成绩
课程设计说明书
课程设计名称：题目： 学院： 学生姓名： 专业： 学号： 指导教师：
电子技术课程设计 篮球比赛计时器 电气与电子信息学院
电气工程及其自动化
2016年 7 月2 日
日期：
课程设计题目
摘要：本设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒和12分
钟倒计时器。此计时器功能齐全，可以直接清零、启动、暂停和连续以及具有报警功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此计时器有了启动、暂停和连续功能，可以方便地实现断点计时功能，当计时器递减到零时，会发出报警信号。本设计完成的中途计时功能，实现了在许多的特定场合进行时间追踪的功能，在社会生活中也具有广泛的应用价值。
本电路主要有五个模块构成：秒脉冲发生器、计数器、译码显示电路、控制电路和报警电路。控制电路直接控制计数器启动计数、暂停/连续计数、译码显示电路的显示等功能。当控制电路的置数开关闭合时，在数码管上显示数字24，每当一个秒脉信号输入到计数器时，数码管上的数字就会自动减1，当计时器递减到零时，报警电路发出光电报警与蜂鸣信号。
关键词：计数器 24秒倒计时译码显示电路控制电路报警电路
Abstract：This design is the simple application of the pulse digital circuit, design of the
basketball competition 12 minutes and 24 seconds and the timer. The timer function is all ready, can be directly reset, start, pause, continuous and has alarm function, and application of the seven segment digital tube to display the time. The timer start, pause and continuous function, can easily achieve a peakpoint timing function, decreasing
when the timer to zero, will send out alarm signal. This design completed the middle of the timing function, realized in many occasions for time tracking function, also has extensive application value in social life.
This circuit is mainly composed of five modules: second pulse generator, counter, decoding display circuit, control circuit and alarm circuit. Control circuit control directly counter to start counting, pause/continuous counting, decoding display circuit, and other functions. When the control circuit of the load switch is closed, on the digital tube display digital 24, when a second pulse signal input to the counter, the Numbers on a digital tube will automatically minus 1, decreasing when the timer to zero, signals photoelectric alarm and buzzer alarm circuit.
Keywords：Counter, and 24 seconds countdown, decoding display circuit, control circuit,
alarm circuit
目 录
1前言 --------------------------------------------------- 错误！未定义书签。 1.1 设计背景-------------------------------------------------------------- 1 1.2 设计目标-------------------------------------------------------------- 1 1.3 实施计划-------------------------------------------------------------- 1 1.4 必备条件-------------------------------------------------------------- 1 2总体方案设计 ------------------------------------------------------------ 2 2.1 方案比较-------------------------------------------------------------- 2 2.1.1方案一 -------------------------------------------------------------- 2 2.1.2方案二 -------------------------------------------------------------- 2 2.2 方案论证-------------------------------------------------------------- 3 2.3 方案选择-------------------------------------------------------------- 3 3单元模块设计 ------------------------------------------------------------ 3 3.1 各单元模块功能介绍及电路设计------------------------------------------ 3 3.1.1 秒脉冲发生器和节次控制模块设计-------------------------------------- 4 3.1.2 秒·分倒计数器模块设计---------------------------------------------- 6 3.1.3 译码器与显示器模块设计---------------------------------------------- 8 3.2 特殊器件的介绍-------------------------------------------------------- 9 3.2.1 74LS192器件介绍 ---------------------------------------------------- 9 4系统调试 --------------------------------------------------------------- 11 4.1 调试环境------------------------------------------------------------- 11 4.2 硬件调试------------------------------------------------------------- 12 5系统功能、指标参数 ----------------------------------------------------- 13 5.1 系统能实现的功能----------------------------------------------------- 13 5.2 系统指标参数测试----------------------------------------------------- 13 5.3 系统功能及指标参数分析----------------------------------------------- 13 6结论 ------------------------------------------------------------------- 14 7总结与体会 ------------------------------------------------------------- 15 8谢辞 ------------------------------------------------------------------- 16 9参考文献 --------------------------------------------------------------- 17 附录--------------------------------------------------------------------- 18
1、前言
随着社会的进步，信息化产业的发展，出现的高科技产品的技术含量也越来越来高，先进的电子技术在各个学科门内和技术邻域占有不可或缺的核心地位。本设计篮球比赛计时器是采用数字电路实现对分，秒进行倒计时显示的计时装置以其直观性和准确性受
到人们的喜爱，由于数字集成电路的发展和石英晶体与555 多谐振荡器的广泛引用，使得篮球比赛计时比以前计时更加精准，方便。数字电路也更加符合现在篮球比赛对计时设备的要求。因此篮球比赛计时器还有着非常大的现实意义
1.1设计背景
随着社会文明的进步和科学技术的发展，我国现代化建设的发展进程中，数字电子技术在国民经济科学研究各个领域的引用也越来越广泛。且我门学习了数字电子技术等课程，另外还做过模拟、数字电子技术等实验。为了达到设计要求，所以根据自己掌握的知识，再结合其他专业课知识，我选择了篮球比赛计时器这个题目。在制作这个电路的基础上可以看出自己对数字电路及其它专业课的掌握程度，因而很适合电子技术课程设计的题目要求。再者数字钟在我们的实际生活中经常见到，它的精度、稳定性远远超过了机械钟表，因此得到了广泛的使用。
1.2设计目标
本次设计以数字电路为主，实现对分，秒的倒数计时。有12分钟倒计时和24秒进攻倒计时
（1）设计一个555多谐振荡器经分频电路产生标准的一秒脉冲发生器；
(2)能准确显示时间，秒分别为60进制和24进制。开始时显示12：00.结束时为00：00.
