(tài)，計數(shù)是同步的，靠CPD.CPU同時加在4個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。在CPD,CPU上升沿作用下Q0-Q3同時變化，從而消除了同步計時器中出現(xiàn)的技術(shù)尖峰。當進行加計數(shù)或減計數(shù)時可分
別應(yīng)用CPD或CPU。此時另一個時鐘應(yīng)為高電平。當計數(shù)上溢出時，進位輸出端（TCU）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CPU低電平部分的低電平脈沖，當計數(shù)下溢出時，錯位輸出端（TCD）輸出一個低電平脈沖，其寬度為CPD低電平部分的低電平脈沖。當把TCD和TCU分別連接后一級的CPD,CPU，即可進行級聯(lián)。
74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器
CPU為加計時器時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)器時鐘輸入端。
LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。
CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。
C0為進位輸出端，1001狀態(tài)后負脈沖輸出。
B0為借位輸出端，0000狀態(tài)后負脈沖輸出。
引出端符號
TCD 錯位輸出端（低電平有效）
TCU 進位輸出端（低電平有效）
CPD 減計數(shù)時鐘輸入端（上升沿有效）
CPU 加計數(shù)時鐘輸入端（上升沿有效）
MR 異步清除端
P0-P3 并行數(shù)據(jù)輸入端
PL 異步并行置入控制端(低電平有效)
Q0-Q3 輸出端
圖4.2-1：74LS192實際芯片引腳圖 圖4.2-2：三進計數(shù)器
因其本質(zhì)即十進制計數(shù)器，清零置數(shù)減法等功能完善符合設(shè)計要求，故選用兩片74LS192芯片對脈沖信號進行計數(shù)。兩片芯片分別計數(shù)十位和個位，置數(shù)端，個位置數(shù)為0，十位置數(shù)為3，即30S倒計時開始。DN端接入555多頻振蕩器的脈沖信號，UP端接高電平，TCD端空接來達到減計數(shù)的效果。Q端信號輸出給譯碼器進行譯碼顯示。TCD端借位信號接入十位片的DN端進行十位的減法計數(shù)，兩片互相配合完成兩位數(shù)30S的計數(shù)。兩片芯片PL端同接入控制電路置數(shù)開關(guān)進行控制，兩個MR端同接入控制電路清零開關(guān)進行清零控制。
4.3譯碼顯示電路（74LS48,7SEG-BCD）
用數(shù)碼管來顯示數(shù)字，這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管如圖4.3-1所示，因此也稱LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。因為計算機輸出的是BCD碼，要想在數(shù)碼管上顯示十進制數(shù)，就必須把BCD碼轉(zhuǎn)換成7段字形數(shù)碼管所要求的代碼。我么們能夠?qū)⒂嬎銠C輸出的BCD碼轉(zhuǎn)換成7段字型代碼，并使數(shù)碼管顯示出十進制數(shù)的電路稱為“七段字型譯碼器”，因此在本次的設(shè)計中我們采用了常用的74LS48如圖4.3-2所示。
圖4.3-1：LED數(shù)碼管 圖4.3-2：74LS48芯片
在數(shù)字測量儀表和各種數(shù)字系統(tǒng)中，都需要將數(shù)字顯示出來，一方面直接供人們讀取測量和運算的結(jié)果，另一方面用于監(jiān)視數(shù)字系統(tǒng)的工作情況。因此嗎，數(shù)字顯示電路是許多數(shù)字設(shè)備不可缺少的部分。數(shù)字顯示電路通常由譯器、驅(qū)動器、和顯示器等部分構(gòu)成。
數(shù)字顯示器是用來顯示數(shù)字、文字、或符號的器件，現(xiàn)在已有多種不同類型的產(chǎn)品，廣泛用于各種數(shù)字設(shè)備中，目前數(shù)碼顯示器正朝著小型、低功耗、平面化方向發(fā)展。
數(shù)碼的顯示方式一般有三種：第一種是字型重疊式，它是將不同字符的電極重疊起來嗎，要顯示某字符，只須使相應(yīng)的電極發(fā)亮即可，如輝光放電管，邊光顯示管等；第二種是分段式，數(shù)碼是由分布在同一平面上若干段發(fā)光的筆劃組成，如熒光數(shù)碼管等；第三種是點陣式，它由一些按一定規(guī)律排列的可發(fā)光的點陣組成，利用光點的不同組合便可顯示不同的數(shù)碼，如場致發(fā)光記分牌。數(shù)字顯示方式目前以分段式應(yīng)用最為普遍，下圖表示七段式數(shù)字顯示器利用不同發(fā)光段組合方式，顯示0～15等阿拉伯數(shù)字。在實際應(yīng)用中，10～15并不采用，而是2位數(shù)字顯示器進行顯示。電路圖如圖4.3-3所示。
圖4.3-3：十進計數(shù)器
如前所述，分段式數(shù)碼管是利用不同發(fā)光段組合的方式顯示不同數(shù)碼的。因此，為了使數(shù)碼管能將數(shù)碼所代表的數(shù)顯示出來，必須將數(shù)碼經(jīng)譯碼器譯出，然后經(jīng)驅(qū)動器點亮對應(yīng)的段。例如，對于8421碼的0011狀態(tài)，對應(yīng)的十進制數(shù)為3，則譯碼驅(qū)動器應(yīng)使a、b、c、d、g各段點亮。即對應(yīng)于某一組數(shù)碼，譯碼器應(yīng)有確定的幾個輸出端有信號輸出，這是分段式數(shù)碼管電路的主要特點。
