籃球30秒倒計時器

具有數(shù)字顯示的籃球競賽30S計時器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)計主要能完成：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、啟動和暫停/連續(xù)功能；在直接清零時，數(shù)碼管顯示器全部顯示為“0”；計時器為30秒遞減計時其計時間隔為0.1秒；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。整個電路的設(shè)計借助于Multisim10.0.1仿真軟件和數(shù)字邏輯電路相關(guān)理論知識，并在Multisim10.0.1下設(shè)計和進(jìn)行仿真，得到了預(yù)期的結(jié)果。1電路設(shè)計原理與設(shè)計電路1.1設(shè)計原理我們可以用555時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為10Hz的脈沖，即輸出周期為0.1秒的方波脈沖，將該方波脈沖信號送到計數(shù)器74LS192的CP減計數(shù)脈沖端,再通過譯碼器74LS48把輸入的8421BCD碼經(jīng)過內(nèi)部作和電路“翻譯”成七段（a，b，c，d，e，f，g）輸出，顯示十進(jìn)制數(shù)，然后在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置開關(guān)或控制電路即可實現(xiàn)計數(shù)器的直接清零，啟動和暫停/連續(xù)、譯碼顯示電路的顯示與滅燈及光電報警等功能。1.2設(shè)計方案經(jīng)過初步的設(shè)計，可以確定該系統(tǒng)應(yīng)包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、輔助時序控制電路(簡稱控制電路)和報警電路等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以及工作時間的調(diào)節(jié)。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(dāng)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(dāng)啟動開關(guān)斷開時，計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)按下十位調(diào)節(jié)開關(guān)時，計數(shù)器加1；當(dāng)按下個位調(diào)節(jié)開關(guān)時，計數(shù)器同樣加1；當(dāng)暫停、連續(xù)開關(guān)撥在暫停位置上時，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)撥在連續(xù)時，計數(shù)器繼續(xù)遞減計數(shù).脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器計數(shù)器計數(shù)器十位顯示個位顯示1/10位顯示譯碼器譯碼器譯碼器計數(shù)器報警電路控制電路圖1.1系統(tǒng)設(shè)計框圖在此，提出兩種方案，主要是針對脈沖發(fā)生電路。方案一是采用555構(gòu)成的多諧振蕩電路（即脈沖產(chǎn)生電路），其電路原理圖如圖１.２。另一種方案是用555構(gòu)成的多諧振蕩器直接產(chǎn)生頻率為10Hz的秒脈沖，原理圖如圖１.5。相比較之下方案一的秒脈沖會穩(wěn)定些，但因為電路加入了74LS161用于異步清零法分頻而使電路變得復(fù)雜許多，而本次課設(shè)都是采用軟件仿真的方式來驗證最后結(jié)果的，因此不會存在因為元器件的誤差而使結(jié)果受到影響的情況，因此沒有必要用復(fù)雜的電路來替代簡單電路就可以完成的功能的電路。所以本次課設(shè)采用第二種方案來產(chǎn)生10Hz的秒脈沖。圖１.2方案一的秒脈沖發(fā)生電路１.3各分電路功能分析1.3.1脈沖發(fā)生電路555定時器555定時器主要是通過外接電阻R和電容器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。圖2.2是NE555的內(nèi)部功能原理框圖和內(nèi)部管腳圖圖1.3555管腳圖用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2.3(a)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,uO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,uO跳變到高電平,D端截止,電源VCC又通過R1和R2向電容器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,其波形如圖2.3(b)所示。