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籃球競賽30s倒計時的設(shè)計 1課程設(shè)計背景 二十一世紀(jì)，人類邁入信息時代，電子科學(xué)技術(shù)在人們生活中的運用越來越普遍。運用模電和數(shù)電知識設(shè)計的電子產(chǎn)品成為社會生活不可缺少的一部分，特別是在各種競技運動中，計時器成為檢驗運動員成績的一個重要工具。 籃球作為一項全民健身項目，已有一定的歷史。在中國，籃球很盛行，籃球比賽也日趨職業(yè)化。籃球比賽中有一項違例時間要用倒計時器，目前多數(shù)采用的是24秒制，但隨著籃球制度的改革將會采用30秒制。有需要就會有市場，因此設(shè)計一款30秒計時器是非常有必要也非常有前景的。 該款計時器是在原來的基礎(chǔ)上把24秒制改為30秒制。該計時器要有遞減計時及報警功能。因此符合比賽中違例判罰的需要。 在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時間不能超過30秒，否則就犯規(guī)了。本課程設(shè)計的“籃球競賽30秒計時器”，可用于籃球比賽中，用于對球員持球時間30秒限制。一旦球員的持球時間超過了30秒，它自動的報警從而判定此球員的犯規(guī)。 本設(shè)計是74LS192芯片作為減數(shù)功能的30秒倒計時計數(shù)器。該計數(shù)器主要包括555構(gòu)成的震蕩電路，74LS192模塊，數(shù)碼管等模塊單元。經(jīng)測試，計數(shù)器可實現(xiàn)顯示30秒倒計時功能，系統(tǒng)設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計時器的直接清零、啟動功能，發(fā)出光電報警信號。該設(shè)計電路簡單、使用方便，功能穩(wěn)定多樣，具有很強的實用價值。 2課題設(shè)計要求 （1）具有顯示30S的計時功能； （2）設(shè)置外部操作開關(guān)，控制計時器的直接清零、啟動和暫停/連續(xù)功能； （3）計時器為30S遞減計時器，其計時間隔為1S； （4）計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不能滅燈，應(yīng)發(fā)出光電報警信號 3設(shè)計任務(wù)及目標(biāo) （1）根據(jù)給出的電路原理圖分析各單元電路的功能； （2）熟悉電路中所用到的各集成塊的管腳及其功能； （3）進行電路的安裝、調(diào)試，直到電路能達到規(guī)定的設(shè)計目標(biāo)； （4）寫出完整、詳細的課程設(shè)計報告。 4課題設(shè)計框圖 5電路設(shè)計 5.1設(shè)計原理 分析設(shè)計任務(wù)，該系統(tǒng)包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路和報警電路5個部分構(gòu)成。其中，計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成30秒倒計時功能，而控制電路具有直接控制計數(shù)器的清零，啟動和暫停/連續(xù)功能、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能。為滿足設(shè)計要求，設(shè)計控制電路及控制開關(guān)時，應(yīng)該正確處理各個信號之間的時序關(guān)系。在操作直接清零時，要求計數(shù)器清零，數(shù)碼顯示器為零。當(dāng)置數(shù)開關(guān)閉合時，控制電路應(yīng)該封鎖時鐘信號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(dāng)啟動開關(guān)閉合時，計數(shù)器開始進行遞減計數(shù)；當(dāng)暫停/連續(xù)開關(guān)斷開計數(shù)器停止計數(shù)，處于保持狀態(tài)；當(dāng)暫停/連續(xù)開關(guān)閉合時，計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器遞減計數(shù)到零時（即定時時間到），控制電路發(fā)出報警信號。 5.2設(shè)計方案 用555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖，即輸出周期為1秒的方波。利用2個74LS192作為計數(shù)模塊，最后通過兩個帶有譯碼功能的數(shù)碼管顯示。 6單元模塊 6.1脈沖模塊 利用555集成電路組成多諧振蕩電路為系統(tǒng)提供時鐘秒脈沖。