電子設(shè)計(jì)報(bào)告籃球記分牌設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)基礎(chǔ)課 程 設(shè) 計(jì)題目名稱： 足球換人顯示牌的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 夏鳴風(fēng) 學(xué)生班級(jí)： 2013級(jí)7班 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 評(píng)語(yǔ)： 成績(jī)： 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院 2015年7月3日摘要在足球比賽中，雙方球隊(duì)經(jīng)常有換人的情況，由于比賽場(chǎng)太大不便喊話，且不易聽清楚，因此，通過(guò)舉示號(hào)牌的方式顯示換下場(chǎng)隊(duì)員和換上場(chǎng)隊(duì)員，同時(shí)也可告知眾人。換人號(hào)牌顯示狀態(tài)有： 隊(duì)員號(hào)用綠色顯示表明換上場(chǎng)隊(duì)員、隊(duì)員號(hào)用紅色顯示表明換下場(chǎng)隊(duì)員。由于換人時(shí)換上場(chǎng)隊(duì)員已站在舉牌裁判旁邊，該隊(duì)的場(chǎng)上隊(duì)員便知道是幾號(hào)隊(duì)員換下場(chǎng)，便達(dá)到換人告示的目的。裁判宣布換人上、下場(chǎng)之后，可撥動(dòng)該換人顯示牌的總開關(guān)，顯示牌上便會(huì)顯示預(yù)先設(shè)

2、定好的上、下場(chǎng)球員號(hào)碼，并且同時(shí)開始25秒的計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)到達(dá)20秒時(shí)，顯示牌上的球員號(hào)碼會(huì)閃爍，同時(shí)會(huì)有聲響發(fā)出，以催促球員盡快上、下場(chǎng)；25秒時(shí)，計(jì)數(shù)停止，裁判可撥動(dòng)總開關(guān)對(duì)計(jì)時(shí)器清零復(fù)位，同時(shí)將手動(dòng)換組開關(guān)切換至第二組球隊(duì)，同第一組過(guò)程類似實(shí)現(xiàn)換人顯示。該顯示牌電路主要由數(shù)據(jù)選擇器、顯示譯碼器、撥碼開關(guān)、計(jì)數(shù)器、秒脈沖發(fā)生器、LED驅(qū)動(dòng)和交/直流轉(zhuǎn)換部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)選擇器和撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)上、下場(chǎng)球員號(hào)的預(yù)置；打開總開關(guān)后，譯碼器會(huì)輸出相應(yīng)的數(shù)碼驅(qū)動(dòng)LED的相應(yīng)字段，將上、下場(chǎng)隊(duì)員號(hào)碼顯示在屏幕上，同時(shí)定時(shí)器部分開始工作，到相應(yīng)時(shí)間會(huì)有閃爍和報(bào)警提示。另外，該顯示牌可以直流供電，但在條件有限的情

3、況下，可接上交流電源，轉(zhuǎn)化為直流對(duì)器件里的蓄電池進(jìn)行充電，然后放電供給該顯示牌?？傮w設(shè)計(jì)由各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)搭建而成，并在計(jì)算機(jī)Multisim中實(shí)現(xiàn)仿真，最后進(jìn)行元件焊接。下文將對(duì)各個(gè)模塊逐一介紹。關(guān)鍵字：足球換人顯示牌 計(jì)數(shù)器 數(shù)據(jù)選擇器 顯示譯碼 LED驅(qū)動(dòng)目錄1.設(shè)計(jì)模塊及其任務(wù)41.1總體功能及其任務(wù)41.2 選號(hào)和譯碼41.3 計(jì)時(shí)器51.3.1 同步計(jì)數(shù)51.3.2 秒脈沖發(fā)生器51.4 交/直流供電61.5 報(bào)警電路61.6 LED驅(qū)動(dòng)電路62.設(shè)計(jì)原理和功能分析72.1 74LS157選號(hào)72.2 74LS48譯碼82.3 74LS160計(jì)數(shù)102.4 555定時(shí)器構(gòu)成秒脈沖發(fā)生

