篮球计时器
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2023年3月17日发(作者：于丹的书)课程设计说明书NO.1
目录
1.课程设计的目的………………………………………………………2
1.1设计背景…………………………………………………………2
1.2设计要求……………………………………………………………2
2.设计方案论证…………………………………………………………3
2.1译码显示电路……………………………………………………3
2.2脉冲产生电路（555定时器）……………………………………6
2.3计数电路（74LS192D）…………………………………………10
2.4控制电路（清零、置数、暂停、报警）………………………12
3.设计结果与分析……………………………………………………13
4.设计体会……………………………………………………………15
5.参考文献……………………………………………………………15
附录I：元器件清单………………………………………………………16
附录II：Multisim10软件介绍…………………………………………16
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课程设计说明书NO.2
篮球比赛24秒多功能计时器
1课程设计的目的
1.1设计背景:
此设计是脉冲数字电路的简单应用，设计了篮球竞赛24秒倒计时器。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。按篮球比赛规则，进攻方有24s为倒计时。
要求进攻方得到发球权后，必须在24s内完成一次进攻，否则将球权判给对方，本人
设计了一个篮球比赛计时器，可对比赛中进攻方的每次控球时间计时。该计时器采用按
键操作、ＬＥＤ显示，非常实用。此计时器也可作为其他球类比赛的计时器。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。
1.2设计要求
1.2.130秒计时器具有显示24秒的计时功能。
1.2.2系统设置外部操作开关，控制计时器的直接置数、清零、启动、和暂停功能。
1.2.3计时器为24秒递减计时时，其计时间隔为1秒。
1.2.4当计时器递减计时到零时，数码显示器不能灭灯，LED变亮报警。
2设计方案论证
本实验的核心部分是要设计一个24s计数器，并且对计数结果进行实时显示，同时
要实现设计任务中提到的各种控制要求，因此该系统包括秒脉冲发生器、计数器、译码
显示电路、辅助时序控制电路(简称控制电路)和报警电路等5个部分构成。其中，计数
器和控制电路是系统的主要部分。计数器完成30s计时功能，而控制电路具有直接控制
计数器的启动计数、暂停、连续计数、译码显示电路的显示和灭灯功能。为了满足系统
的设计要求，在设计控制电路时，应正确处理各个信号之间的时序关系。在操作直接清
零开关时，要求计数器清零，数码显示器显示零。当启动开关闭合时，控制电路应封锁
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课程设计说明书NO.3
时钟信号CP，同时计数器完成置数功能，译码显示电路显示30s字样；当启动开关断开
时，计数器开始计数；当暂停、连续开关拨在暂停位置上时，计数器停止计数，处于保
持状态；当暂停、连续开关拨在连续时，计数器继续递减计数。系统设计框图如图下图
所示。
2.1译码显示电路
用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。这种数码管的每个线段都是一个发
光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。因为计算机输出的是BCD码，要想
在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成7段字型数码管所要求的代码。
我们把能够将计算机输出的BCD码换成7段字型代码，并使数码管显示出十进制数的
电路称为“七段字型译码器”因此在本次的设计中我们采用了常用的74LS48。
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脉冲发射器计时器译码器LED显示
清零置数
暂停/继续
课程设计说明书NO.4
下面是利用74LS47驱动单位共阳极七段数码管的电路图：
在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人
们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字
显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显
示器等部分组成，如下图所示。
下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。
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驱动器显示器译码器计数器
课程设计说明书NO.5
数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，
广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。
数码的显示方式一般有三种：第一种是字形重叠式，它是将不同字符的电极重叠起
来，要显示某字符，只须使相应的电极发亮即可，如辉光放电管、边光显示管等。第
二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔划组成，如荧光数码管等。
第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组
合便可显示不同的数码，如场致发光记分牌。
数字显示方式目前以分段式应用最普遍，下图表示七段式数字显示器利用不同发光段组
合方式，显示0～15等阿拉伯数字。在实际应用中，10～15并不采用，而是用2位数字
显示器进行显示。
分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。因此，为了使数码管
