籃球比賽24秒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)

贛南師院物理與電子信息學(xué)院

數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告書姓名:班級(jí)：電子信息工程09級(jí)學(xué)號(hào):時(shí)間：2011年6月15日

論文題目籃球比賽24秒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)課程論文要求在籃球比賽中，規(guī)定了球員的持球時(shí)間不能超過(guò)24秒，否則就違例了。本課程設(shè)計(jì)的“籃球比賽24秒計(jì)時(shí)器”，可用于籃球比賽中，用于對(duì)球員持球時(shí)間24秒限制。一旦球員的持球時(shí)間超過(guò)了24秒，它自動(dòng)的報(bào)警從而判定此球員的違例。具體要求如下：1、 設(shè)計(jì)一個(gè)籃球比賽24秒計(jì)時(shí)器，具備顯示24秒計(jì)時(shí)功能；2、 計(jì)時(shí)器為遞減工作，時(shí)間間隔為1S；3、 遞減到零時(shí)發(fā)光報(bào)警；4、 設(shè)置外部開關(guān)，控制計(jì)時(shí)器的啟動(dòng)、暫停。設(shè)計(jì)過(guò)程一、 設(shè)計(jì)方案1、 硬件實(shí)驗(yàn)：本次試驗(yàn)由秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼與顯示電路、報(bào)警電路和控制電路（輔助時(shí)序控制電路）等五個(gè)部分組成，本設(shè)計(jì)利用555作為振蕩電路，74LS161實(shí)現(xiàn)十分頻，由74LS192、74LS48和七段共陰LED數(shù)碼管構(gòu)成計(jì)時(shí)電路，具有計(jì)時(shí)器啟動(dòng)、暫停、連續(xù)計(jì)時(shí)和報(bào)警功能，繪制好電路圖，焊好電路板。2、 軟件實(shí)驗(yàn)：在QUARTUSII軟件中，運(yùn)用VHDL語(yǔ)言編寫程序，其中包括計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)器，控制部分以及七段顯示碼譯碼器部分，再利用仿真檢測(cè)結(jié)果，最后到實(shí)驗(yàn)室下載記錄結(jié)果，實(shí)現(xiàn)功能。二、 設(shè)計(jì)思路在NBA籃球比賽中有一個(gè)24秒進(jìn)攻規(guī)則，即從獲取球權(quán)到投籃擊中籃板、籃框、命中或投籃被侵犯，其有效時(shí)間合計(jì)不能超過(guò)24秒，否則被判違例，將失去球權(quán)。在此過(guò)程中，設(shè)置24秒、啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)、暫停倒計(jì)時(shí)或者中途終止24秒（即球權(quán)歸對(duì)方）均由裁判控制。1、計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要部分，計(jì)數(shù)器完成24秒計(jì)時(shí)功能，而控制電路具有直接控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)計(jì)數(shù)、暫停/連接計(jì)數(shù)、譯碼顯示電路的顯示和滅燈等功能。本設(shè)計(jì)米用555作為振蕩電路，由74LSl92、74LS48和七段共陰LED數(shù)碼管構(gòu)成計(jì)時(shí)電路，具有計(jì)時(shí)器、啟動(dòng)、暫停、連續(xù)計(jì)時(shí)和報(bào)警功能。該電路制作、調(diào)試簡(jiǎn)單，采用普通器件，一裝即成計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器由兩片74LS192同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器構(gòu)成。利用減計(jì)數(shù)RD=0,LD=0,CPD=1,實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器按8421碼遞減進(jìn)行減計(jì)數(shù)。2、脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)遞減計(jì)數(shù)器、譯碼器、再由數(shù)碼管顯示出來(lái)，中間包括控制電路因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要求是計(jì)時(shí)器遞減，按照每秒一次的規(guī)律，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)千分頻，CLK=1KHZ，分頻后CLK1=1HZ,再設(shè)計(jì)兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，一個(gè)為2進(jìn)制，一個(gè)為4進(jìn)制，十位為2進(jìn)制個(gè)位為4進(jìn)制，要求是個(gè)位為0，十位為0的時(shí)候顯示燈亮，并且個(gè)位變?yōu)?，十位變?yōu)?，然后再依次遞減。