1.3实施计划
（1）根据所选课题，结合所学知识，查阅资料，画出数字钟的设计电路图； （2）根据原理图分析各个单元的功能，熟悉自己所需的各个器件的功能； （3）用proteus软件设计电路图，并进行仿真和电路调试能达到规定的设计要求；
（4）用Altium Designer软件画出原理图，并正确画出完整的PCB图； （5） 写出完整、详细的课程设计说明书。
1.4必备条件
（1）电子技术基础课程知识储备。 （2）各模块元器件电气特性。 （3）仿真环境（proteus 7）、原理图的使用。
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2、总体方案设计
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。 2.1方案比较 2.1.1方案一：
信号发生器是数字钟的核心。它的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，可选用晶振的频率为32768Hz的脉冲经过整形、分步获得1Hz的秒脉冲。
图2-1方案一框图
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2.1.2方案二：
由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源。
图2-2方案二框图
2.2方案论证
1.脉冲产生电路：
a.用555组成的脉冲产生电路:
R1=15*103Ω，R2=68*103Ω，C=10μF，则555所产生的脉冲的为:f=1.43/[(R1+2*R2)*103*10*106=0.947Hz,而设计要求为1Hz,因此其误差为5.3%,在精度要求不是很高的时候可以使用. b.石英晶体振荡电路:
采用的32768晶体振荡电路,其频率为32768Hz,然后再经过15分频电路可得到标准的1Hz的脉冲输出。R的阻值,对于TTL门电路通常在0.7～2KΩ之间;对于CMOS门则常在10～100MΩ之间.
2.3方案选择：
经过两个方案的比较，基于电路的难易程度和自己的知识掌握。且方案二能产生更加稳定的脉冲信号，最终选择方案二。
3. 单元模块设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
篮球比赛计时器的主要功能包括： 12分钟倒计时、进攻方24秒倒计时计
时暂停，重新开启和结束警报提示。该计时系统由以下四个电路模块组成：
1秒时基产生器：这部分利用32.768KHz需要通过分频器，最终产生1赫兹的电信号，驱动整个电路的运作。这一模块主要是利用CD4060和CD4027的锁存和分频功能来实现。
12分钟倒计时：这部分电路完成12分钟倒计时的功能，比赛准备开始时，屏幕上显示12：00字样。当比赛开始时，倒计时从12：00开始逐秒递减到00：00。这一模块主要利用双向计数器74LS192的减计数功能来实现。
攻方24秒倒计时：这部分电路与12分钟倒计时功能类似，当比赛准备开始时，屏幕上显示24秒字样，当比赛开始后，倒计时从24逐秒倒数到00。这一模块主要也是利用双向计数器74LS192来实现。
节数记次：四个LED分别表示四场节次，根据比赛场次的转换，用适当的方法使这四个LED依次自动指示四场节次。
警报提示：当两个计数器中任一个计时到零时，BO端出现低电平。通过和二极管作用，发光二极管亮，起到报警作用。
主体电路：即倒计时部分。包括12分钟和24秒倒计时。12分钟倒计时的基本原理：比赛处于准备开始阶段，扳动启动开关G使倒计时计数器相应的置数或清零端有效，显示设定的时间12：00，当主裁判抛起球，比赛开始，扳动G，倒数计时器开始工作（相应的置数、清零端无效），计时器逐秒进行倒计显示。当有球员犯规，裁判吹哨，整个计时系统的倒计时暂停，这个功能通过暂停开关S截断时钟脉冲的传输来实现。当倒数计时器计数到零时，选取“00：00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号,让其与时钟脉冲在与非门中将时钟脉冲截断，从而计时器在计数到零时停住。24秒计数芯片的置数端和12分的置数、清零端共用一个开关，比赛开始后，24秒的置数端也无效，24秒的倒数计时器与12分的倒数计时器同时开始进行倒计时，逐秒倒计到零。同样也是选取“00”这个状态，通过组合逻辑电路给出截断信号，让该信号与时钟脉冲在与非门中将时钟截断，使计时器在计数到零时停住。