4、器122.5 555定時(shí)器構(gòu)成報(bào)警電路132.6 交流變直流電路142.7 LED驅(qū)動(dòng)電路173 元器件清單/總電路仿真184課程設(shè)計(jì)感想和總結(jié)205參考文獻(xiàn)211.設(shè)計(jì)模塊及其任務(wù)1.1總體功能及其任務(wù)(1).換人顯示牌需要預(yù)設(shè)2組換人隊(duì)員號(hào)，在完成了第一組換人后，通過(guò)撥動(dòng)換人組選擇開關(guān)，即可進(jìn)行第二組換人； 比賽規(guī)定每組換人時(shí)間為25秒，后5秒內(nèi)會(huì)有閃爍提示和聲響報(bào)警；該換人顯示牌采取交流/直流供電方式；首先考慮直流供電；由于字體較大（可由多只高亮度LED組成字段筆畫），則耗電較大，采用電池供電，不宜長(zhǎng)時(shí)間開啟，即電池的使用時(shí)間不長(zhǎng)。在有條件的比賽場(chǎng)即可使用交流電供電。換下場(chǎng)隊(duì)員編號(hào)字符用

5、紅色LED顯示，換上場(chǎng)隊(duì)員編號(hào)字符用綠紅色LED顯示。總開關(guān)要對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位，換組開關(guān)實(shí)現(xiàn)換組功能。1.2 選號(hào)和譯碼用74LS157數(shù)據(jù)選擇器對(duì)需要更換的上、下場(chǎng)隊(duì)員號(hào)預(yù)置數(shù)，并通過(guò)使能端控制信號(hào)選定換人組號(hào)。預(yù)置數(shù)的選擇由撥碼開關(guān)接通高、低電平來(lái)決定。置數(shù)和選定通道之后，譯碼器將換人隊(duì)號(hào)編譯出來(lái)，驅(qū)動(dòng)LED電路并顯示在屏幕上。設(shè)計(jì)思路：使用1片74LS157、1片74LS48和2個(gè)4位撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)上場(chǎng)隊(duì)員個(gè)位隊(duì)號(hào)的選擇、譯碼功能，連接綠色LED電路驅(qū)動(dòng)顯示；同理，也可實(shí)現(xiàn)上場(chǎng)隊(duì)員十位隊(duì)號(hào)的選擇和譯碼功能；使用1片74LS157、1片74LS48和2個(gè)4位撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)下場(chǎng)隊(duì)員個(gè)位隊(duì)號(hào)的選擇、譯

6、碼功能，連接紅色LED電路驅(qū)動(dòng)顯示；同理，也可實(shí)現(xiàn)下場(chǎng)隊(duì)員十位隊(duì)號(hào)的選擇和譯碼功能；1.3 計(jì)時(shí)器打開總開關(guān)，在隊(duì)號(hào)顯示的同時(shí)計(jì)數(shù)器應(yīng)該開始工作，總計(jì)數(shù)時(shí)間為25秒。通過(guò)與非門邏輯推導(dǎo)，將計(jì)數(shù)器端口和報(bào)警電路、LED顯示電路連接，到達(dá)20秒時(shí)出現(xiàn)LED閃爍和聲響報(bào)警的提醒。1.3.1 同步計(jì)數(shù)用兩片74LS160連接起來(lái)，輸入同步時(shí)鐘信號(hào)，便可實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的計(jì)數(shù)功能。當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)計(jì)滿之后，通過(guò)進(jìn)位信號(hào)使十位的160芯片有效工作。要求總開關(guān)能夠控制計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)。1.3.2 秒脈沖發(fā)生器使用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器可輸出秒脈沖信號(hào)作為同步時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)周期為：T=0.7*(R1+2R2)*C

7、，調(diào)整電阻和電容參數(shù)，可產(chǎn)生以1秒為周期的脈沖，并將輸出端接到兩片160芯片的CP端。1.4 交/直流供電在條件足夠時(shí)，可直接裝上電池，供給直流5V電壓給顯示牌；當(dāng)電池耗盡時(shí)，需要外接交流220V電壓。經(jīng)過(guò)阻容降壓、橋式整流、濾波、穩(wěn)壓之后，可給蓄電池充電；蓄電池電量充足時(shí)，放電供給顯示牌使之工作。設(shè)計(jì)思路：交流220V電壓從端口輸入。用R和C并聯(lián)構(gòu)成阻容降壓段，用4個(gè)1N4007二極管構(gòu)成橋式整流電路，用電解電容和無(wú)極性電容并聯(lián)（均一端接地）實(shí)現(xiàn)濾波，然后接入三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓。這時(shí)，輸出端口可接入蓄電池充電，蓄電池電量足夠后便可放電。1.5 報(bào)警電路用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，輸