設(shè)計(jì)控制端，使能控制端en，en=1時(shí)，繼續(xù)計(jì)數(shù)，en=0時(shí)，計(jì)數(shù)不變，起到一個(gè)暫停的作用，清零端cln，cln=1時(shí)計(jì)數(shù)清零，cl=0時(shí)可以計(jì)數(shù)，置數(shù)端ldn，ldn=1時(shí)，計(jì)數(shù)不變，ldn=0時(shí)，可以置數(shù)0~9設(shè)計(jì)一個(gè)譯碼器，編寫一個(gè)七段顯示碼，由一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器控制循環(huán)，一個(gè)進(jìn)程選定兩個(gè)數(shù)碼顯示管顯示數(shù)據(jù)。三、設(shè)計(jì)過(guò)程1、硬件電路實(shí)驗(yàn)1.1電路設(shè)計(jì)分析555定時(shí)器用來(lái)產(chǎn)生周期為1秒的脈沖信號(hào)，供計(jì)數(shù)器進(jìn)行倒計(jì)數(shù)，以便將計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)傳送給譯碼器，譯碼器再譯碼驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管顯示輸出，控制電路實(shí)現(xiàn)“籃球競(jìng)賽30s”的暫停/繼續(xù)工作，清零復(fù)位，置數(shù)/工作；報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)30s計(jì)數(shù)器減至0秒時(shí)報(bào)警電路發(fā)出光警報(bào)，由此分析得出30秒計(jì)時(shí)器的總體參考方案框圖如圖1-1所示。它包括秒脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、報(bào)警電路和控制電路等五個(gè)模塊組成。其中計(jì)數(shù)器和控制電路是系統(tǒng)的主要模塊。圖1-124秒計(jì)時(shí)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖1.2單元電路設(shè)計(jì)1.2.1秒脈沖發(fā)生器用555與74LS161集成電路組成多諧振蕩電路為系統(tǒng)提供時(shí)鐘秒脈沖。555定時(shí)器應(yīng)用為多諧振蕩電路時(shí)，當(dāng)電源接通Vcc通過(guò)電阻R1、R2向電容C充電，其上電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)u上升至2/3Vcc，會(huì)使比較器q輸出翻轉(zhuǎn)，輸出電壓為零，同時(shí)放電管T導(dǎo)通，電容C通過(guò)R2放電；當(dāng)電容電壓下降到1/3Vcc，比較器C2工作輸出電壓變?yōu)楦唠娖?，C放電終止，Vcc通過(guò)R1、R2又開始充電；周而復(fù)始，形成振蕩。則其振蕩周期與充放電時(shí)間有關(guān)，也就是與外接元件有關(guān)，不受電源電壓變化影響。公式計(jì)算：T1=(R1+R2)Cln2;T2=R2Cln2;振蕩周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C=0.1(s)若取C=10uF，結(jié)合實(shí)際選取電阻為R1=5.1K,R2=4.7K再通過(guò)74LS161計(jì)數(shù)產(chǎn)生秒脈沖圖1-2555多諧振蕩電路圖1.2.2計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路選用兩片中規(guī)模集成電路74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)，74LS192是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，具有“異步清零”和“異步置數(shù)”功能，且有進(jìn)位和借位輸出端。兩片74LS192構(gòu)成預(yù)置數(shù)的三十進(jìn)制遞減計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器十位接成三進(jìn)制，計(jì)數(shù)器個(gè)位接成十進(jìn)制，置數(shù)端A、B、C、D通過(guò)開關(guān)接高低電平，若接高電平可進(jìn)行其他置數(shù)；此計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)為（00011000）=（24）10，只有當(dāng)?shù)臀欢税l(fā)出錯(cuò)位脈沖，高位計(jì)數(shù)器才做減計(jì)數(shù)。1片74LS192構(gòu)成1秒減計(jì)數(shù)電路（即個(gè)位）。74LS192的引腳圖和功能表如圖所示。它的計(jì)數(shù)原理是：使加計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)引腳CPu=1，計(jì)數(shù)脈沖加入個(gè)位74LS192引腳CPD腳，當(dāng)減計(jì)數(shù)到零時(shí)，個(gè)位74LS192的亦端發(fā)出錯(cuò)位脈沖，使十位計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)，當(dāng)高、低位計(jì)數(shù)器處于全零時(shí)，CPD（DWN）端的輸入時(shí)鐘脈沖作用下，計(jì)數(shù)器再次進(jìn)入下次循環(huán)減計(jì)數(shù)。