555定時器應(yīng)用為多諧振蕩電路時，當(dāng)電源接通Vcc通過電阻R1、R2向電容C充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)u上升至2/3Vcc，會使比較器C1輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓為零，同時放電管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電；當(dāng)電容電壓下降到1/3Vcc，比較器C2工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖剑珻放電終止，Vcc通過R1、R2又開始充電；周而復(fù)始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時間有關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響 計算公式（T1 電容C充電時間，T2 電容C放電時間， q占空比） T1=R1Cln2 T2=R2Cln2 q=R1/R1+R2 T=T1+T2 為使占空比達50%、T=1s兩個電阻應(yīng)當(dāng)取值一致，C依經(jīng)驗取值10uf，抗干擾電 容C2 去0.1uf，則通過計算R1 R2 應(yīng)當(dāng)取值為72KΩ。 555多諧振蕩電路圖 秒脈沖仿真圖 芯片NE555 NE555是時基集成電路，它在應(yīng)用和工作方式上一般可歸納為3類。每類工作方式又有很多個不同的電路。在實際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個單穩(wěn)、多個雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。 下圖是NE555的內(nèi)部功能原理框圖和內(nèi)部管腳圖。 NE555內(nèi)部管腳圖 6.2計數(shù)模塊 倒計時模塊設(shè)計原理圖如下圖 計數(shù)電路選用兩片74LS192進行設(shè)計，74LS192是十進制計數(shù)器，有“異步清零”和“異步置數(shù)”功能，且有進位和借位輸出端。兩片74LS192構(gòu)成預(yù)置數(shù)的三十進制遞減計數(shù)器，計數(shù)器十位接成三進制，計數(shù)器個位接成十進制，置數(shù)端A、B、C、D通過開關(guān)接高低電平，若接高電平可進行其他置數(shù)；此計數(shù)器預(yù)置數(shù)為（0011 0000）=（30）10，只有當(dāng)?shù)臀欢税l(fā)出錯位脈沖，高位計數(shù)器才做減計數(shù)。1片74LS192構(gòu)成1秒減計數(shù)電路（即個位）。74LS192的引腳圖和功能表如圖所示。它的計數(shù)原理是：使加計數(shù)脈沖信號引腳CPu=1，計數(shù)脈沖加入個位74LS192引腳CPD腳，當(dāng)減計數(shù)到零時，個位 74LS192的 端發(fā)出錯位脈沖，使十位計數(shù)器減計數(shù)，當(dāng)高、低位計數(shù)器處于全零時，在芯片74LS04和74LS03的作用下鎖住不在計時。 
倒計時模塊設(shè)計原理圖 設(shè)計原理如下： （1）電阻 74LS192芯片的最大工作電流是34mA,最小電流不定，所以在于“清零”“啟動”開關(guān)J1、J2串聯(lián)的電阻不應(yīng)小于147Ω,故我選取常見的1k電阻。 （2）開關(guān)J1 開關(guān)J1的作用是置數(shù)和啟動，當(dāng)開關(guān)撥向VCC端，芯片開始減數(shù)；撥向接地端，芯片預(yù)置數(shù)。 （3）開關(guān)J2 開關(guān)J2的作用是異步清零，當(dāng)開關(guān)撥向VCC端芯片異步清零；當(dāng)開關(guān)撥向接地端，芯片處于減數(shù)狀態(tài)。 （4）開關(guān)J3 開關(guān)J3的作用是暫停和連續(xù)，當(dāng)開關(guān)斷開時暫停，開關(guān)閉合時連續(xù)。 （5）00狀態(tài)的保持 當(dāng)計數(shù)器減至00時在下一脈沖的到來后十位片的錯位點發(fā)出借位信號，借位信號為低電平0,0信號與脈沖信號相與非（由74lS03實現(xiàn)），結(jié)果輸出高電平1，后經(jīng)取反（由74LS04實現(xiàn)）得到低電平0，此時無論脈沖輸入什么，得到的輸出都是0信號，芯片無法繼續(xù)減數(shù)。
