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1、毕 业 设 计 (论 文)题 目：篮球比赛倒计时器的电子线路设计院 系：电气信息工程系专 业：电气工程及其自动化班 级：姓 名：学 号：指导教师：2012年05月24日篮球比赛倒计时器的电子线路设计【摘要】随着电子技术的发展，电子技术在社会生活中发挥的作用越来越重要的作用。运用模电和数电知识设计的电子产品成为社会生活中不可缺少的一部分。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。此次我们设计的是一个简易篮球比赛计时器即24秒倒计时器，也就是本次设计的课题。本文将按照先整体设计思路再单元电路再到整体电路图的顺序介绍篮球比赛倒计时器的电子线路设计。系统的设计由直流稳压源电路，脉
2、冲信号发生电路，计时器电路，译码器显示电路，报警电路和外部控制电路组成。各单元电路的设计均符合要求的条件下，再进行整体电路图的设计并用Proteus软件对总体电路进行仿真，实现24秒篮球计时器要求设置外部操作开关，控制计数器的直接清零、启动和暂停、进行电路递减计时，每过1秒中，计时器减1，当计时器减到0时，显示器上显示00，同时发出光电报警信号。【关键词】倒计时器 电路线路设计 报警Basketball match countdown timer electronic circuit design【Abstract】With the development of electronic tech
3、nology, electronic technologys role in social life more and more important role. Using mold electric and electrical knowledge, design of electronic products become an indispensable part of social life. In the basketball match, the players ball stipulated time couldnt exceed 24 seconds, otherwise it
4、is foul. This is we design a simple timer which 24 seconds timer, basketball game and is the subject of this design. In this article, we will according to the overall design train of thought first, then unit circuit to the order of the whole circuit diagram is introduced basketball match countdown t
5、imer electronic circuit design. Design of the system by the dc voltage source circuit, the pulse signal generating circuit, timer circuit, decoding display circuit, alarm circuit and the external control circuit. Shall meet the requirements of each unit circuit design conditions, and for the design
6、of the overall circuit diagram with Proteus was carried out on the general circuit simulation software, requires basketball 24 seconds timer setting external switch operation, direct reset control counter diminishing circuit timing, start and stop, every 1 second, the timer is minus 1, when the time
7、r to zero, as shown on the display 00, a photoelectric alarm signal at the same time. 【Key words】Countdown timer Circuit circuit design Automatic Dialing目 录1 引言11.1 选题背景及意义11.2 国内外现状及发展趋势11.3 研究内容12 系统总体设计方案12.1 系统总体设计思路12.2 基本原理22.3 总体设计框图23 系统电路的设计33.1 稳压管及直流稳压电源电路的设计33.1.1 稳压管的工作原理33.1.2 直流稳压电源电路
8、33.2 定时器及脉冲信号发生器的设计33.2.1 555定时器的工作原理33.2.2 脉冲信号发生电路53.3 计数器及倒计时电路的设计63.3.1 计数器的工作原理63.3.2 倒计时电路的设计73.4 译码器及显示电路的设计83.4.1 译码器的工作原理83.4.2 译码显示电路83.5 报警电路的设计93.6 控制电路的设计94 性能测试10结论11参考文献12附录1 硬件系统原理图13附录2 元器件清单141 引言1.1 选题背景及意义在许多领域中，计时器都得到了普遍应用，比如在体育比赛中的及时器、安全措施中的定时报警器、游戏中的倒计时、维持秩序的交通信号灯、红绿灯、交通信号控制机，