Voc Po MR KD PL Pz Pj同同網(wǎng)同國(guó)回網(wǎng)網(wǎng)，|l| in |3| |4| |5| |g| Ml |e|Pi D1 □[, CPD CPU 02 Q3 GND圖1-374LS192引腳圖表1 74LS192功能表輸出輸入MRLDCPuCPdP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01XXXXXXX000000XXdcbadcba01t1XXXX加計(jì)數(shù)011XXXX減計(jì)數(shù)1.2.3譯碼顯示電路此模塊主要是由74LS48譯碼器和共陰極七段LED顯示器組成，通過(guò)計(jì)數(shù)器加到譯碼器，從而實(shí)現(xiàn)共陰極七段LED顯示器從30遞減到零的計(jì)數(shù)顯示功能。1、74LS48是七段顯示譯碼器，其管腳圖如下圖2-3所示?，F(xiàn)將各管腳功能介紹一下：A、B、C、D是BCD碼的輸入端；a,b,c,d,e,f,g是輸出端；試燈輸入端L:低電平有效。當(dāng)L=0時(shí)，數(shù)碼管的七段應(yīng)全亮，與輸入的譯碼信號(hào)無(wú)關(guān)。本輸入端用于測(cè)試數(shù)碼管的好壞；動(dòng)態(tài)滅零輸入端麗:低電平有效。當(dāng)萬(wàn)=1、麗=0、且譯碼輸入為0時(shí)，該位輸出不顯示，即0字被熄滅；當(dāng)譯碼輸入不全為0時(shí)，該位正常顯示。本輸入端用于消隱無(wú)效的0。如數(shù)據(jù)0034.50可顯示為34.5；滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅零輸出端麗:這是一個(gè)特殊的端鈕，有時(shí)用作輸入，有時(shí)用作輸出。當(dāng)麗0作為輸入使用，且麗0=0時(shí)，數(shù)碼管七段全滅，與譯碼輸入無(wú)關(guān)。當(dāng)商0作為輸出使用時(shí)，受控于LT和麗:當(dāng)L=1且麗=0時(shí)，RB。=0；其它情況下RBO=1。本端鈕主要用于顯示多位數(shù)字時(shí)，多個(gè)譯碼器之間的連接。本設(shè)計(jì)將RBI、LT、面都置高電平。CONNECTIONDIAGRAMDIP(TOPVIEW}

\'QCfga3cceIII2IIjjI?」IFIIE|I7|I5BC_TBI-'RECRBDAGNZ圖1-4 74LS48管腳圖2、共陰極七段LED顯示器是較常用的顯示數(shù)碼管，但在使用時(shí)要注意的是:看清楚自己用的數(shù)碼管是共陰極還是共陽(yáng)極的，最好在使用前用萬(wàn)電用表測(cè)一下它的極性，其管腳圖如下圖2-4所示，如果為共陰極的，其管腳COM端接地;如果為共陽(yáng)極的，起管腳COM段要接高電平。

圖1-5共陰極七段LED顯示器管腳圖1.2.4報(bào)警電路報(bào)警電路，經(jīng)過(guò)74LS00的一個(gè)高電平促使發(fā)出光報(bào)警，當(dāng)復(fù)位時(shí)警報(bào)停止。電路圖2-5所示。圖1-6報(bào)警電路1.2.5控制電路控制電路是24S倒計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)的核心，電路如圖2-6。當(dāng)復(fù)位開關(guān)閉合時(shí)，觸發(fā)器置低電平，送至74LS192的LD端和UP端，計(jì)數(shù)器的LD=0，計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)，反之，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)處于計(jì)數(shù)工作狀態(tài)。圖(a)開關(guān)SW1控制計(jì)數(shù)器的暫停/計(jì)數(shù)。74LS11輸出端接74LS192(2)的DWN端。當(dāng)SW1下合時(shí)，觸發(fā)器輸出低電平，與十位74LS192(1)的13腳BO端輸出的高電平和555定時(shí)器輸出的時(shí)鐘脈沖一起通過(guò)2與門，使得2與門輸出低電平，送至74LS192(2)的4腳DWN端，令計(jì)數(shù)器停止工作，顯示器上保持原來(lái)的數(shù)不變；當(dāng)SW1上合時(shí)，74LS00門電路打開，脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)器的減脈沖輸入端，計(jì)數(shù)器繼續(xù)累計(jì)計(jì)數(shù)。

圖2-6暫停/繼續(xù)工作電路1.2.6開關(guān)設(shè)置為了方便控制操作，靈活更改預(yù)置數(shù)范圍，本設(shè)計(jì)使用了幾個(gè)開關(guān)，其實(shí)際效用見表2所示。表2開關(guān)設(shè)置一覽表開關(guān)名稱實(shí)際效用置數(shù)/啟動(dòng)切換開關(guān)，清零/工作切換開關(guān)，暫停/繼續(xù)切換開關(guān)，十位置數(shù)切換開關(guān)和光電報(bào)警停止開關(guān)。表2開關(guān)設(shè)置一覽表開關(guān)名稱實(shí)際效用復(fù)位開關(guān)置數(shù)/啟動(dòng)切換開關(guān)SW1暫停/繼續(xù)切換開關(guān)1.3整體電路圖根據(jù)以上各個(gè)模塊分析得出整體電路圖，如圖1-10所示。