圖4-4 74LS192管腳圖
74LS192各個管腳功能如下： （1） 15、1、10、9管腳（P0~P3）:并行數(shù)據(jù)輸入端 （2） 13管腳（TCD）:借位輸出端（低電平有效） （3） 12管腳（TCu）：進位輸出端（低電平有效） （4） 4管腳CPD: 減法計數(shù)時鐘輸入端 （5） 5管腳CPU：法計數(shù)時鐘輸入端 （6） 14管腳MR：異步清零端（低電平計數(shù) 高電平清零） （7） 11管腳 PL：異步并行置入控制端 （8） 3、2、6、7 管腳：Q0~Q3輸出端 （9） 8、16管腳：接地端和接VCC端
74LS192功能表
74LS03功能表
74LS04管腳圖
74LS04功能表 6.3譯碼顯示模塊 此模塊主要借助multisim中特有的一種數(shù)碼顯示管，該數(shù)碼顯示管區(qū)別于普通七段數(shù)碼管，它本身具備譯碼功能，因此可以在我們進行仿真實驗時省去譯碼電路，若要實際搭建本課程設(shè)計的電路，我們需加入相應(yīng)的譯碼電路（相關(guān)譯碼器可選用如74ls47,74ls48,74ls247,74ls248等），下面給出選用74ls48譯碼器的相關(guān)引腳資料和譯碼器電路圖。 74LS48是七段顯示譯碼器，其管腳圖如所示。現(xiàn)將各管腳功能介紹如下： （1）A、B、C、D是BCD碼的輸入端。 （2）a,b,c,d,e,f,g是輸出端。 （3）試燈輸入端 ：低電平有效。當(dāng) ＝0時，數(shù)碼管的七段應(yīng)全亮，與輸入的譯碼信號無關(guān)。本輸入端用于測試數(shù)碼管的好壞。 （4）動態(tài)滅零輸入端 ：低電平有效。當(dāng) ＝1、 ＝0、且譯碼輸入為0時，該位輸出不顯示，即0字被熄滅；當(dāng)譯碼輸入不全為0時，該位正常顯示。本輸入端用于消隱無效的0。如數(shù)據(jù)0034.50可顯示為34.5。 （5）滅燈輸入/動態(tài)滅零輸出端 ：這是一個特殊的端鈕，有時用作輸入，有時用作輸出。當(dāng) 作為輸入使用，且 ＝0時，數(shù)碼管七段全滅，與譯碼輸入無關(guān)。當(dāng)作為輸出使用時，受控于 和 ：當(dāng) ＝1且 ＝0時， ＝0；其它情況下 ＝1。本端鈕主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器之間的連接。本設(shè)計將、、都置高電平。
74LS48管腳圖 顯示原理圖 共陰數(shù)碼管選用限流電阻的原理： LED一直工作在最大額定值。所以正向電流IF≤最大額定值（一般是30mA）。根據(jù)常識我們可以知道，電流大，LED發(fā)光強，但消耗的功率大。電流小，LED發(fā)光小，消耗的功率小。通常電路用LED是做指示用途，電路的總體功耗要控制，不能都消耗在指示燈上， 當(dāng)然還要考慮電源的功率要滿足后面電路功耗的要求，并且最好要有富裕。所以這個LED的正向電流我們選取20mA，正向壓降為3.3V。 限流電阻可以根據(jù)下式計算： 限流電阻=（電源電壓-LED正向穩(wěn)壓電壓）/要求的工作電流 選取IF=20mA，VF=3.3V，電源電壓Vcc=5V:限流電阻=（5V-3.3V）/20mA=85歐姆 通常取個好一點的值（也就是相近阻值的電阻），R=100Ω。 在進行本課程設(shè)計時，我們可以在multisim軟件上進行仿真，因此我們可以選擇自帶譯碼功能的理想數(shù)碼管簡化電路從而得到實驗結(jié)果。 仿真數(shù)碼管顯示電路如下 
理想數(shù)碼管仿真電路 6.4報警模塊電路 當(dāng)計時器遞減計時到零時，數(shù)碼顯示器不滅燈，同時發(fā)出光電報警信號等。完成報警功能在進行multisim仿真的時候應(yīng)該給發(fā)光二極管加一個限流電阻。電路如圖所示。 光電報警電路 7總結(jié) 本設(shè)計包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼與顯示電路、報警電路和控制電路（輔助時序控制電路）等五個部分組成。計時電路遞減計時，每隔1秒鐘，計時器減1其中計數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分。計數(shù)器完成30秒計時功能，而控制電路完成計數(shù)器的直接清零、啟動計數(shù)器、暫停/連續(xù)計數(shù)、定時時間到報警等功能。當(dāng)計時器遞減計時到零（即定時時間到）時，顯示器上顯示00，同時發(fā)出光電報警信號。 附錄 30s倒計時電路圖
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