数字电子技术课程设计篮球30S计时器

1综述随着信息时代的到来，电子技术在社会生活中发挥着越来越重要的作用，运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活不可缺少的一部分，特别是在各种竞技运动中，定时器成为检验运动员成绩的一个重要工具。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秒限制。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。21设计方案1.1电路设计分析555定时器用来产生周期为1秒的脉冲信号，供计数器进行倒计数，以便将计数器输出的数据传送给译码器，译码器再译码驱动七段数码管显示输出，控制电路实现“篮球竞赛30s”的暂停/继续工作，清零复位，置数/工作；报警电路实现30s计数器减至0秒时报警电路发出光电警报，由此分析得出30秒计时器的总体参考方案框图如图1-1所示。它包括秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、报警电路和控制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。图1-130秒计时器系统设计框图秒脉冲发生器计数器译码显示控制电路报警电路路外部操作开关秒脉冲发生器计数器32单元电路设计2.11秒脉冲发生器用555集成电路组成多谐振荡电路为系统提供时钟秒脉冲。555定时器应用为多谐振荡电路时，当电源接通Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电，其上电压按指数规律上升，当u上升至2/3Vcc，会使比较器C1输出翻转，输出电压为零，同时放电管T导通，电容C通过R2放电；当电容电压下降到1/3Vcc，比较器C2工作输出电压变为高电平，C放电终止，Vcc通过R1、R2又开始充电；周而复始，形成振荡。则其振荡周期与充放电时间有关，也就是与外接元件有关，不受电源电压变化影响。公式计算：T1=(R1+R2)Cln2;T2=R2Cln2;振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C=1(s)若取C=10μF，结合实际选取电阻为R1=51K,R2=47K。图2-1555多谐振荡电路图48162357R1R2C555uoVCC0.1uF10uF47K51K42.2计数电路计数电路选用两片中规模集成电路74LS192进行设计，74LS192是十进制计数器，具有“异步清零”和“异步置数”功能，且有进位和借位输出端。两片74LS192构成预置数的三十进制递减计数器，计数器十位接成三进制，计数器个位接成十进制，置数端A、B、C、D通过开关接高低电平，若接高电平可进行其他置数；此计数器预置数为（00110000）=（30）10，只有当低位端发出错位脉冲，高位计数器才做减计数。1片74LS192构成1秒减计数电路（即个位）。74LS192的引脚图和功能表如图所示。它的计数原理是：使加计数脉冲信号引脚CPu=1，计数脉冲加入个位74LS192引脚CPD脚，当减计数到零时，个位74LS192的CO端发出错位脉冲，使十位计数器减计数，当高、低位计数器处于全零时，CPD（DWN）端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下次循环减计数。图2-274LS192引脚图表174LS192功能表输出输入MRLDCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01XXXXXXX000000XXdcbadcba01↑1XXXX加计数011↓XXXX减计数52.3译码显示电路此模块主要是由74LS48译码器和共阴极七段LED显示器组成，通过计数器加到译码器，从而实现共阴极七段LED显示器从30递减到零的计数显示功能。1.74LS48是七段显示译码器，其管脚图如下图2-3所示。现将各管脚功能介绍一下：A、B、C、D是BCD码的输入端；a,b,c,d,e,f,g是输出端；试灯输入端LT：低电平有效。当LT＝0时，数码管的七段应全亮，与输入的译码信号无关。本输入端用于测试数码管的好坏；动态灭零输入端RBI：低电平有效。当LT＝1、RBI＝0、且译码输入为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。如数据0034.50可显示为34.5；灭灯输入/动态灭零输出端RBO：这是一个特殊的端钮，有时用作输入，有时用作输出。当RBO作为输入使用，且RBO＝0时，数码管七段全灭，与译码输入无关。当RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI：当LT＝1且RBI＝0时，RBO＝0；其它情况下RBO＝1。本端钮主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。本设计将RBI、LT、RBO都置高电平。图2-374LS48管脚图62.共阴极七段LED显示器是较常用的显示数码管，但在使用时要注意的是：看清楚自己用的数码管是共阴极还是共阳极的，最好在使用前用万电用表测一下它的极性，其管脚图如下图2-4所示，如果为共阴极的，其管脚COM端接地；如果为共阳极的，起管脚COM段要接高电平。