3.1.1 秒脉冲发生器的设计
信号发生器是整个电路的初始部分，它能否产生足够稳定的脉冲信号直接决定系统的正常运行。下图为秒脉冲部分的电路图：
图3.1.1秒脉冲发生器电路图
节次电路：用四个D触发器和适当的组合逻辑电路搭成四位的移位寄存器，四个LED分别接在这四个D触发器的输出Q上，当过了12分钟重置时，电路自动
移位指示节次。
图3.1.2节次电路电路图
将这四个D触发器依次命名为D1、D2、D3、D4。四个D触发器级连，前一个输出送入下一个输入，用一个共同的时钟脉冲，形成同步动作。为了保证每次输出只有一位是高电平，用个或门把Q2、Q3进行或运算后，送入或非门与Q1进行运算后送回D1。
当电源刚接通、开关G没有接地，整个计时系统没有进行工作，Q1-Q4为低电平（0000状态），D=1，四个LED都不亮。合上G，接高电平，这样，当G接通时就有了一个电平的上升沿跳变，Q1=D1=1；1000状态，LED1亮，指示第一节比赛。电路进入循环状态，倒计时电路重置一次，该电路状态转换一次，实现节次自动指示。
警报提示：为了给出警报提示，可在计数器的输出端用一个普通二极管和LED二极管。当计数为0时，QO输出为0，LED灯亮起。
3.1.2秒、分倒计数器的设计
倒计时功能主要是利用192计数芯片来实现，同时利用反馈和置数实现进制的转换，以适合分和秒的不同需要。由于该系统特殊的需要，到各计时器到零时，通过停止控制电路使计数器停止计数并用LED发出警报。而节次计数是通过12分钟的重置来实现的。1)24秒倒计时电路
计数器的倒计时功能。用两片74LS192分别做个位（低位）和十位（高位）的倒计时计数器，由于本系统只需要从开始时的“24”倒计到“00”然后停止，所以可以直接运用十进制的74LS192进行减计数。
因为预置的数不是“00”，所以我选用置数端LOAD来进行预置数。低位的借位输出信号用作高位的时钟脉冲。
图3.1.2.1 24秒倒计时电路如图
2)12分钟倒计时电路设计
①12分钟倒计时秒部分。运用两片可逆计数器74LS192来构成60进制的减计数器。
这个计数器的低位即个位，不需要搭接任何反馈电路而直接运用74LS192芯片的减计数功能：时钟脉冲接到down端，置数、清零端无效，即可以实现十进制的倒计时计数功能。而最低位的计数变化应当与时钟脉冲的变化同步。所以，原则上应当将时钟脉冲直接引到这片192计数器的减计数时钟脉冲输入端down。
该计数器的高位即十位，与低位的计数进制不相同。由于时间的分和秒都是60进制，所以这里的计数芯片74LS192必须要接成六进制的计数器。这里，我选用反馈置数的方法来实现这个功能。
反馈方案一：
考虑到74LS192芯片的置数端LOAD是异步置数，并且是低电平有效的，所以我根据74LS192芯片减计数的特点并综合以上两点特性，就将74LS192芯片的输出端输出9时，即仅QD和QA输出为高电平（二进制数1001）。从这两个引脚引出高电平信号，并通过与非门作用后形成低电平反馈信号，送入74LS192芯片的置数端LOAD使之实现置数动作。
反馈方案二：
直接从QD引出高电平信号，通过非门作用后形成低电平反馈信号，送入74LS192芯片的置数端LOAD使之实现置数动作。
（由于方案二和方案一相比，功能相同，连线更为简单和方便，本设计采用方案二。）
置数时，输出的数是与输入的数是一样的，所以我设置的数是5（二进制0101），这样，当计数器从0变到9时，由于进行了异步置数，9就在瞬间变成了5，计数输出的结果就变为0→5→4→3→2→1→0，实现了六进制的功能。 ②12分钟倒计时分部分。也是运用两片可逆计数器74LS192来构成减计数器。在两片计数器的连接上，与秒部分一样。也是把低位的借位信号作为高位的时钟脉冲进行连接。而低位计数器的时钟脉冲则是用秒部分高位计数器的借位输出信号来充当的。
运用以上两个计数器组合，就在低位计数器从0变到9或从0变到5的瞬间，在它的借位输出端出现一个电平的上升脉冲沿，从而使高位的计数器倒倒计一个数。实现倒计时功能。如下：
图3.1.2 .2 12分钟倒计时电路
3.1.3译码器和显示器的设计
译码电路的功能是将“秒”、“分”计数器的输出代码进行翻译，变成相应的数字。本次驱动LED七段数码管的译码器，我们选用了CC4511.相应的，与LED七段共阴极显示数码管相互连接。
图3.1.3译码器和显示器
简要说明：右起第一个开关的作用是对12分钟进行清零和置数。右起第二个开关是暂停、继续开关。右起第三个开关对24秒进行清零和置数。最左边的开关是整个系统的启动开关。