9、还可以用来做为各种药丸、药片，胶囊在指定时间提醒用药等等.可见计时器在现代社会中的应用是相当普遍的。特别是在各种竞技运动中，规定了球员的持球时间不能超过24秒，否则就犯规了。本次设计的是“篮球比赛24秒倒计时器”，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，它自动的报警从而判定此球员的犯规。1.2 国内外现状及发展趋势比赛倒计时器这些年发展很快，技术上的更新变化也非常明显，总体来看，主要的发展变化是数字技术和新工艺新材料的应用。目前比赛倒计时器具有高亮度，可视性好；性能稳定，价格适中，使用灵活，物美价廉；功耗小，使用寿命长；掉电时数据可自动保存；可选择遥控和
10、操作台控制，操作简单，符合人体操作习惯；可加配移动式推拉架，移动方便等方向发展。外壳采用喷塑处理，具有抗氧化、不褪色、抗生锈等优点。总体发展趋向是发展高清晰度，高音量，低功耗，实用性强，材质环保。1.3 研究内容本课题针对篮球比赛中进行倒计时器的研究设计。本课题主要能完成显示24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24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，同时发出报警信号。2 系统总体设计方案篮球倒计时器的设计首先将220V交流电压变为5V直流电压，送给脉冲发生器产生1S秒脉冲，送
11、到计数器开始计数，然后送给译码器显示电路译码并显示；与此同时，在计数器端增加一个控制电路来控制计数的启动、暂停/连续、直接清零操作。2.1 系统总体设计思路该系统的设计主要由直流稳压源电路，脉冲信号发生电路，计时器电路，译码器显示电路，报警电路和外部控制电路组成。其中计时器电路和外部控制电路是系统的主要部分，当这两部分电路解决了，其余的问题就迎刃而解了。计时器电路负责完成24s倒计时，控制电路负责启动计数、直接清零、暂停/连续功能，这些功能主要由74LS192和与门电路来控制，脉冲电路由555定时器组成的多谐振荡器提供1s的脉冲信号，报警电路由发光二极管组成。该计时器的设计完成了中途计时功能，
12、在篮球比赛中起到了重要作用。2.2 基本原理外部操作开关作用于控制电路，脉冲发生电路产生脉冲信号送到计数器电路，计数器电路开始计数，计数完成后，送到显示器，显示器根据外边开关的操作执行相应功能，与此同时，当计数满24秒时，倒计时器开始发出报警信号。主要能完成：电路具有24秒时间显示功能；系统设置外部操作开关，控制计时器的清零、启动/连续和暂停功能；计数过程中，无论处于何种状态，当按下置数键是，计数重新开始；计时器为递减计时，其计时间隔为1秒；当计时器递减计时到零时，显示器显示0，同时发出报警信号等。整个系统的设计借助于Proteus仿真软件以及数字电子相关理论知识，并在Proteus仿真软件下
13、设计和进行仿真，得到了预期的结果。2.3 总体设计框图该系统的设计主要由直流稳压源电路，脉冲信号发生电路，计时器电路，译码器显示电路，报警电路和外部控制电路组成。原理框图如图1所示。图1 比赛倒计时器原理框图直流稳压源部分产生直流恒定电源，为脉冲发生电路、计数器电路、译码显示电路提供电源，其中脉冲发生电路将产生的秒脉冲信号送到计数器电路产生计数信号，送到译码显示电路译码并显示，当24秒倒计时完成发出报警信号。3 系统电路的设计3.1 稳压管及直流稳压电源电路的设计3.1.1 稳压管的工作原理稳压管是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压二极管的特点是击穿后，其两
14、端的电压基本保持不变，这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动是，负载两端的电压降基本保持不变。稳压管反向击穿后，电流虽然在很多范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。3.1.2 直流稳压电源电路将220V50Hz的交流电先经过变压器变压，再经过滤波电路进行滤波处理，然后经过稳压管稳压。其电路图如图2所示。图2 直流稳压电源电路3.2 定时器及脉冲信号发生器的设计3.2.1 555定时器的工作原理集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间
15、延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构与工作原理类似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器。556和7556是双定时器。双极型的电源电压VCC+5V+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压为+3+18V，555管脚图如下图3所示：图3 555定时器管脚图利用555定时器能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。我们在进行数字逻
16、辑电路设计是经常要用它来组成无稳态或单稳态电路，产生连续或单个脉冲。555定时器外接一个电容充放电电路即可构成多谐振荡器，组成信号产生电路。555 定时器的功能主要由两个比较器C1、C2决定。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器
17、置 0，使输出为 0 电平。它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：TR低触发端。3脚：输出端。4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：CV为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V，一般用5V
