篮球比赛计时器设计

篮球比赛计时器设计

⑴设计任务与基本要求

①设计任务

篮球比赛计时器是一种体育比赛计时装置，经过改造可满足多种要求和场合。利用中小规模集成电路设计一个数字显示的简易篮球比赛计时器。

②基本要求

●篮球比赛上下半场四节制，每节12 min，要求能随时暂停，启动后继续计时，一节比赛结束后应可清零。

●按篮球比赛规则，进攻方有24 s为倒计时。要求进攻方得到发球权后，必须在24 s内完成一次进攻，否则将球权判给对方，因此需要一个具有24 s的倒计时功能。

●“分”、“秒”显示用LED数码管，应配用相应译码器。

●用扭子开关控制计时器的启动／暂停。

●24s计时时间到、每节结束和全场结束能自动音响提示。

（2）工作原理及参考方案

篮球比赛计时器实际上是一种多功能倒计时装置，它包括12 min、24 s倒计时，按键启停功能和自动音响提示等，其组成原理框图如图2．3．2所示。该电路主要由秒信号发生电路、启停电路、声响电路、门控电路、显示电路和计数电路等组成。一旦发球，启停电路启动，计时器开始工作，即12 min、24 s倒计时同时工作。当发球权交给对方时，24 s倒计重新开始计时，而12 min倒计时继续工作。当启停电路暂停时，12 min、24 s倒计器保持原来的数据不变，等到重新启动开始工作。

篮球比赛计时器设计

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秒倒计译码显示电路控制电路报警电路

目录

第一章总体设计思路、基本原理和框图

1、设计思路 (4)

2、基本原理 (4)

3、总体设计框图 (5)

第二章单元电路设计与方案比较（各单元电路图）

1、秒脉冲发生器的设计 (6)

2、秒、分倒计数器的设计 (7)

3、译码器和显示器的设计 (9)

4、节次控制电路的设计 (9)

第三章总设计（总电路图） (10)

第四章安装、调试步骤 (11)

第五章性能测试和结果分析 (12)

第六章附录（元器件清单） (13)

第七章参考文献 (14)

第一章、总体设计思路、基本原理和框图

一、设计思路

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。

二、基本原理

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。

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，当一天和尚撞一天钟12分钟重置时，电路自动移位指示节次。

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。

三、总体设计框图

总体电路说明：

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。

第二章、单元电路设计与方案比较（各单元电路图）

一、秒脉冲发生器的设计

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。

如下图所示.输出端正好可得到1Hz的标准脉冲。

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。

参数计算：

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.

由于本次设计要求用32768赫兹的晶振产生秒脉冲，所以采用方案一。

二、秒、分倒计数器的设计

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。

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。

12分钟倒计时电路如下：

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。

二、节次控制电路的设计

节次控制电路图：

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。

第三章、总设计（总电路图）

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。

第四章安装、调试步骤

1、按照电路板的规格，设定好各集成芯片的排放位置、测试各芯片是否与面板接触良好。

2、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。

3、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、整体综合连接，测试整体性能。

第五章性能测试和结果分析

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。

结果分析：

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；

计数、译码显示模块主要是为了达到能显示减计数功能；

报警模块是为了实现当减计数到零时发出光电报警信号；

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。

至此，本设计能完成基本要求。

第六章附录（元器件清单）

参考文献

1、陈大钦，电子技术基础实验——电子电路实验·设计·仿

真。高等教育出版社2000版。

2、华中工学院电子学教研室编，康华光主编：《电子技术基础》

数字部分，第三版，高等教育出版社。