8484765553215R1R2ucC+VCCuo0.01μFtuo0tw2tw1tuc0T（a）5555555（b）圖1.4555構(gòu)成的振蕩電路及即波形輸出信號uO的脈寬tW1、tW2、周期T的計算公式如下:tW1＝0.7(R1＋R2)CtW2＝0.7R2CT＝tW1＋tW2＝0.7(R1＋2R2)C根據(jù)要求，該系統(tǒng)中要使555構(gòu)成的多諧振蕩電路產(chǎn)生10Hz的脈沖，因此我們可以令R1=51k，R2=49k，C=970nF，得到周期T=0.70.101s，即按照圖2.4連接的電路就可以產(chǎn)生10Hz的方波脈沖。圖1.5555定時器構(gòu)成的多系振蕩電路1.3.2計數(shù)器電路計數(shù)器是一個用以實現(xiàn)計數(shù)功能的時序邏輯部件，它不僅可以用來對脈沖進(jìn)行計數(shù)，還常用做數(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。本次課程設(shè)計中選用74LS192來實現(xiàn)要求的減法計數(shù)功能。圖2.5是74LS192的管腳圖。圖1.674LS192管腳圖74LS192具有下述功能：異步清零：MR=1，Q3Q2Q1Q0=0000。（此功能可實現(xiàn)計數(shù)器的清零）②異步置數(shù)：MR=0，=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0。③保持：MR=0，=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原態(tài)④加計數(shù)：CR=0,=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法規(guī)律計數(shù)⑤減計數(shù)：CR=0,=1，CPU=1，CPD=CP，Q3Q2Q1Q0按減法規(guī)律計數(shù)按照課程設(shè)計任務(wù)書要求，需要計時30s，并且顯示到0.1s，因此該設(shè)計中需要用到一個三進(jìn)制的減法計數(shù)器和兩個十進(jìn)制的減法計數(shù)器。我們可以用三片74LS192來實現(xiàn)這三個計數(shù)器。計數(shù)模塊中的三片計數(shù)器的加計數(shù)器脈沖輸入端都要接高電平，且要將低位片的借位信號加到高位片的減計數(shù)脈沖輸入端。高位片計數(shù)器的借位信號控制報警信號，在進(jìn)行減計數(shù)時，借位信號一直為高。30秒倒計時計數(shù)電路可以按照圖2.6連接。圖1.730秒倒計時器的計數(shù)電路2.3.3譯碼顯示電路本次設(shè)計中我們用發(fā)光二極管（LED）組成字型來來顯示數(shù)字。這種數(shù)碼管的每個線段都是一個發(fā)光二極管，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(jìn)制數(shù)，就必須先把BCD碼轉(zhuǎn)換成7段字型數(shù)碼管所要求的代碼。我們把能夠?qū)⒂嬎銠C輸出的BCD碼換成7段字型代碼，并使數(shù)碼管顯示出十進(jìn)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。圖2.7是74LS48的外部管腳圖圖1.874LS48管腳圖七段顯示譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極顯示器。該集成顯示譯碼器設(shè)有多個輔助控制端，以增強器件的功能。它有3個輔助控制端LT、RBI、BI/RBO,現(xiàn)簡要說明如下：滅燈輸入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有時作為輸入，有時作為輸出。當(dāng)BI/RBO作輸入使用且BI＝0時，無論其它輸入端是什么電平，所有各段輸入a～g均為0，所以字形熄滅。試燈輸入LT當(dāng)LT＝0時，BI/RBO是輸出端，且RBO＝1，此時無論其它輸入端是什么狀態(tài)，所有各段輸出a～g均為1,顯示字形8。該輸入端常用于檢查7488本身及顯示器的好壞。動態(tài)滅零輸入RBI當(dāng)LT＝1，RBI＝0且輸入代碼DCBA＝0000時，各段輸出a～g均為低電平，與BCD碼相應(yīng)的字形0熄滅，故稱“滅零”。利用LT=1與RBI=0可以實現(xiàn)某一位的“消隱”。此時BI/RBO是輸出端，且RBO=0。動態(tài)滅零輸出RBOBI/RBO作為輸出使用時，受控于LT和RBI。當(dāng)LT＝1且RBI＝0，輸入代碼DCBA=0000時，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，則RBO=1。該端主要用于顯示多位數(shù)字時，多個譯碼器之間的連接。對輸入代碼0000，譯碼條件是：LT和RBI同時等于1，而對其它輸入代碼則僅要求LT＝1，這時候，譯碼器各段a～g輸出的電平是由輸入BCD碼決定的，并且滿足顯示字形的要求。74LS48的功能表如下：74LS48功能表十進(jìn)數(shù)