8、出端驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，蜂鳴器連續(xù)發(fā)出聲響。要求在計(jì)數(shù)20秒時(shí)，報(bào)警器開始工作，故需用160計(jì)數(shù)Q端信號(hào)和與非門連接來(lái)控制報(bào)警電路工作狀態(tài)?？蓪⑼鈦?lái)信號(hào)接入到555器件的4端（RST）來(lái)控制。1.6 LED驅(qū)動(dòng)電路隊(duì)號(hào)需要以大字段形式輸出顯示到屏幕。故用4部分“8”字形的LED字段來(lái)分別表示上、下場(chǎng)隊(duì)號(hào)的個(gè)、十位。由譯碼輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)亮，74LS48譯碼器輸出高電平有效。7段線型LED 由輸出a b c d e f g端來(lái)控制，每一個(gè)輸出端可控制一段線型LED筆畫段。LED上可形象顯示0-9十個(gè)數(shù)字。LED以共陰極方式連接，陽(yáng)極接高電平導(dǎo)通發(fā)光。7段LED顯示的結(jié)構(gòu)原理如下：換組開關(guān)

9、撥碼開關(guān)2.設(shè)計(jì)原理和功能分析LED驅(qū)動(dòng)顯示譯碼數(shù)據(jù)選擇總開關(guān)聲響報(bào)警定時(shí)計(jì)數(shù)秒脈沖發(fā)生器2.1 74LS157選號(hào)該芯片為一種A、B雙通道選入，單通道輸出的數(shù)據(jù)選擇器。選入通道的控制由使能信號(hào)完成。選通端真值表如下：輸入輸出選通G選通A/BA BHLLLLXLLHHX XL XH XX LX HLLHLH總開關(guān)閉合時(shí)，G為高電平，74LS157禁止工作；總開關(guān)打開時(shí)，G為低電平，輸入有效，74LS157工作。其中，當(dāng)A/B選通端輸入低電平時(shí)，A輸入通道選擇有效，1A、2A、3A、4A輸入，1Y、2Y、3Y、4Y為輸出；A/B端為高電平時(shí)，則B通道有效。選擇有效通道可通過(guò)手動(dòng)換組開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通

10、過(guò)撥碼開關(guān)的開合，可選擇輸入通道進(jìn)入的電平高低。157芯片輸入為高電平有效。1A、2A、3A、4A位數(shù)從低到高，選擇預(yù)置的隊(duì)號(hào)可轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼來(lái)完成（如在上場(chǎng)隊(duì)員的十位數(shù)字中，選擇數(shù)字為3，則通過(guò)撥碼開關(guān)設(shè)置使輸入為“0011”，其中1A=2A=1，3A=4A=0）。2.2 74LS48譯碼該芯片可實(shí)現(xiàn)7段顯示譯碼功能，講輸入8421BCD碼轉(zhuǎn)換為筆畫段（a-g的LED）的通斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示。7448輸出高電平有效，可直接驅(qū)動(dòng)共陰極LED電路。正常工作時(shí)，LT端、RBI端以及BI/RBO端均接入高電平，可實(shí)現(xiàn)輸出譯碼。74LS48真值表如下：2.3 74LS160計(jì)數(shù)74LS160芯片為集成同

11、步二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其功能表如下：本設(shè)計(jì)采用兩片160芯片實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)（25秒）的計(jì)數(shù)功能。個(gè)位、十位的160芯片預(yù)置數(shù)端均接地（A=B=C=D=0），計(jì)數(shù)器工作時(shí)，從十進(jìn)制“00”開始計(jì)數(shù)。個(gè)位、十位芯片的計(jì)數(shù)輸出端Q均接到DCD_HEX_DIG_RED 4端輸入顯示數(shù)碼管上，顯示出十進(jìn)制數(shù)從00到25。兩個(gè)LD同步置數(shù)端接入高電平禁掉。兩個(gè)CLK端為同步上升沿觸發(fā)，均接到秒脈沖發(fā)生器的輸出端?？傞_關(guān)線路通過(guò)U10A與非門接到兩個(gè)CLR異步復(fù)位端，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器的復(fù)位控制；當(dāng)開關(guān)打開后，CLR=1，禁止，計(jì)數(shù)器開始在CP信號(hào)脈沖下計(jì)數(shù)；閉合開關(guān)，CLR=0，有效，計(jì)數(shù)器立即清零復(fù)位，停止計(jì)數(shù)。個(gè)