18、。3.2.2 脉冲信号发生电路555定时器外接一个电容充放电电路即可构成一个无稳态多谐振荡器，在3端产生方波信号，且频率可调。在555定时器的电源8端和接地1端之间从上到下串接电阻R3、R4和电容C2,。把555定时器的6端和2端（即内部两个电压比较器的同相和反相输入端）连在一起，在接到电容C2上端，即两个比较器的外部输入电压都取为电容C2上的变化量，再与各自的固定电压2Vcc/3和Vcc/3比较。因7端接在R3上方，此时相当于接地，C2通过R3放电。然后R3、R4和C2回路再充电，反复进行的结果，将导致3端输出方波。秒脉冲信号发生器采用555构成的多谐振荡电路，由于要产生1s的脉冲信号，根据
19、公式可以确定参数的取值：R4=51k，R3=47k，C2=10uF。产生的脉冲周期：T=0.7（R3+2R4）C2=1s。其仿真电路图如图4所示。图4 脉冲信号发生电器3.3 计数器及倒计时电路的设计3.3.1 计数器的工作原理计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它不仅可用来计脉冲数，还常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其它特定的逻辑功能。计数器种类很多。按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分，有同步计数器和异步计数器。根据计数制的不同，分为二进制计数器，十进制计数器和任意进制计数器。根据计数的增减趋势，又分为加法、减法和可逆计数器，还有可预置数和可编程序功能计数器等
20、等。图5 74LS192引脚图74LS192是同步双时钟方式十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能。图5为74LS192的引脚图。各引脚功能如下：PL置数端MR清零端 UP加计数端DN减计数端 TCU非同步进位输出端 TCD非同步借位输出端 D0、D1、D2、D3计数器输入端 Q0、Q1、Q2、Q3数据输出端74LS192同步十进制逻辑功能表：当清除端MR为高电平“1”时，计数器直接清零；MR置低电平则执行其它功能。当MR为低电平，置数端PL也为低电平时，数据直接从置数端D0、D1、D2、D3 置入计数器。 当MR为低电平，置数端PL为高电平时，执行计数功能。执行加计数时，
21、加计数端DN接高电平，计数脉冲由UP输入；在计数脉冲上升沿进行 8421 码十进制加法计数。执行减计数时，减计数端UP接高电平，计数脉冲由减计数端DN 输入。表1 74LS192逻辑功能表输入输出MR PL P DN D3 D2 D1 DOQ3 Q2 Q1 Q01 X X X X X X X0 0 0 00 0 X X d c b ad c b a0 1 1 X X X X加计数0 1 1 X X X X减计数0 1 1 1 X X X X保持3.3.2 倒计时电路的设计倒计时电路的设计如图6 所示。图6 倒计时电路该电路主要由两片74LS192成，该芯片是同步可逆双时钟计数器，UP/DN端分
22、别是加/减计数器的输入端，当置数控制端PL=0，清零端MR=0，UP=1，DOWN端接脉冲信号，计数器在预置数的基础上完成减计数，减数完成后，TCD端输出借位负跳变脉冲。为达到24进制减法计数，采用两片芯片级联的方式，低位的借位信号作为高位的时钟信号，高位的借位信号通过与非门控制低位的时钟信号，这样就可以达到计数完成后，数码管停在00状态。3.4 译码器及显示电路的设计3.4.1 译码器的工作原理用发光二极管（LED）组成字型来显示数字。这个数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进数，就必须先把BCD码转换成
23、7段型数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”。因此在本次的设计中我们采用了常用的LCT4511。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成。LCT4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。LCT4511：双列直插16脚分装，它将BCD标准代码变换成驱动七段数码管所需的信号。其中四线AD为BCD码输入端，高电平有效。A为低位输入端，D为高位端。QAQG输出高电平以驱动共阴极数码管发光。LE为锁存控制端，高点平时能够锁存输入
24、的BCD码。LT为灯测试反相控制端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐反相控制端，低电平是所有笔段均消隐，正常显示时，BI端应加高电平。另外4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。3.4.2 译码显示电路该模块由两片74LCT4511译码器和两个共阴极七段数码管LED显示器组成，通过计数器的输出加到译码器的输入，从而实现共阴极七段LED显示器从24递减到零的计数功能。该电路由两片4511和两个数码管构成，4511有四个
25、输入端与计时器的四个输出端连接，七个输出端口与数码管相连，LE端接低电平，BI/LT端接高电平，其仿真电路图如图7所示。图7 译码器显示电路3.5 报警电路的设计报警电路由一个发光二极管和一个电阻组成，当倒计时完成到00时，高位计数器借位输出端会输出低电平，二极管导通发光。其仿真电路图如图8所示。图8 报警电路3.6 控制电路的设计控制电路有三个控制开关，J1为暂停/连续开关，接通时为暂停，断开为继续计时；J2为启动开关，接通为预置位24，断开则又启动倒计时；J3为直接清零开关，断开为直接清零。其电路如图9所示。图9 控制电路4 性能测试该篮球比赛倒计数器的设计主要有六大模块，有直流稳压源模块