3.2 特殊器件的介绍
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。(bcd,二进制)。 1. CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。 2. LD为预置输入控制端，异步预置。
3.CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。 4.CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出。 5.BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。
图3.2 74LS192 表3.2 74ls192真值表
4.系统调试
1、用 D触发器74LS74连接出节次控制模块：
a 测试74LS74，相应的门电路模块74LS02、74LS32的好坏。 b 将两片74LS74做成循环移位寄存器，测试其性能是否达到要求。 2、用移位74LS194寄存器及相关的门电路做出警报提示模块： a 测试74LS194和门电路的好坏。 b 把74LS194的固定引脚接好。
c 连接74LS194外部门电路组成的组合逻辑电路并测试其功能。 d 进行整体连接并测试其功能。
3、用异步可逆双时钟BCD计数器74LS192及相关门实现定时倒计时电路： a 测试74LS192和门电路的好坏。
b 先连24秒倒计时模块，并测试其性能是否达到要求 c 加入相应门电路实现暂停和停止/复位功能。
d 连接12分钟倒计时模块，并测试其性能是否达到要求。 e 加入相应门电路实现暂停和停止/复位功能。
4.1调试环境
在硬件电路的设计中，进行调试与仿真是不可避免的。在仿真的过程中我们可以不断的对我们所设计的电路进行修改，验证我们设计的重要性，避免了再实际操作中的繁琐，以及对元件的损耗。在设计电路时，常用的仿真软件有PROTUES,TINA,MODELSIM等。本次设计采用的是PROTUES.
PROTUES是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。是在电路调试方面应用较为广泛的一种EDA工具。由于PRITUES拥有丰富的元件库，并且支持元件库的升级和下载，几乎涵盖了所有本次设计中所需的元件。元件的选取与查找操作简便，只需
在元件搜索框中输入元件的型号或名称即可。
4.2、硬件调试
附时钟脉冲发生器模块的调试：
调试方法和调试内容：用示波器和频率计调试。即在时钟脉冲发生器输出脉冲端与示波器一个探头相连接，打开示波器，把图像调节到视野中央，观察频率调节旋钮上的示数，并数示波器面板上波形所占的格数，把频率调节旋钮上的示数与示波器面板上波形所占的格数相乘就是时钟脉冲发生器输出的频率。
除此之外还可用外电路的频率与电阻电容的关系也可粗略地到频率值。 经过以上两种方法的合并使用，得到时钟脉冲发生器模块输出1HZ的时钟频率。
图4.2时钟脉冲发生器调试图
5 系统功能、指标参数
5.1 系统能实现的功能
经过测试，可实现的功能有：
1、24秒和12分钟同时置零和启动，也可在暂停的状态下对24秒单独置零，并重新置数启动。
2、可以同时使两个时钟置零。
3、当两个时钟中任意一个时钟置零时，两个时钟都停止调动，并且LED灯亮。
5.2 系统指标参数测试
1.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；
2.计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能； 3.报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；
4.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。
5.3系统功能及指标参数分析
该设计采用方案二能产生较为合格的脉冲信号，但还有待改进，与NE555相比较使得电路更为复杂，也给后面的仿真增加了难度。
在对各模块分开测试时能达到预期目标，但组合起来时整个连线布局成了大问题各系统协调运行不是很好，还有待改进。
六 结论
该设计用的是Proteus仿真软件的验证了理论分析结果的正确性。此次课程设计，目前基本达到了预期的要求，通过对整个系统的调试，可得到如下结论：数码管能正常显示12分和24秒，能准确的实现12分倒计时和24秒倒计时，能准确的实现暂停和继续计时。