12、位160芯片的RCO進(jìn)位計(jì)數(shù)端接入到十位160芯片的使能EN端。當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)到9時(shí)，等待下一個(gè)時(shí)鐘脈沖CP后清零為0，同時(shí)給出信號(hào)RCO=1，十位160芯片開始工作；當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)不到9時(shí)，RCO=0，使得十位160芯片的計(jì)數(shù)輸出Q端一直保持，這也滿足了“個(gè)位計(jì)數(shù)計(jì)滿，十位才進(jìn)一位來(lái)計(jì)數(shù)”的功能。當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)25秒時(shí)，計(jì)數(shù)應(yīng)停止，此功能通過(guò)與非門U9B來(lái)實(shí)現(xiàn)。U9B的輸出端接到個(gè)位160芯片的EN端。當(dāng)計(jì)數(shù)未滿25時(shí)，與非門輸出為1，使得計(jì)數(shù)器工作正常；當(dāng)計(jì)數(shù)到25時(shí)，與非門輸出為0，使得個(gè)位160芯片被禁止，從而十位160芯片亦被禁止，計(jì)時(shí)器停止工作，數(shù)碼管上的數(shù)字保持為“25”。當(dāng)計(jì)數(shù)為25秒時(shí)：

13、十位：Qd1 Qc1 Qb1 Qa1 = 0010，個(gè)位：Qd2 Qc2 Qb2 Qa2 = 0101。 _與非門輸出方程為：Y(U9B)= Qb1* Qc2* Qa2故此時(shí)輸出為0，其余時(shí)刻輸出均為1。U16A、U15B與非門連接到報(bào)警電路的RST端，實(shí)現(xiàn)其控制功能。U16A實(shí)現(xiàn)了三端與非功能，而U15B可等效為一簡(jiǎn)單非門，故該部分連接到RST端的輸出方程可寫為：Y=Y(U9B)*Qb1*CP當(dāng)計(jì)數(shù)未滿20秒時(shí)，Qb1為0，Y輸出為0，接入到RST端為低電平，報(bào)警器不工作；當(dāng)計(jì)數(shù)滿20秒時(shí)，Qb1為1，Y(U9B)輸出為1，故Y輸出應(yīng)為CP，接入到RST端為低電平和高電平交替，報(bào)警器工作，并

14、發(fā)出多次聲響；當(dāng)計(jì)數(shù)滿25秒時(shí)，Qb1為1，Y(U9B)輸出為0，故Y輸出應(yīng)為0，接入到RST端為低電平，報(bào)警器停止工作，計(jì)數(shù)停留在25秒。2.4 555定時(shí)器構(gòu)成秒脈沖發(fā)生器555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器在接通電源后，可自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖波。調(diào)整電阻值R和電容值C，可以得到周期為1秒的脈沖發(fā)生器。周期的計(jì)算式為：T=0.7*(R1+2R2)*C。將OUT端同步接入到74LS160計(jì)數(shù)器的兩個(gè)CP端。CON端口不使用時(shí)，通常用一個(gè)小電容接地，以防止該端口電壓的跳變。555的功能表和VC、VO的波形圖如下：故可求得充電時(shí)間：2.5 555定時(shí)器構(gòu)成報(bào)警電路555定時(shí)器組成的多諧振蕩器也可以搭建為報(bào)警

15、電路。該報(bào)警電路的工作狀態(tài)由RST直接復(fù)位端決定。復(fù)位端接入低電平，該電路停止工作；接入高電平則正常工作。當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)20秒時(shí)，通過(guò)與非門邏輯轉(zhuǎn)化，將CP信號(hào)接入到RST端，其高低電平交替進(jìn)入使得蜂鳴器發(fā)出多次聲響；到達(dá)25秒時(shí)則報(bào)警停止。調(diào)整R36和R38阻值以及C4容值，可以調(diào)整振蕩頻率從而改變蜂鳴器發(fā)聲的急促程度；輸出端連接的三級(jí)管推動(dòng)輸出OUT端的矩形波，讓蜂鳴器工作；C3電容則有濾掉高次諧波的功能。2.6 交流變直流電路接入交流220V以后，需要經(jīng)過(guò)阻容降壓、橋式整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列調(diào)整后，才可將輸出的直流5V接入蓄電池充電。阻容降壓的工作原理是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生

16、的容抗來(lái)限制最大工作電流。將電容和電阻并聯(lián)接入干路，電容器上不產(chǎn)生功耗，因?yàn)槿绻娙菔且粋€(gè)理想電容，則流過(guò)電容的電流為虛部電流，它所作的功為無(wú)功功率。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個(gè)阻性元件的特性。因此,電容降壓實(shí)際上是利用容抗限流。而電容器實(shí)際上起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色。經(jīng)過(guò)阻容后，交流電壓的有效值會(huì)有下降。橋式整流電路利用了二極管的單向?qū)щ娮饔谩Ｋ膫€(gè)特性相同的二極管連接成四臂電橋，D1和D4順向串聯(lián)，D2和D3順向串聯(lián)，交流電壓與兩條串聯(lián)支路的中點(diǎn)相連。對(duì)于正半周的交流電壓，二極管D1和D3承受正相電壓而導(dǎo)通；對(duì)于負(fù)半周的交流

