篮球24秒计时器的设计与制作

2022-10-11 来源：小奈知识网

武汉理工大学《电工电子综合课程设计》说明书

摘要 ................................................................1 1设计任务及要求 ....................................................2

1.1设计任务 .....................................................2 1.2基本要求 .....................................................2

1.2.1初始条件 ...............................................2 1.2.2要求完成的主要任务 .....................................2 2 方案选择与论证 ....................................................3

2.1 方案的选择 ..................................................3 2.2 方案论证 ...................................................4 3电路框图及工作原理 ................................................4

3.1电路框图 .....................................................4 3.2设计方案 .....................................................5 4单元电路设计与说明 ................................................6

4.1时钟脉冲发生器 ...............................................6 4.2 24进制计数器 ...............................................7 4.3 译码显示电路 ................................................9 4.4控制电路 ....................................................10 4.5 声光报警电路 ...............................................10 4.6 元器件选择 .................................................11 5电路调试 .........................................................11

5.1 电路调试阶段 ...............................................11 5.2调试方法 ....................................................13 5.3调试步骤 ....................................................13 5.4调试中出现的问题及解决方案 ..................................14 5.5调试结果 ....................................................14 结束语 .............................................................15 参考文献 ...........................................................16

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摘要

该篮球竞赛倒计时电路主要由四个部分构成：时钟脉冲发生器、计数器、译码显示电路以及声光报警电路。时钟脉冲发生器由含555定时器的多谐振荡电路组成，发出频率为1HZ的方波脉冲；计数器主要由两个74LS192构成，具有计时器直接控制电路控制计数器启动计数、暂停/连续计数以及清零置数的功能；译码显示电路主要由两个七段共阴极的数码管和74LS48芯片构成，能够显示24秒倒计数过程；声光报警电路主要由一个发光二极管和一个蜂鸣器组成，当计数器显示00时，发光二极管和蜂鸣器一起工作，进行声光报警。

关键词:时钟脉冲发生器计数器发光二极管蜂鸣器七段共阴数码管

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篮球24秒计时器的设计与制作

1设计任务及要求 1.1设计任务

本设计主要能完成：在篮球比赛中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就犯规了。本课程设计的“篮球竞赛24秒计时器”可用于篮球比赛中，用于对球员持球时间24秒限制。一旦球员的持球时间超过了24秒，它就自动报警从而判定此球员的犯规。

1.2基本要求 1.2.1初始条件：

（1）具备显示24秒记时功能（2）计时器为递减工作，间隔为1S （3）递减到0时发声光报警信号

（4）设置外部开关，控制计时器的清0，启动及暂停

1.2.2要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说

明书撰写等具体要求）

（1）设计任务及要求（2）方案比较及认证（3）系统框图，原理说明

（4）硬件原理，完整电路图，采用器件的功能说明（5）调试记录及结果分析（6）对成果的评价及改进方法（7）总结（收获及体会）（8）参考资料

（9）附录：器件表，芯片资料

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2 方案选择与论证

2.1 方案的选择

方案一（电路原理图）：

优点：设计思路及电路连接简单，工作速度快，各部分反应灵敏。

缺点：电路稳定性差，信号发生器易受外界干扰输出不稳定波形，有开关抖动，暂停后再计数会产生跃变

X1U6A5V_1W1574LS04D34U3U8A74LS04DDCD_HEX33DCD_HEXU4U5SONALERT200 Hz 728.86MΩ1R15VVsVCCRSTDISOUTU7A74LS10D1786541313129101112&14QAQBQCQD~BO~COQAQBQCQD~LOADCLRUPDOWNTRIABCD15110911141511091114CON5457.72MΩR2GND3555_VIRTUALTimer10nFCf0VCCJ35VVCC0Key = SpaceVCCVCC290J1J25V3010nFCKey = SpaceKey = Space5432ABCDUPDOWN2~LOADCLRTHRU174LS192D~BO~CO131232673267U274LS192D