?卜卜-.△■■-rSo35nR8633叩aaaa與臼mWR1/■■■x.U9A->ILJI<??卜卜-.△■■-rSo35nR8633叩aaaa與臼mWR1/■■■x.U9A->ILJI<?E」卜卜.BdSB攔白上4驗(yàn).:-曲B海B圖1-10實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如下：通過(guò)Proteus7.7的仿真，可以很好的看到從24到00的計(jì)數(shù)，通過(guò)SW1可控制計(jì)數(shù)的暫停與繼續(xù)，復(fù)位開關(guān)控制啟動(dòng)與復(fù)位，當(dāng)計(jì)數(shù)到00時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。2、軟件實(shí)驗(yàn)原理用VHDL語(yǔ)言編寫程序，能實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，暫停，清零等功能，其中要編好七段顯示管的程序，使其能在實(shí)驗(yàn)箱上正常顯示。libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitydjsisport(clk,cln,en,ldn:instd_logic;d:instd_logic_vector(3downto0);display:outstd_logic_vector(6downto0);sel:outstd_logic_vector(1downto0);co:outstd_logic);end;architectureoneofdjsissignalcqs:std_logic_vector(3downto0):="0010”;signalcqg:stdlogicvector(3downto0):="0100";signalq:integerrange0to999;--signalqs,qg:std_logic_vector(3downto0);signalclk1:std_logic;signaldis_temp:std_logic_vector(3downto0);signalcounter:integerrange0to1;signalDisp_Decode:std_logic_vector(6downto0);beginprocess(clk1,cln,en,ldn)beginifcln='1'thencqs<="0000";elsifclk1'eventandclk1='1'thenifldn='0'thencqs<=d;elseif(en='1'andcqg<="0000")thencqs<=cqs-1;ifcqs="0000"thencqs<="0010";elsifcqs<"0011"thencqs<=cqs-1;elsecqs<="0000”;endif;endif;endif;endif;--qs<=cqs;endprocess;process(clk1,cln,en,ldn)beginifcln='1'thencqg<="0000";elsifclk1'eventandclk1='1'thenifldn='0'thencqg<=d;elseif(en='1'andcqs<="0010")thencqg<=cqg-1;ifcqg="0000"andcqs="0000"thencqg<="0100";elsifcqg<"0101”thencqg<=cqg-1;ifcqg="0000"and(cqs="0001"orcqs="0010")thencqg<="1001";elsifcqg<"1010”thencqg<=cqg-1;elsecqg<="0000";endif;endif;endif;endif;endif;--qg<=cqg;endprocess;process(ldn,cln,en)begin

if(en='1'andcqs="0000"andcqg="0000")thenco<='1';elseco<='0';endif;endprocess;process(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenifq=999thenq<=0;elseq<=q+1;endif;ifq<500thenclk1<='0';elseclk1<='1';endif;endif;endprocess;process(clk)beginifclk'eventandclk='1'thenifcounter=1thencounter<=0;elsecounter<=counter+1;endif;endif;endprocess;process(counter)begincasecounteriswhen0=>dis_temp<=cqg;sel<="00”;when1=>dis_temp<=cqs;sel<="01";endcase;endprocess;process(Clk)beginif(CLK'eventandCLK='1')then--掃描累力口Display<=Disp_Decode;endif;endprocess;P10:process(Dis_Temp)--顯示轉(zhuǎn)換begincaseDis_Tempiswhen"0000"=>Disp_Decode<="0111111";--'0'when"0001"=>Disp_Decode<="0000110";--'1'when"0010"=>Disp_Decode<="1011011";--'2'when"0011