26、，秒脉冲信号发生模块，计数器模块，译码显示模块，报警模块，控制模块。其中直流电源部分由整波电路和稳压管来实现，输出电压比较稳定；秒脉冲由555定时器构成的多谐振荡器来实现，选定好参数就能输出秒脉冲，虽有微小误差，但可忽略不计；计数器由两片74LS192构成，低位预置成4，高位预置成2，低位的借位输出端TCD端连接高位的减计数端DN端，高位的借位输出端TCD端经与门接入低位的DN端，此时当计时器从24s倒计时到00s时，两个74LS192就停止计数了，达到00一直显示的目的；译码显示由两片4511和两个共阴极的数码管组成；报警器是一个发光二极管，其阳极接高电平，阴极接高位计数器的借位输出端TCD
27、端，当倒计时到00时，高位计数器借位输出端TCD端输出低电平，发光二极管工作，发出警报；控制模块有三个控制端，分别是暂停/连续开关，启动开关，直接清零开关，其中暂停/连续开关经与门接至低位计数器的DN端，启动开关接两计数器的置数端PL端，直接清零开关接两计数器的清零端MR端，经仿真得知，启动任意开关都能实现相应的功能。结论在学完模拟电子电路，数字电路等几门课后，通过这次篮球比赛倒计时器的设计，使我把理论知识与实践结合起来，认识到了理论知识的重要性，刚开始拿到课题，不知道从何开始着手，经过在图书馆查阅资料，网上查找之后，对课题有了基本的思路，有了思路，基本上就成功了一半，设计完之后就开始进行仿真
28、，仿真过程也经历了不少困难，偶尔会出一些小错误，致使无法运行，所以仿真也需要耐心谨慎，出现错误是要仔细检查问题出在哪里，仿真还要遵循模块化思想，把每个模块仿真成功后再将每个模块连接在一起，这样即使出了问题也容易查找并解决。在这次篮球比赛倒计时器电子线路设计中我学到了理论课中所学不到的东西，不仅动手能力得到了很好的锻炼，而且所学的理论知识也得到了巩固和加强，在以后的工作当中，需要的就是实践能力，所以，掌握这项能力很有必要。同时，这次电子线路的设计也让我们对本专业的兴趣有所提高，平时所学的理论知识都是枯燥无味的，能给我们这么好的机会做出生活中有用的东西，我认为兴趣不仅提升了，信心也增长了。这次篮球
29、比赛倒计时器的电子线路设计的成功离不开老师的热心帮助，老师不仅帮我们解决设计中的问题，还帮我们开拓思维，耐心的把每个细节讲解给我们听，让我们学到了更多的知识。参考文献1杨志忠.数字电子技术（第二版）M.北京：高等教育出版社，1999：45-62.2阎石. 数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2003：39-40.3 陈大钦. 电子技术基础实验M. 北京：高等教育出版社，2004：154-185.4 谢自美. 电子线路设计、实验、测试M.北京：华中理工出版社，2000：163-268.5胡小波.电工电子技术基础实验M.武汉：华中科技大学出版社，1993：6-39.6余孟尝.数字电子技术基础
30、简明教程M.北京：高等教育出版社，2002：69-286.7毕满清.电子技术实验与课程设计（第三版）M.北京：机械工业出版社，2006：89-95.8 郁汉淇. 数字电子技术实验与课题设计M.北京：高等教育出版社，1995：39-40.9 王毓银. 数字电路逻辑设计（第三版）.北京：高等教育出版社，1999：45-63.10 赫鸿安. 555集成电路实用大全M.上海：上海科学普及出版社，2005：142-157. 11 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计M.北京：电子工业出版社，2005：124-132.12张晓林.数字电路原理与设计实例解析M.北京：高等教育出版社，2002：69-286.1
31、3 郁汉淇. 数字电子技术实验与课题设计M.北京：高等教育出版社，1995：39-40.14 荀殿栋. 实用数字电路（第一版）M.北京：电子工业出版社，1994：45-63.15 胡锦. 数字电路与逻辑设计M. 北京：高等教育出版社，2004：142-157. 16 赵负图. 数字逻辑集成电路手册M.北京：化学工业出版社，2005：67-128.17MC Duta.Aeroacoustic analysis using a hybrid finite element method.J.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers
32、Part A: Journal of Power and Energy,2005,219(6).18Oscar Barton.Vibration of Variable Thickness Orthotropic Plates Using Eigensensitivity Analysis.J.Journal of Thermoplastic Composite Materials,1998,11(2).附录1 硬件系统原理图比赛倒计时器的系统原理图为：附录2 元器件清单序号编号名称型号数量1U1 U2 计数器74LS192D22U3三输入端与门74LS11N13U4 U5译码器4511BD2
33、4U6定时器LM555CN15U7 稳压管LM7805CT16U9U10数码管共阴极27D1全波桥式整流器3N24618R1电阻51k19R2电阻47k110R3R16电阻1001411R17电阻680 112R18R20电阻1k 313C3电容0.01uF 114C4电容10uF 115C5电容1000uF 116J1J3单刀单掷开关 317LED2发光二极管红 118T1变压器 1致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师*老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