图2-1 方案一电路原理图

方案二（电路原理图）：

优点：电路稳定性高，大大削弱了开关抖动带来的计数跃变。缺点：电路较为复杂，易出错。

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VCCU3A5VU274LS04DDOWNUP45141191011544U90SONALERT200 Hz VCC5VU10U7RPACK 719262728293031R1181417151691510141113121213OGOFOEODOCOBOA~BI/RBO~RBI~LTDCBA4536217543212137623~CO~BOQDQCQBQACLR~LOADDCBAX15V_1W043J1VCC0180 Ω 74LS48N74LS192D4237J2Key = SpaceKey = SpaceU11U83435R8RPACK 7U1DOWNUP12137623~CO~BOQDQCQBQACLR~LOADDCBA4514119101154647U4A74LS04D3648495051331425152492310221121122013OGOFOEODOCOBOA~BI/RBO~RBI~LTDCBA4536217VCC79685VVs1180 Ω VCC74LS48N74LS192DVCC4528.7MΩR13857.6MΩ39R24010nFC10nFCfRSTDISTHRTRICONVCCOUT5VU610J3Key = SpaceVCC3478131417181111D2D3D4D5D6D7D8D~OCENG1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q256912151619U5A74LS10D&11GND555_VIRTUALTimer041VCC074LS373DW5V

图2-2 方案二电路原理图

2.2 方案论证

经过对电路功能的分析，整个24秒倒计时电路可由秒脉冲信号发生器、计数器、译码器、显示电路、报警电路和辅助控制电路组成，而方案二的稳定性更高，因此选择方案二为最佳方案。

3电路框图及工作原理

3.1电路框图

24秒计时器的总体参考方案框图如下图所示。它包括时钟脉冲发生器、计数器、译码显示电路和声光报警电路等四个模块组成。其中计数器和控制电路是系统的主要模块。计数器完成24秒计时功能.而控制电路完成计数器的直接清零、启动计数、暂停/连续计数;译码显示电路的显示与灭灯、定时时间到启动报警等功能。

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时钟脉冲发生器产生的信号要求是1HZ的方波脉冲，但是设计对此信号要求并不太高，故电路可采用含555集成定时电路组成的多谐振荡器构成。

译码显示电路由74LS48(译码器)和共阴极七段LED显示器组成。报警电路可用发光二极管与蜂鸣器组成，进行声光报警。声光报警电路

开关回馈控制电路

图3-1 24秒计时器系统设计框图

时钟脉冲发生器译码显示部分（高位）译码显示部分（低位）计数器（高位）计数器（低位） 3.2设计方案

该篮球竞赛倒计时电路的最重要的部分是24进制计数器，用 74LS192进行24进制同步减法计数。同时选择74LS48作为BCD码译码器来对7段数码显示管进行译码驱动，选择两个七段数码显示管进行显示。根据设计要求，本课程设计采用555定时器制成的多谐振荡器，对24进制计数器进行秒脉冲的输入。在本设计中，因为我们需要对其进行暂停、清零、报警等控制，所以我们使用了三个开关来控制计数器的各功能的实现。设计的电路图如下所示：

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图3-2 选取的减计数器电路原理图

4单元电路设计与说明

4.1时钟脉冲发生器

秒脉冲产生电路，由555定时器和外接元件R1、R2、C等构成多谐振荡器。下图：其中R1相当一个定时电阻决定C的放电的持续时间，起始时，电容C上电压VC因放电而下降，当其值低于下阈值1/3VCC时定时器被触发端触，输转换为高电平，释放电晶体管截止。电容C开始充电，以（R１＋R2）C的常数趋向VCC。当电容上电压VC上升到上阈值2/3VCC时，输出又转换为低电平，并使放电晶体管导电。电容C又重新通过R1和放电晶体管放电，近似以R2C的时常数趋向于零。当电容C上电压下降到1/3VCC时，开始新的循环。如此反复，定时器连续震荡，在输出端产生矩形脉冲在电容C上形成近似锯齿波的波形。

根据上述分析，利用电路暂态分析的三要素法，得电容C充电的电压表为 VC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/τ）（4.1）（4.1）式中， τ =(R1+R2)C （4.2）

