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篮球竞赛30秒计时器设计课程设计(1)


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一、 概述
在篮球比赛中, 规定了一方的持球时间不能超过 30 秒,否则就被判做犯规。 本课程设计的“篮球竞赛 30 秒计时器” ,就可用于篮球比赛中,用于对球员持球 时间 30 秒进行限制。一旦球员的持球时间超过了 30 秒,计时器便自动报警。 30 秒计时器不仅可用于篮球比赛中,生活中也有许多地方可以用到,比如 通过对预置时间的更改,可以用

于辩论赛等场合。 此次课设设计了一个篮球竞赛 30 秒计时器电路。它由秒脉冲发生器、计数 器、译码显示电路、报警电路和时序控制电路五个部分组成。通过控制电路来完 成计时器的直接清零、启动、计数、暂停/连续等功能。计时器为 30 秒递减计时 器,其时间间隔为 1 秒;计时器递减到零时,数码显示器不能灭灯,持续发光报 警。并自行设计直流稳压电源。 这次实践,旨在增强学生思考问题,解决问题,以及将知识运用于实际的能 力,作为一名学生应该好好珍惜这样的机会。

二、 方案论证

图 1 篮球竞赛 30 秒计时器原理框图

30 秒计时器的原理框图如图 1 所示。30 秒计时器主要由秒脉冲发生器、计 数器、译码显示电路、时序控制电路和报警电路 5 部分构成。计数器完成 30 秒 减计时功能,而控制电路是控制计时器的直接清零、启动、计数、暂停/连续功 能等功能。操作清零开关时能够使计数器清零并使显示器显示“00”,报警灯发 光;当启动开关闭合时,控制电路应封锁脉冲信号,同时计数器完成置数功能, 显示器显示“30” ;当启动开关断开时,计数器开始计数;当暂停/连续开关闭合 时,控制电路封锁脉冲信号,计数器处于封存状态,计数器停止计数;当暂停/ 连续断开时,计数器连续累计计数;当计数器递减计数到零时,报警灯发出报警 信号。
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三、 电路设计
1. 直流稳压电源电路 直流稳压电路由电压变压器、整流滤波电路及稳压电路组成,结构框图如图 2 所示。

交流输入

变 压 器

整流 电路

滤波 电路

稳压 电路

直流输出

图2

直流稳压电源电路构成

电压变压器的作用是将电网 220 的交流电压变成整流电路所需要的交流电 压, 通常为降压变压器。 整流电路是将输入的交流电压变换为单向脉动电压和电 流, 这是还需在整流电路的输出端接入滤波电路滤除交流分量,使输出为平滑的 直流电压。 稳压电路的作用是将滤波电路输出的电压经稳压后,输出较稳定的电 压。直流稳压电源的电路图如图 3 所示。

图 3 直流稳压电路图

2.计数器电路 本实验中计数器选用中规模集成电路 74192 进行设计,74192 是十进制同步 加法/减法计数器,它采用 8421BCD 码二-十进制编码,其功能表如表 1 所示。

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表 1 74192 的功能表 操作 置数 加计数 减计数 清零

CPU × ↑ 1 ×

CPD × 1 ↑ × 0 1 1 ×

CR 0 0 0 1

74192 的引脚图如图 4 所示。 结合整机电路(见附录 I)可看出,当 J3 接 5V 时,CR 为高电平,计时器清 零;当 J3 接地时,CR 为低电平、LD 为低电平时,D0-D3 端输入的数据 d0-d3 被置 入计数器,Q3Q2Q1Q0=d3d2d1d0。当 CR 为低电平,LD 为高电平时,如果 CPD 为高电 平,由 CPU 端输入计数脉冲,进行加计数。如果 CPU 为高电平,由 CPD 端输入计 数脉冲,则进行减计数。如果 CPU 和 CPD 端都为高电平,计数器保持状态不变。 用两片 74192 实现 30 秒定时器的计数如图 5 所示。当 J3 接地时(即 CR=0) ,同 时启动开关 J2 打向下端时,两片 74HC192 的 LD=0,计数器置 30 秒.当 J2 打向上 端时,LD=1,计时器工作,CPD 端输入秒脉冲时进行减数。当计时器计时到 0 时, BO1 和 BO2 同时输出低电平 0。