17、電壓，二極管D2和D4承受正向電壓而導(dǎo)通。由此，交流電壓可以轉(zhuǎn)換為單極性電壓。濾波部分由一個(gè)電解電容和一個(gè)無(wú)記性電容并聯(lián)而成，其中一端均接地。其作用是通過(guò)電容的反復(fù)充放電輸出一個(gè)近似鋸齒波的電壓，降低交流電壓的脈動(dòng)程度，得到較為平滑的直流電壓。三端穩(wěn)壓器的作用是盡量使得輸出的直流電壓在蓄電池充電時(shí)盡量保持穩(wěn)定，其輸出的穩(wěn)壓有關(guān)系式：Vo=(1+R2/R1)*Vref。Vref為能隙基準(zhǔn)電壓，取固定值。調(diào)整R1和R2還可改變輸出直流電壓Vo。用示波器檢測(cè)，得到穩(wěn)壓后的直流電壓波形圖：2.7 LED驅(qū)動(dòng)電路LED為共陰極接法。需要注意的是，為了實(shí)現(xiàn)閃爍的功能，將U15B與非門的輸出端接入到各LED

18、二極管的陰極，與報(bào)警電路RST輸入端并聯(lián)。74LS48譯碼器的輸出端高電平有效，接到LED陽(yáng)極，使得對(duì)應(yīng)筆畫段的LED發(fā)光，形象地顯示0-9十個(gè)數(shù)字。7段線型LED 由譯碼輸出a b c d e f g端來(lái)控制，每一個(gè)輸出端可控制一段線型LED筆畫段。4部分“8”字形的LED字段來(lái)分別表示上、下場(chǎng)隊(duì)號(hào)的個(gè)、十位。紅色LED表示下場(chǎng)隊(duì)員的隊(duì)號(hào)；綠色LED表示上場(chǎng)隊(duì)員隊(duì)號(hào)。3 元器件清單/總電路仿真序號(hào)元器件名稱基本參數(shù)數(shù)量替代元器件參數(shù)備注電子開關(guān)2電阻4.7k15,1k151021k4400k110k1150k12511k電阻排474ls48474ls160274ls16174ls1574通道

19、選擇開關(guān)4輸入8共陰極LED數(shù)碼管（紅）74共陰極LED數(shù)碼管（綠）7474ls10174ls001三極管2SA10153VQ836電容0.01uf10.1uf11uf1100uf24.7nf1三極管2電解電容470uf1555定時(shí)器2二極管1n40074三段穩(wěn)壓器Lm780514課程設(shè)計(jì)感想和總結(jié)這次電子設(shè)計(jì)的實(shí)踐操作過(guò)程很多，而且是以現(xiàn)實(shí)問(wèn)題為基礎(chǔ)，著重對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用和熟練操作。最開始，自己拿到題目要去理解、揣摩該如何入手解決實(shí)際問(wèn)題，應(yīng)該怎么把一個(gè)大的設(shè)計(jì)問(wèn)題用模塊化的方式分析清楚，從大化小，逐一分析模塊的功能，使問(wèn)題大大簡(jiǎn)化，然后再考慮模塊連接的問(wèn)題。接著，應(yīng)該使用Multisim仿真來(lái)模擬整個(gè)設(shè)計(jì)思路。一開始，本小組遇到了不少麻煩，比如編碼-譯碼電路中的單刀單擲開關(guān)太多導(dǎo)致電路繁瑣、編碼器中找到的10線-4線類型無(wú)法從0000編碼到1001，而是從0110到1111的問(wèn)題，最后小組決定采用雙通道輸入的74157數(shù)據(jù)選擇器來(lái)解決切換組別時(shí)電路繁瑣的難題。另外，在設(shè)計(jì)秒脈沖發(fā)生器和交流/直流轉(zhuǎn)換電路時(shí)，還要改變電路中的元件參數(shù)值，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜?jì)算出脈沖周期1秒、得到直流電壓5V左右。仿真時(shí)，還應(yīng)該注意的問(wèn)題就是合理布線。掌握設(shè)計(jì)原理可以搭建出功能完整的模塊，但是由于總設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，布線