能将数码所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的
段。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使a、b、
c、d、g各段点亮。即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出端有信号输出，
这是分段式数码管电路的主要特点。
74LS48为4线－七段译码器/驱动器（BCD输入，有上拉电阻），其输出端（Ya－Yg）
为高电平有效，可驱动灯缓冲器或共阴极VLED。当要求输出0－15时，消隐输入（BI）
应为高电平或开路，对于输出为0时还要求脉冲消隐输入（RBI）为高电平或者开路。当
BI为低电平时，不管其它输入端状态如何，Ya－Yg均为低电平。当RBI和地址端（A0
－A3）均为低电平，并且灯测试输入端（LT）为高电平时，Ya－Yg为低电平，脉冲消
隐输出（RBO）也变为低电平。当BI为高电平或开路时，LT为低电平可使Ya－Yg均为
高电平。48与248的引出端排列、功能和电特性均相同，差别仅在显示6和9,248所
显示的6和9比48多出上杠和下杠。
引出端符号：
A-D译码地址输入端
BI/RBO消隐输入（低电平有效）/脉冲消隐输出（低电平有效）
LT灯测试输入端（低电平有效）
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课程设计说明书NO.6
RBI脉冲消隐输入端（低电平有效）
a-g段输出
74LS48引脚图
2．2脉冲产生电路（555定时器）
555定时器主要是通过外接电阻R和电容器C构成充、放电电路,并由两个比较器来
检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。这就很方便地构成
从微秒到数十分钟的延时电路、以及多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器等脉冲
波形产生和整形电路。
NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能（集成块图在下面）
1地GND2触发
3输出4复位
5控制电压6门限(阈值)
7放电8电源电压Vcc
它是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定于数字钟的质量。555定时器引脚
图如图2-2-1，多谐振荡器电路如图2-2-2,555定时器原理图2-2-3所示。
图2-2-1
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课程设计说明书NO.7
C
B
A
TRIG
2
Q
3
R
4
CVolt
5
THR
6
DIS
7
V
C
C
8
G
N
D
1
U1
555
GND
C1
0.01uF
C2
10uF
R1
47K
R3
47K
+5V
R2
2K
图2-2-2
图2-2-3
2.2.1用555定时器构成多谐振荡器：
用555定时器构成多谐振荡器电路如图(a)所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态,
也不需要外加触发信号,利用电源VCC通过R1和R2向电容器C充电,使uC逐渐升高,升
到2VCC/3时,uO跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容器C通过电阻R2和D端放电,
使uC下降,降到VCC/3时,uO跳变到高电平,D端截止,电源VCC又通过R1和R2向电容
器C充电。如此循环,振荡不停,电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电,输出连
续的矩形脉冲,其波形如图(b)所示。
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课程设计说明书NO.8
输出信号uO的脉宽tW1、tW2、周期T的计算公式如下:
tW1＝0.7(R1＋R2)C
tW2＝0.7R2C
T＝tW1＋tW2＝0.7(R1＋2R2)
2.2.2用555定时器构成施密特触发器：
用555定时器构成的施密特触发器如图(a)所示。将2管脚和6管脚连在一起作为
信号输入端即可。在输入端外接三角波ui,当ui上升到2VCC/3时,输出uO从高电平翻
转为低电平；当ui下降到VCC/3时,输出uO从低电平翻转为高电平。施密特触发器将
输入的三角波整形为矩形波输出。电路的工作波形如图(b)所示。
回差电压电压△u＝3
2
VCC－3
1
VCC＝3
1
VCC
如图所示：
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84
7
65553
2
15
R1
R2
u
c
C
+VDD
u
o
0.01µF
t
u
o
0
tw2tw1
t
u
c
0
CC
V
3
2
CC
V
3
1
T
（a）
（b）
t
uo
0
t
ui
0
cc
V
3
2
DD
V
3
2
cc
V
3
1
（b）
84
6
2
1
+VCC
u
iu
o
（a）
555
课程设计说明书NO.9
2.2.3用555定时器构成单稳态触发器：
用555定时器构成单稳态触发器电路如图(a)所示。R、C是定时元件。输入脉冲信
号ui加于2管脚。输入触发信号ui的有效电平是低电平,当ui处于高电平时,放电端D
导通,uC和uO均为低电平,电路为稳态。当输入触发信号ui的下降沿到来时刻,2管脚
电位瞬间低于VCC/3,使输出uO变为高电平,放电端D截止,电源VCC通过电阻R向电容
器C充电,使uC按指数规律上升,电路为暂稳态。当uC上升到2VCC/3时,使输出uO变
为低电平,D端导通,电容器C经D端迅速放电,暂态结束,自动恢复到稳态,为下一个触发
脉冲的到来作好准备。波形图如(b)所示。
输出脉宽tW是暂稳态的持续时间为tW＝1.1RC
此电路要求输入信号的负脉冲宽度一定要小于tW
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84
7
65553
2
15
R
+Vcc
u
c
C
u
o
0.01µF
u
i
（a）
t
u