图 4 74192 引脚图

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BO

接显示器

接显示器

脉冲信号 图 5 三十进制减法计时器

3. 时序控制电路 图 6 是时序控制电路。J1 是暂停/连续开关。开关 J1 打向右端时,U3 输出 高电平,控制门 U4 打开,秒脉冲信号可以通过控制门 U4 使计数器进行减数;开 关 J2 打向左端时,U3 输出低电平,U4 门关闭,秒脉冲信号被封锁,计数器处于 锁存状态。计数器完成 30 秒倒计时或清零后,BO 为低电平,二极管发光,同时 U1 门关闭,计数器不再进行计数,并显示“00”。

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脉 冲 信 号

BO

秒脉冲

图 6 时序控制电路

4.秒脉冲信号产生电路 LM555 秒脉冲发生器的振荡周期 T=tw1+tw2=0.7(R1+2R2)C,振荡频率 f=1/T=1/﹝0.7(R1+2R2)C﹞≈1.43/﹝(R1+R2)C﹞。本实验需要的周期是 1s, 计算出较为稳定的电阻电容值为:R1=20.4kΩ ,R2=20.8kΩ , C1=100nF ,C2=2.2 μ F。LM555 秒脉冲发生器由 555 集成定时器构成,其引脚图如图 7 所示。脉冲 信号产生电路如图 8 所示。

图 7 LM555 引脚图
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秒脉冲 图 8 脉冲信号产生电路

5.译码和数码显示电路 译码器将各级十进制计数器的计数结果进行二-十进制译码,并驱动数码管 用十进制符号显示出来。译码显示器如图9所示。

图 9 译码显示器

为保护显示器,使显示器与电阻串联,其电路图如图 10 所示。

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接计时器 图 10 译码和数码显示电路

6.报警电路 当计数器递减计数到零 ( 即定时时间到 )或直接清零时 ,显示器显示 “00”,计数器保持零状态不变 ,BO 输出为低电平,此时+5V 电源经 10k 电阻使 发光二极管导通并发出红光电报警信号,完成报警功能。报警电路如图 11 所示。
接计时器

BO
图 11 发光报警电路

脉冲信号

四、 性能的测试
1.直流稳压电源测试 将万用表接到直流稳压电源上,进行仿真,其电路如图 12 所示。万用表 测试结果显示的数据如图 13 所示。

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图 12 直流稳压电源测试电路

图 13 万用表的测试结果

万用表的数据显示为 5.007V,即所设计的直流稳压电源的输出电压为 5.007V,非常接近 5V,所以可认为此直流稳压电源合格。 2.脉冲信号发生器测试 将示波器连接到脉冲信号发生器上,进行仿真,其电路如图 14 所示。示波 器上所观察的波形如图 15 所示。

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图 14 脉冲信号发生器测试电路

图 15 示波器测试所显示波形
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示波器所显示波形的周期为 94.129ms,即所设计的信号发生器的输出信号 周期为 94.129ms,其信号频率非常接近 1HZ,所以此信号发生器合格。 3.整体电路测试 (1)预置 30 秒 对电路进行仿真,将 J2 打向下端(接地端) 3 打向上端(接地端) 1 ,J ,J 打向右端。此时 LD 为低电平,显示器显示“30” ,其仿真结果如图 16 所示。

图 16 30 秒置数仿真结果

从显示器显示“30”可以得知,整个电路可圆满完成置数功能。 (2)暂停/连续功能 当置数 30 秒完成后,J2 打向上端,计时器开始计时。计时开始后,暂停/ 连续开关 J1 打向右端时,U3 输出高电平,控制门 U4 打开,秒脉冲信号可以通 过控制门 U4 使计数器进行减数,实现连续功能;开关 J1 打向左端时,U3 输出 低电平, 4 门关闭, U 秒脉冲信号被封锁,计数器处于锁存状态,实现暂停功能。

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J1 打向左端时暂停功能的仿真结果如图 17 所示,J1 打向右端时连续功能的仿 真结果如图 18 所示。