74LS48為4線-七段譯碼器/驅(qū)動器(BCD輸入。有上拉電阻)，其輸出端為高電平有效，可驅(qū)動燈緩沖器或共陰極VLED。當要求輸出0-15時，消隱輸入（BI）應(yīng)為高電平或開路，對于輸出為0時還要求脈沖消隱輸入（RBI）為高電平或者開路。當BI為低電平時。不管其他輸入端狀態(tài)如何，Ya-Yg均為低電平。當RBI和地址端均為低電平，并且燈測試輸入端（LT）為高電平時，Ya-Yg為低電平，脈沖消隱輸出（RBO）也變?yōu)榈碗娖�。當BI為高電平或開路時，LT為低電平可使Ya-Yg均為高電平。48與248的引出端排列、功能和電特性均相同，差別僅在顯示6和9,248所顯示的6和9比48多出上杠和下杠。74LS48引腳功能如表4.3-1所示。
引出端符號：
A-D 譯碼地址輸入端
BI/RBO 消隱輸入（低電平有效）/脈沖消隱輸出（低電平有效）
LT 燈測試輸入端（低電平有效）
RBI 脈沖消隱輸入端（低電平有效）a-g段輸出
將兩個芯片的使能段同接入高電平使兩組譯碼顯示能夠正常運行工作，實時傳遞計數(shù)器的計數(shù)信號，達到30s可視計數(shù)的效果。
表4.3-1：74LS48引腳功能
4.4 控制及警告電路（啟動/停止等）
當計數(shù)器74LS192的清零端MR=1有效時，即可實現(xiàn)對電路清零；而當清零端無效，置數(shù)端PL=0有效時，即可實現(xiàn)對電路的置數(shù)；通過開關(guān)對555脈沖發(fā)生器輸入端電源的進行控制，即可實現(xiàn)對整個電路進行暫停計時，為減小開關(guān)按鍵產(chǎn)生的機械抖動對計時電路的影響，應(yīng)接-RS鎖存器；當十位計數(shù)器74LS192的借位輸出端有效時，即可實現(xiàn)報警。
具體實施如下：
啟動/暫停：通過對電源的控制，進行電路總啟動停止的控制如圖4.4-1所示。
暫停/繼續(xù)：通過對555多頻振蕩器的電源控制，達到對脈沖的暫停/繼續(xù)控制。
清零：通過按鈕開關(guān)將兩片計數(shù)器MR清零端接入高電平達到清零效果如圖4.4-2所示。
置數(shù)：通過單刀雙擲開關(guān)，將兩片計數(shù)器的PL置數(shù)端接地達到低電平清零效果。報即鳴叫，閃光，歸零。當TCD輸出借位信號，即表示計數(shù)完畢，為使示數(shù)停留00并發(fā)出警報，接入一JK鎖存器，鎖存TCD借位信號并將jK端高電平信號傳達至MR端達到清零效果以及LED/喇叭端達到閃光鳴叫的報警效果，并通過JK鎖存器的翻轉(zhuǎn)效果，使得Q和非兩輸入端電平的恢復(fù)為下一次計數(shù)報警做準備，通過按鈕開關(guān)的清零效果也可以達到翻轉(zhuǎn)jk鎖存器為下次警報做準備的效果如圖4.4-2所示。
圖4.4-1：啟動 圖4.4-2：暫停/繼續(xù)
5電路總圖
5.1電路總圖
圖5-1：電路總圖
5.2電路實物圖與焊接圖
6心得體會
在本次的課程設(shè)計中通過自己選題，找材料，分析，設(shè)計等，也掌握了一些軟件的操作方法，這為以后的學(xué)習(xí)做了鋪墊。整個設(shè)計實現(xiàn)了從單一的理論學(xué)習(xí)到解決實際問題的轉(zhuǎn)變。通過本次的課程設(shè)計，我最大的收獲是提高了自己的動手能力，培養(yǎng)了我的尋求解決問題的能力和團隊精神也增強了我其他方面的能力。在設(shè)計中，我充分應(yīng)用我們所學(xué)的知識，例如：集成電路74LS系列、定時器555等元器件的使用。這次事件使我受益匪淺，在摸索該如何設(shè)計電路使之實現(xiàn)所需功能的過程中，特別有趣，培養(yǎng)了我的設(shè)計思維增強了我的實際操作能力。增強了我的實際操作能力。在讓我體會到設(shè)計電路艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。這次設(shè)計所用的工具是Proteus，仿真比較方便，使設(shè)計的質(zhì)量得到了保證。
課程設(shè)計提高我的綜合動手能力和工程設(shè)計能力，它使我的理論知識得到了綜合應(yīng)用，培養(yǎng)我綜合運用所學(xué)理論的能力和解決較復(fù)雜的實際問題的能力。
電子技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出系統(tǒng)集成化，自動化，設(shè)計自動化，用戶專業(yè)化和測試智能的優(yōu)勢，作為一個大學(xué)生。我們必須時代的發(fā)展，這使我們必須要擴展自己的知識，并利用計算機來輔助分析和設(shè)計，這對我們是有益的。
課程設(shè)計的自主設(shè)計、學(xué)習(xí)和研究過程中，通過寫課程設(shè)計的聲息結(jié)報告，初步訓(xùn)練我的書面表達能力。組織邏輯能力，這些技能應(yīng)用性強，對我的將來就業(yè)和進一步發(fā)展幫助較大。同時也加強了對課本知識的理解，使我們做到理論和與實際的聯(lián)系，收獲很大。并且我也深深地體會到自己所學(xué)知識的不足，激發(fā)了我的自學(xué)能力和應(yīng)對桃戰(zhàn)的能力。為今后學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，培養(yǎng)了我們嚴謹務(wù)實，戒驕戒躁的作風(fēng)。
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