通过这次课程设计，我翻阅了大量的资料，通过网上和书籍上的知识结合最终顺利做出了想要的作品，这种经历不仅锻炼了我搜集资料的能力，更提高了我提取有用信息，和整理信息的能力。增强了我独立完成任务的能力，使我了解到如何自己有效的完成一件事。
本次设计还存在诸多缺点，比如电路设计较为复杂，线路排版不是很好，另外仿真调试与实际使用存在一定误差，该作品的抗干扰性还有待提高！
7.总结与体会
通过本次课程设计我学到了许多以前不会，或是没接触过的东西，既巩固了自己所学的知识，又开拓了我的视野，增强了我的动手能力和自己独立完成任务作品的能力，同时也认识到了一种十分重要的学习方法，那就是模块化学习，就像电路一样把每个模块弄好弄扎实，最后融合在一起才能达到预期的效果。更加熟悉了Proteus等仿真软件在实际工程中所发挥的巨大作用。同时学会提出多种方案经过比较后得出最优方案，再去实施它。以后一定严格遵守理论结合实际的原则，优化方案，提高效率。在本次设计中还是体现出我对课本内容的不熟，以及对网上资料的筛选不够仔细的问题，本次设计时先是通过课本内容再到图书馆翻阅，最后网上查找的方式来获取所需的知识，通过不同内容的比较也让我了解到理论与实践的差别与联系。有些理论知识是需要在一些理想化的条件下才能很好的契合，特别是电路在实际运行中很容易受外界环境干扰，需要我们耐心查找解决！ 最后我明白了无论是做课程设计还是学习都需要我们拥有一种严谨，认真的态度去对待，在今后的学习工作中我们还会遇到各种难题，可是只要我们不畏艰险，勇敢面对耐心，细心的去分析了解它我们就有成功的机会。同时要合理的安排自己独立完成和与他人合作。有些事只能自己去完成，但不懂得合作就注定你要走的路艰难百倍。非常感谢在这次课程设计中给予我帮助的老师和同学们！
8.谢辞
在夏焰坤老师的指导下我克服了一个又一个课程设计上的难题，从最开始的选题夏老师便耐心的为我们讲解分析每个课题的特点，难点，让我们清楚的知道自己适合做哪个。我根据自己的能力以及兴趣选择了篮球比赛计时器这个课题，在老师的帮助下我找到了自己的思路，在确立了总的设计方向后，在老师的监督下我开始了各个模块的建立与测试。在总的运行时遇到问题夏老师也细心帮我们查找。
最后非常感谢夏老师在这次课程设计中对我的指导和帮助！
9.参考文献
[1] 康华光.电子技术基础数字部分第六版 [M].北京：高等教育出版社，2014 [2] 陈永强、魏金成、吴昌东. 模拟电子技术 [M]. 人民邮电出版社,2013-01-01 [3] 陈明义.电子技术课程设计实用教程 [M].中南大学出版社，2013.3 [4] 华成英.数字电子技术基础 [M]. 高等教育出版社,2002-06-01 [5] https://www.docin.com/p-220723804.html
[6] https://blog.163.com/lsweeting@yeah/blog/static/[***********]365/ [7]https://wenku.baidu.com/link?url=C8o_iNEW53ggNEZJz-RvgVDIdfOy3PYggDD8iJp3J-l9yKye3qHqtyvF3DdrYDoLjJj3UKMlfOU_SOysC4EVI6WY8c2TrGC1aw0YN8z2Exm
[8]https://wenku.baidu.com/link?url=tTTbT57qznQ8j3WV_inl33Pugqn4pdMvPGnwJ051Sovh
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CU97BltJ30SkEf6D5znor468WvWLUB4MQFkoFx0knmeyhCh02DEK9j3nknuMHcm
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sYcH7v_m_76NrzPF82fUj1sDKFO4U-0o5TaE0R9YP578PP91AraJPRFNhOkmVEla
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snQeqc0Xs6UeqD2VLXHVVStYWUqt-NHgYGNljJV807K [12] https://www.doc88.com/p-[1**********].html
附录
附录1系统仿真电路图：
附图一
18 页第