图 17 暂停功能的仿真结果

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图 18 连续功能的仿真结果

从图 17 的仿真结果可以看出,在减计时过程中,将 J1 打向左端时(此时 显示器显示“10”,U3 输出低电平,U4 门关闭,秒脉冲信号被封锁,计时器停 ) 止计时,且显示器显示结果保持不变(此时继续保持显示为“10”。 ) 从图 18 的仿真结果可以看出,当 J1 打向左端后(即处于暂停状态) ,再将 J1 打回右端,U3 输出高电平,控制门 U4 打开,秒脉冲信号可以通过控制门 U4, 此时显示器显示“09”,并继续递减,从而实现连续功能。 根据以上结果可得出电路能够成功实现暂停/连续功能的结论。
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(3)报警功能 当计时器计时到零时,显示器显示“00” ,此时计时器的 BO 端输出低电平, 发光二极管自动导通,发出红色报警信号。报警显示如图 19 所示。图 20 为发光 二极管报警时的局部放大图。

图 19 报警功能仿真结果 BO 端

接+5V 图 20 报警时发光二极管的局部放大图

接 U1

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(4)清零报警功能 计时器递减计时过程中(该过程中 J2 保持打向上端不变,J1 保持打向右 端不变),将开关 J3 打向下端(接高电平),此时 CR 为高电平,计时器清零, 显示器显示“00”,报警器发出红色报警信号。清零仿真结果如图 21 所示。

图 21 清零功能仿真结果

仿真结果表明将 J3 打向下端后,显示器自动清零,显示“00”,并且此时 报警器报警。电路能成功完成清零功能。

五、 结论
根据实验要求, 本设计方案圆满完成了设计要求和各项技术指标。电路结构
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较为简单,条理清晰,准确度较高。脉冲发生器使用的是 555 振荡电路,通过对 器件参数的调整, 使其精度和稳定程度都有较高保证。如果能够通过分频电路来 代替 555 信号发生器的话,产生秒脉冲计时信号能够更加稳定和精准。

六、 性价比
综合各种因素来看, 该方案所设计的电路比较经济实惠。虽然由于该电路中 的元气件价格低廉但电路的总体性能比较稳定,效果很好,由此可见该方案的性 价比还是很高的, 若把该方案所设计的电路做成实物图完全可以应用到篮球比赛 中。

七、 课设体会及合理化建议
这个设计方案的出台离不开对资料的查询, 在查找资料的过程中我学会了如 何查找文献资料并把信息运用到自己的设计方案中去。 在以后的学习和生活过程 中,会遇到许多困难和疑惑,我们应该充分利用现有资源来解决现实中的问题。 这次实验也让我对所学的知识有了更多理性和感性的认识, 把所学运用到生活中 去解决问题具有一种愉悦感和成就感。 在连接实物图和仿真的过程中也遇到了不 少问题, 通过自己的努力最终解决了出现的各种问题,在这解决问题的过程中使 我学到了许多以前不太了解的知识,同时也培养了思考问题的习惯。同时,遇到 困难时,要勇于向老师和同学请教。 总之,在这次实验过程中,我收获颇丰。在过程中我得到了锻炼,动手动脑 的能力得到了加强,学到了许多书本上学不到的知识。

参考文献
[1]毕满清主编.电子技术实验与课程设计(第三版).[M]北京:机械工业出版 社,2005 年 [2]朱定华主编.电子电路测试与实验.[M]北京:清华大学出版社,2004 年 [3]杨志忠主编.电子技术课程设计.[M]北京:机械工业出版社,2008 年 [4]朱修文主编.实用电子电路设计制作.[M]北京:中国电力出版社,2005 年 [5]路勇主编.电子电路实验及仿真.[M]北京:北京交通大学出版社,2004 年

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附录 I 总电路图

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附录 II 元器件清单

序号 1 2 3 4 5

编号 U5 U3 U1 U9 LED1 U6 U4 U2

名称 可逆十进制计数 器 二输入一输出与 非门 二输入一输出与 门 555 振荡器 发光二极管

型号 74192 74LS00N 74LS08 LM555CM LED 灯 100pF 2μ F

数量 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 3 2

6

C1 C2 C3 C4 C5

电容

1mF 22μ F 100nF 20.4KΩ 18.8KΩ

7

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8

电阻

10KΩ 4*100Ω 600Ω

8 9

J1

J2

J3

开关

Key space

U7 U8 10 D2 D3 D4 D5

显示器 二极管

DCD-HEX-DIG-RED 1N4001 4

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沈阳航空航天大学









(说明书)

篮球竞赛 30 秒计时器设计

班级 / 学号 学 生 姓 名 指 导 教 师

14060402/2011040604072 荣柏林 孙琦

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