或功能輸入BI/RBO輸出LTRBIDCBAabcdefg0HH0000H11111101Hx0001H01100002Hx0010H11011013Hx0011H11110014Hx0100H01100115Hx0101H10110116Hx0110H00111117Hx0111H11100008Hx1000H11111119Hx1001H111001110Hx1010H000110111Hx1011H001100112Hx1100H010001113Hx1101H100101114Hx1110H000111115Hx1111H0000000BIxxxxxxL0000000RBIHL0000L0000000LTLxxxxxH1111111表1.174LS48的功能表本次設(shè)計的譯碼顯示電路可以按照圖1.9連接電路圖1.9譯碼顯示電路2.3.4控制電路報警電路任務(wù)要求在計時器倒計時到7秒時發(fā)出低聲警報，在倒計時到0秒時發(fā)出高聲警報，因次我們可以將192的輸出端按照下圖連接，當(dāng)192的高位到低位輸出00001110xxxx時（即倒計時到7秒時）可發(fā)出報警。當(dāng)計時到0秒時最高位192的借位BO會由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，蜂鳴器導(dǎo)通，這樣就產(chǎn)生了報警信號。因此，按照圖1.10也可以使蜂鳴器發(fā)聲報警。圖1.10報警電路暫停、置位、清零、十位調(diào)整、個位調(diào)整控制電路暫停/連續(xù)可以通過在將借位信號和暫停/連續(xù)控制信號和時序脈沖信號加到一起相與之后作用到1/10位計數(shù)器減計數(shù)脈沖輸入端，即實現(xiàn)計數(shù)器遞減計數(shù)到零時，顯示器不滅燈。連接電路如圖2.10的“暫?！?，當(dāng)開關(guān)打到低電平時計時器暫停，當(dāng)開關(guān)打到高電平時計時器正常計時。啟動置位可通過192的異步置數(shù)：MR=0=0時，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0來使計時器置位啟動。LCAD（即）端的置位功能連接如圖圖1.11。清零可以通過192的異步清零：MR=1時，Q3Q2Q1Q0=0000來使計時器清零。CLR（即MR）端的清零功能的電路連接如圖圖1.11。十位調(diào)整通過給十位192的加法計數(shù)的UP端產(chǎn)生脈沖來實現(xiàn)十位的加調(diào)整。個位調(diào)整通過給個位192的加法計數(shù)的UP端產(chǎn)生脈沖來實現(xiàn)個位的加調(diào)整。十位調(diào)整、個位調(diào)整控制電路圖如圖圖1.11圖1.11控制電路2.4仿真原理圖具有數(shù)字顯示的籃球競賽30S計時器的設(shè)計主要分為五個模塊：時鐘模塊（即秒脈沖發(fā)生模塊）、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊、輔助時序控制模塊（簡稱控制電路）和報警電路，總體仿真電路如下圖（圖2.11的輸出端連接到圖2.12的輸入）。打開仿真軟件Multisim10.0.1按要求在Multisim10.0.1里連接好如圖所示的電路后就可以按下F5就可以進(jìn)行電路仿真了，由于仿真界面的限制，此次課程設(shè)計的仿真分為了兩部分完成。脈沖發(fā)生電路（圖1.12）和倒計時的總體電路（圖2.12）。在脈沖發(fā)生電路仿真中我們可以用示波器來觀察產(chǎn)生的脈沖是否為10Hz。而在整體電路的仿真部分用一個10Hz的脈沖源替代了脈沖發(fā)生電路，最后的仿真結(jié)果是：計時器可以從30倒計時到0停止，并且在倒計時到7時發(fā)出低聲報警，在倒計時到0時發(fā)出高聲報警。同時也可以通過圖中的開關(guān)按鈕來完成時間的調(diào)整、置位、清零和暫停。圖1.12脈沖發(fā)生電路圖2.1230秒倒計時器整體電路圖小結(jié)：該籃球競賽30S計時器的設(shè)計主要分為五個模塊：時鐘模塊（即秒脈沖發(fā)生模塊）、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊、輔助時序控制模塊（簡稱控制電路）和報警電路，其中計數(shù)模塊中的三片計數(shù)器的加計數(shù)器脈沖輸入端都要接高電平，且要將低位片的借位信號加到高