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t=tpH时VC =VCC ，充电结束。即：

VC=2/3VCC=1/3VCC+2/3VCC（1-e-t/(R1＋R2)C) （4.3）（4.3）从上式中可求得

tpH = ln2 (R1+R2)C = 0.7(R1+R2)C = 0.7(R1+R2)C （4.4）同理可求得C放电的电压表示为

VC=2/3VCC e-t/ R2C （4.5） t=tpL时，VC=1/3VCC，，放电结束，从式（2.5）可得

VC=1/3VCC=2/3VCC e-t/ R2C （4.6） tpL=τln20.7R2 （4.7）

振荡周期为 T=tpH +tpL=0.7（ R１＋2R2）C （4.8）振荡频率为 f=1/T=1.43/(R1+2R2)C （4.9）此555定时器频率为1HZ，故令C1=10nF，R1=28kΩ，R2 =58 kΩ，输出脉冲频率约为1HZ。

5VVs128.7MΩR13857.6MΩ39R24010nFC10nFCf0RSTDISTHRTRICONGNDVCCOUT555_VIRTUALTimer

图4-1 时钟脉冲信号发生器的逻辑电路

4.2 24进制计数器

计数器由两片74LS192同步十进制可逆计数器构成。

74LS192功能简介如下：具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图2.2.2所示。其中PL为置数端，CPu为加计数端，CPd为减计数端，TCu为非同步进

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位输出端，TCd为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。

图4-2 74LS192的引脚图及逻辑符号

仿真软件Multisim10中74LS192的图形如图2.2.3所示。其中A、B、C、D为置数输入端，~LOAD为置数控制端，CLR为清零端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，QA、QB、QC、QD为数据输出端，~CO为非同步进位输出端，~BO为非同步借位输出端。

74LS192151109111454ABCD~LOADCLRUPDOWN

图4-3 仿真软件中的74LS192引脚图

QAQBQCQD~BO~CO32671312武汉理工大学《电工电子综合课程设计》说明书

74LS192的功能表如表4-1所示：

表4-1 74LS192的功能表输入 MR 1 输出 P3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 × × × × × × × 0 0 0 0 × × d c b a d c b a ↑ 0 0 0 0 1 1 1 × × × × ↓ 加计数减计数 1 × × × × 本例为利用减计数器端输入秒脉冲信号，进行减法计数，也就是倒计时。这时计数器按8421码递减进行减计数。利用借位输出端~BO与下一级74LS192的DOWN端连接，实现计数器之间的级联。

利用置数控制端~LOAD实现异步置数。当CLR=0，且~LOAD为低电平时，不管UP和DOWN时钟输入端的状态如何，将使计数器的输出等于并行输入数据，即QDQCQBQA=DCBA。

24循环的设置为，十位片的DCBA=0010，个位片的DCBA=0100

4.3 译码显示电路

译码及显示电路分两种，一种电路是74LS192接译码驱动器74LS48和7段共阴数码管组成。74LS48芯片具有以下功能：七段译码功能、消隐功能、灯测试功能、动态灭零功能，此电路中我们用到的是七段译码功能。作为译码器，74LS48具有以下特点：74LS48是BCD-7段译码器/驱动器，输出高电平有效，专用于驱动LED七段共阴极显示数码管。内部上拉输出驱动，有效高电平输出，内部有升压电阻而无需外接电阻。七段数码管分共阴、共阳两种，其内部由发光二极管构成，内部有七个发光段，即a.b.c.d.e.f.g.在发光二极管两端加上适当的电压时，就会发光。

另外一种显示电路由74LS192直接输出给4线输入的七段数码管进行显示，这样构成的电路简单。

虽然4线输入的七段数码管构成的电路简单很多，但是市场上很难买到4线输入的七段数码管，所以我们此处利用74LS48显示译码器作为译码器，七段共阴极数码管显示。

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译码及显示电路如下图所示：

CKU10ABCDEFGU7RPACK 719262728293031R1181417151691510141113121213OGOFOEODOCOBOA~BI/RBO~RBI~LTDCBA45362170CK180 Ω 74LS48NU11ABCDEFGU83435R8RPACK 73648495051331425152492310221121122013OGOFOEODOCOBOA~BI/RBO~RBI~LTDCBA4536217180 Ω 74LS48N 图4-4 译码及显示电路