"=>Disp_Decode<="1001111";--'3'when"0100"=>Disp_Decode<="1100110";--'4'when"0101"=>Disp_Decode<="1101101";--'5'when"0110"=>Disp_Decode<="1111101";--'6'when"0111"=>Disp_Decode<="0000111";--'7'when"1000"=>Disp_Decode<="1111111";--'8'when"1001"=>Disp_Decode<="1101111";--'9'whenothers=>Disp_Decode<="0000000”;--全滅endcase;endprocess;end;實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如下圖所示：rTimeBar.13.35m -1jRanter:4O.E<9ri￡- InleivatN&iMns SlatneViLueL3.6Ep30.(1m4fl.OJis6D.0as0D.OmJ.CO.,0mL31paL1D.0dls16D.0dslEO.am2CO..Dm220.,013.S5址Jdllcda.AiAi_~L5_L「_T_r_r_r_r__L_Lm一『-T-T-r-r—m-L>2>：>AiEldftD~[0]A，MOZkZjCDCDZDZOZDZOm三UkMCDCGCEraZD工BZOZZen.ftIda□stlAR[:rr：:■];：「i;：m1xro：75r:<：■：c'/：■)：■：：!)>rr]>ri)xrmvr<頃<■:<花圖2-1四、調(diào)試方法與數(shù)據(jù)1、 把自己的源程序拷到實(shí)驗(yàn)室的電腦上，在電腦上進(jìn)行編譯，仿真，管腳分配，一切沒問(wèn)題后，選好芯片下載到實(shí)驗(yàn)箱上。2、 、管腳分配時(shí)，清零端，使能控制端，置數(shù)端全部接撥擋開關(guān)K1,K2,K3,co接led顯示器，輸出接兩個(gè)相連的數(shù)碼管用于顯示數(shù)字，k5,k6,k7,k8接撥擋開關(guān)用于個(gè)位置數(shù)。3、 點(diǎn)擊下載，下載成功后，把實(shí)驗(yàn)箱上的頻率調(diào)到1khz，使撥擋開關(guān)k1=0，k2=1，k3=1，數(shù)碼管上將會(huì)顯示24,并以一秒的頻率遞減，當(dāng)遞減為00時(shí)，led顯示器燈亮，并且一秒鐘后變成24繼續(xù)遞減，當(dāng)k2=0時(shí)，數(shù)碼管的數(shù)字將會(huì)保持不變，k2=1后數(shù)碼管的數(shù)字繼續(xù)遞減。當(dāng)k1=1時(shí)，數(shù)碼管上的數(shù)字全部變?yōu)?0，并且led顯示器燈亮，k1=0后，可以繼續(xù)遞減計(jì)數(shù)。把k3=0后，可以對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行個(gè)位計(jì)數(shù)，由k5,k6,k7,k8四個(gè)開關(guān)控制，要置數(shù)1時(shí)，分別把開關(guān)調(diào)成0001，置數(shù)7時(shí)，調(diào)成0111，以此可以進(jìn)行置數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)的題目是24秒倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，要求完成遞減功能，暫停，清零等功能。本打算用軟件實(shí)驗(yàn)來(lái)完成的，但是想想要鍛煉自己的焊接能力，所以就用沒用軟件實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先要畫好實(shí)驗(yàn)電路圖，最開始對(duì)該實(shí)驗(yàn)沒什么頭緒，在通過(guò)找資料和向同學(xué)的請(qǐng)教，才逐步把實(shí)驗(yàn)電路圖畫好，然后通過(guò)對(duì)其仿真并加以修改，最后得出正確的電路圖。在焊接電路的過(guò)程中，由于電路比較復(fù)雜，曾把電路焊接錯(cuò)了或者漏焊了，但在檢查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了它并改正過(guò)來(lái)了，經(jīng)過(guò)三個(gè)下午的焊接才把電路焊接好。在焊接好電路板后，就是測(cè)試器功能了，在向同學(xué)借了個(gè)電源之后，我就對(duì)我焊接的電板進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)接通電源后，按下復(fù)位開關(guān)，數(shù)碼管能很好的顯示，并從24計(jì)數(shù)到00，在計(jì)數(shù)過(guò)程中，按下暫停/繼續(xù)開關(guān)，就會(huì)暫停/繼續(xù)，當(dāng)數(shù)碼管顯示00的時(shí)候，發(fā)光二極管就會(huì)發(fā)光報(bào)警。但是在第二次測(cè)試時(shí)，計(jì)數(shù)的過(guò)程中出現(xiàn)暫停不計(jì)數(shù)的情況，此后，經(jīng)過(guò)用萬(wàn)用表的測(cè)量以后發(fā)現(xiàn)是555和74LS161為產(chǎn)生脈沖，通過(guò)進(jìn)一步的測(cè)量發(fā)現(xiàn)555能很好的產(chǎn)生脈沖，但是脈沖經(jīng)過(guò)