图2-4共阴极七段LED显示器管脚图2.4报警电路报警电路，采用555产生1个输出频率为9.5HZ的脉冲发生器，经过74LS11的一个高电平促使发出光电报警，当SW6置高电平时警报停止。电路图2-5所示。TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU?555121312U?A74LS11231(1)QAA74LS02231(1)QBA74LS02231(2)QBA74LS02R35KR45K(2)QDSW6C20.01uFC3100uF+12(2)QBSPEAKERR51K+5图2-5报警电路72.5控制电路控制电路是30S倒计时设计的核心，电路如图2-6(a)(b)(c)所示。图(a)中，用2个与非门组成基本RS触发器，开关SW1控制计数器的置数，当SW1闭合时，触发器置低电平，送至74LS192的LD端和UP端，计数器的LD=0，计数器预置数，反之，计数器启动处于计数工作状态.123U?A74LS0045674LS192的LD和UP端B74LS0012U?A74LS04S?SW1R940K+5置数/工作电路（a）图(b)开关SW2控制计数器的暂停／计数。74LS11输出端接74LS192（2）的DWN端。当SW2下合时，触发器输出低电平，与十位74LS192（1）的13脚BO端输出的高电平和555定时器输出的时钟脉冲一起通过三与门，使得三与门输出低电平，送至74LS192（2）的4脚DWN端，令计数器停止工作，显示器上保持原来的数不变；当SW2上合时，74LS11门电路打开，脉冲信号送入计数器的减脉冲输入端，计数器继续累计计数.8TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU?555891074LS192(2)的DWN端C74LS00111213U?D74LS00345674LS192(1)的BO端B74LS11R151KR247KS?SW2C10uFC?0.1uF+12R610KR710K+5暂停/继续工作电路（b）图(c)中，开关SW3控制计数器清零，SW3=“1”(下合)时，接高电平输出送至74LS192集成电路CLR端，计数器清零，反之，正常计数。R810K74LS192的CLR端SW3+5清零/工作电路（c）图2-6控制电路92.6开关设置为了方便控制操作，灵活更改预置数范围，本设计使用了几个开关，其实际效用见表2所示。表2开关设置一览表开关名称实际效用置数/启动切换开关，清零/工作切换开关，暂停/继续切换开关，十位置数切换开关和光电报警停止开关。表2开关设置一览表开关名称实际效用SW1置数／启动切换开关SW2暂停／继续切换开关SW3清零／工作切换开关SW4~SW5十进置数切换开关SW6报警停止开关103整体电路图根据以上各个模块分析得出整体电路图，如图3-1所示。BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U?74LS48BI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U?74LS48CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7U?74LS192(1)CLR14UP5DWN4LD11CO12BO13A15QA3B1QB2C10QC6D9QD7U?74LS192(2)1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS?AMBERCC1234567abcdefg8dp9GNDabfcgdedpDS?AMBERCC231U?A74LS02231U?A74LS02231U?A74LS02TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU?555TRIG2OUT34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU?55512U?A74LS048910U?C74LS00111213U?D74LS00123U?A74LS00456U?B74LS00121312U?A74LS113456U?B74LS11R610KR710KR940K+5R151KR247KR35KR45KR51KLS?SPEAKERS?SW3S?SW4S?SW5S?SW6C10uFC?0.1uFC20.01uFS?SW2+12D?LED+12R810K+5C4100uFS?SW1+5+5R141K+5+5图3-1篮球竞赛30计时器设计整体电路图11结论本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求：时钟模块为减计数提供一个频率为1Hz的脉冲信号，从而实现计数器计数间隔为1秒钟。计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；控制模块主要是为了实现计时器的启动、直接清零和暂停/连续功能，其中在直接清零时，由外控制开关控制译码器消隐端，从而可以实现显示译码器灭灯；通过暂停/连续开关从而实现断点计时功能。至此，本设计能完成所有任务及要求。12参考文献[1]代启化．Proteus在电路系统设计中的应用[J]．自动化与仪器仪表，2006(6)：84—87．[2]阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.[3]肖景和．CMOS数字电路应用300例[M]．北京：中国电力出版社，2006．