4.4控制电路

控制电路用来完成计数器的复位、启动计数、暂停/继续计数、声光报警等功能。与非门、非门以及D触发器实现计数器的复位、计数和保持“24”，以及声、光报警的功能，开关功能说明如下：

开关J1：清零开关。A处于高电平时，计数器清零，控制电路发出声、光报警信号；当A处于低电平时，才能够进行计数。

开关J3：暂停开关。当“暂停/连续”开关处于“暂停”（开关J3接低电平）时，计数器暂停计数，显示器保持不变；当此开关处于“连续”（开关J3接高电平）时，计数器继续累计计数。

开关J2：置数开关。当开关J2接低电平，不管计数器工作于什么状态，计数器立即复位到预置数值，即“24”；当开关J2接高电平时，计数器才能从24开始计数。

4.5 声光报警电路

声光报警电路由发光二极管和蜂鸣器以及一个非门组成，两者同时工作，当计

数器计到00时，控制高位的74LS192芯片的BO端输出为低电平，通过非门后得到一高电平，从而使发光二极管和蜂鸣器正常工作，进行声光报警。

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U3A74LS04D44U9X15V_1W图4-5 声光报警电路图

32SONALERT200 Hz

4.6 元器件选择

元器件清单如表4-2所示：

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 表4-2 元器件清单元件名称七段数码显示器 74LS10 74LS04 74LS373 74LS192 73LS48 555定时器 180Ω排阻 20KΩ电阻 51KΩ电阻 10nF电容 10μF电容发光二级管蜂鸣器单刀双掷开关个数 2 1 1 1 2 3 1 2 1 1 1 1 1 1 3 5电路调试

5.1 电路调试阶段

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（1）计时预备阶段如图5-1

（2）计时阶段如图5-2

VCC

U9U3A5VU274LS04DDOWNUP45141191011544U10U7RPACK 719262728293031R1181417151691510141113121213OGOFOEODOCOBOA~BI/RBO~RBI~LTDCBA4536217543212137623~CO~BOQDQCQBQACLR~LOADDCBAX15V_1W043J132SONALERT200 Hz VCC5VVCC00180 Ω 74LS48N74LS192D4237J2Key = SpaceKey = SpaceU11U83435R8RPACK 7U1DOWNUP12137623~CO~BOQDQCQBQACLR~LOADDCBA4514119101154647U4A74LS04D3648495051331425152492310221121122013OGOFOEODOCOBOA~BI/RBO~RBI~LTDCBA4536217VCC79685VVs1180 Ω VCC74LS48N74LS192DVCC4528.7MΩR13857.6MΩ39R24010nFC10nFCfRSTDISTHRTRICONVCCOUT5VU610J3Key = SpaceVCC3478131417181111D2D3D4D5D6D7D8D~OCENG1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q256912151619U5A74LS10D&11GND555_VIRTUALTimer041VCC074LS373DW5V

图5-2 电路原理图

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（3）声光报警阶段如图5-3

图5-3 电路原理图

5.2调试方法

（1）分块调试法

分块调试是把总体电路按功能分成几个模块，对每个模块分别进行调试。模块调试的顺序最好按信号的流向，一块一块进行，逐步扩大调试范围，最后完成总调。实施分块调试有两种方法一种边安装边调试；另一种是总体电路一次组装完毕后再分块调试。分块调试的优点：问题出现范围小，可及时发现，易于解决。（2）整体调试

此种方法是把整个电路组装完毕后，不进行分块调试，实行一次性总调。

5.3调试步骤

（1）检查电路对照电路图认真检查电路，首先查看电源是否接错或与地短接，然后检查各芯片是否安装牢固，最后对照电路图认真查看各芯片的管脚是否接错、漏接

或出现多接线的现象。

（2）接通电源观察在检查电路无误后，接通电源，如果出现异常现象立即关闭电源，

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观察各个单元电路是否能够正常工作，找出出错的单元电路，如果有错，则用万用表对各个电路逐个检查，直至查出错误，并加以改正。

（3）对各个功能电路的检测闭合工作开关，观察显示结果是否正确，如果存在问题继续调试。调试结束后观察调试后的结果是否符合设计要求。

5.4调试中出现的问题及解决方案

问题一：接通电源后数码管不能正常工作。

解决方案：断开电源后，检查译码显示电路的各元件引脚是否连接正确，结果发现七段共阴极数码管未接低电平。

问题二：计数器计数太慢，减计数间隔远大于一秒。

解决方案：多谐振荡电路输出的信号不稳定，受干扰后信号频率小于1HZ。加大多谐振荡电路中的电阻R2（最好用滑动变阻器），调节电阻的同时，用秒表校准减计数间隔，使其约等于1秒。

问题三：计数器正常工作，暂停计数后，再恢复计数时，产生计数跃变。解决方案：暂停/连续计数开关产生抖动，在开关J3与三输入与非门之间接入一个D触发器，它起到锁存的作用，大大削弱计数跃变。

5.5调试结果

该篮球竞赛24秒计时电路正常工作，将清零开关J1至低，置数后将置数开关

J2置高，再将暂停/连续计数开关J3置高电平，电路开始正常减计数。当J3置地时，计数暂停；当J3再重新至高时，进行连续计数。当计数器减至00时，报警电路工作，同时进行声光报警。

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结束语

自己第一次做课程设计，遇到不少困难，收获也很多。刚开始分到设计题目时，觉得思路还蛮清晰，觉得应该蛮容易，可是设计好电路草图后，用Multisim仿真时就出了问题，先是数码管始终不亮，后来上网查资料后知道，数码管和译码器之间的每个引脚都要加电阻，仿真软件才能识别。接着又发现计数器没法倒计数（仿真软件中），结果发现是仿真步长设置小了。最终排除各种问题，仿真成功，虽然计数器设计的不完善，有轻微跃变。然后便是实物连接了，连接的过程中也存在着各种各样的困难，比如，面包板接触不良，导线太多、太乱，插错孔，芯片没插紧等，其中最难解决的是多谐振荡电路输出信号不稳定，后来经过小组成员的共同努力终于使的计数器的计数间隔约为1秒，我们一边调节多谐振荡电路的R2电阻，一边用秒表校对计数时间间隔，最终使两者近似相等。后来便是答辩，由于小组成员都积极参与设计，大家对电路连接及原理都有所了解，因此，答辩比较顺利。

对于该实验还有可以有改进的地方，主要就是信号发生器的改进，为了得到更加稳定的时钟脉冲，我们可以用石英晶体振荡器，它具有高精度和高稳定性。这次电子电工课程设计让自己有很多收获，首先便是大大提高了自己的动手能力以及解决问题的能力，遇到困难不再是逃避，而是迎难而上，耐心地分析解决问题。再者便是自己的合作意识提高了，众人拾柴火焰高，大家互相帮助，互相支持，在困难的问题也能迎刃而解。当然，这次课设中自己也有一些不足之处，比如，在面包板上连线时不够细心，会插错孔；还有就是仿真软件不太会用，经常找不着元件，等等。细节方面有所疏忽，不够严谨。

希望以后能多参加这样的活动，不断提升自己的各方面能力，为今后的学习和工作打下扎实基础。

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参考文献

1. 伍时和主编《数字电子技术基础》清华大学出版社 2009 2. 康华光主编《电子技术基础》（数字部分）高等教育出版社 1980 3. 周新民主编《工程实践与训练教程》武汉理工大学出版社 2009 4. 程勇《实例讲解Multisim 10电路仿真》人民邮电出版社 2010 5. 朱余钊主编《电子材料与元件》西安电子科技大学出版社 2002

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