i
0
t
u
c
0
cc
V
3
2
t
u
o
0
t
W
cc
V
3
1
（b）
课程设计说明书NO.10
2.3计数电路（74LS192）
计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计
数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。
2.3.124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：
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课程设计说明书NO.11
2.3.274LS192
74LS192为可预置的十进制同步加/减计数器（双时钟），其清除端是异步的。当清
除端（MR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能；预置
是异步的，当置入控制端（PL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0～
Q3）即可预置成与数据输入端（P0～P3）相一致的状态；计数是同步的，靠CPD、CPU
同时加在4个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除
了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU，此
时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，
其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一
个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。当把TCD和TCU分别连接后
一级的CPD、CPU，即可进行级联
74LS192引脚图
引出端符号
TCD错位输出端（低电平有效）
TCU进位输出端（低电平有效）
CPD减计数时钟输入端（上升沿有效）
CPU加计数时钟输入端（上升沿有效）
MR异步清除端
P0～P3并行数据输入端
PL异步并行置入控制端（低电平有效）
Q0～Q3输出端
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课程设计说明书NO.12
2.4控制电路（清零、置数、暂停、报警）
当计数器74LS192的清零端CLR=1有效时，即可实现对电路进行清零；而当清零端
无效，置数端LOAD=0有效时，即可实现对电路的置数；通过接一与非门对555脉冲发
生器输出端的脉冲信号进行控制，即可实现对整个电路进行暂停计时，为减小开关按键
产生的机械抖动对计时电路的影响，应接一RS锁存器；当计时器74LS192的借位输出
端有效时，即可实现报警。
图2-4-1控制电路图
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课程设计说明书NO.13
从系统的设计要求可知,控制电路要完成以下三项功能：
2.4.1设定置数、清零
当电路接通电源时，在J1断开的情况下，“清零／工作”开关执“工作”时系统正
常运作，数码管的初始状态为显示24，计数器开始进行递减计数；“清零／工作”开关
执“清零”时，计数器进行置数，完成复位功能。
2.4.2设定启动、暂停
当“暂停/连续”开关处于“暂停”位置时，控制电路控制计数器暂停计数，显示
器上保持原来的数不变，“暂停/连续”开关处于“连续”位置时，计数器继续累计计数。
2.4.3设定24s报警
当J1闭合的情况下计数器递减计数到零(即定时时间到)时,控制电路应发出
报警信号,即发光二极管LED发出光红电报警信号，使计数器保持零状态不变,同时
报警电路工作。
为了方便控制操作，灵活更改预置数范围，本设计使用了3个开关，其实际效用如
下图所示。
开关名称实际效用
J1“开始与倒计时24s”开关
J2“清零／工作”切换开关
J3“暂停／连续“切换开关
图2-4-2开关设置一览表
3．设计结果与分析
总电路图如下：
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课程设计说明书NO.14
总电路图
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课程设计说明书NO.15
4．设计体会
通过这一周天的课程设计，我受益匪浅，收获颇多。首先，通过这次课程设计使自
己对课本上的知识可以应用于实际，使理论与实际相结合，加深自己对课本知识的更好
理解，同时也锻炼了我个人的动手能力：能够充分利用图书馆去查阅资料，增加了许多
课本以外的知识。更加了解了时序逻辑电路的设计步骤及方法。对时序逻辑电路的触
发方式的理解更加深刻即同步连接方式和异步连接方式的了解。把课本上的知识运用到
实践当中去，增加了对74LS47N，74LS192D,74LS00D和74LS10D的芯片引脚结构和功能
的理解及运用，尤其是74LS192的清零端和进位端的功能的理解和运用，还有对555定
时器引脚结构和功能的理解及运用。设计电路板的过程中，要考虑到整体的美观性，连
接电路时对各线路的连接要细致，引脚要足够长，使其能够接触到计数器。验证电路板
时，出现了很多问题，其主要问题为线的引脚与电路板下面的线没有接上而导致显示错
误。经过我无数次的实验，反复的检验，在我的导师陈瑶老师细心的帮助下，我的这个
设计终于变的完美无瑕。在这个过程中，充分锻炼了我的细心和耐性。使得我对于数电
部分的学习有了充分的认识，并且我坚信这将是我学习数电的一个小小的开始，本次课
程设计定会为我考上研究生打下深厚的基础。
5．参考文献
[1]阎石.数字电子技术[M].第五版.北京:高教出版社,2010年.
[2]黄志伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社,2008年.
[3]胡玉建.Protel99SE原理图与PCB及仿真[M].北京:机械工业出版社,2010年.
[4]李景华.可编程逻辑器件及EDA技术[M].沈阳：东北大学出版社,2009年.
[5]陈晓文.电子线路课程设计[M].北京:电子工业出版社,2008年.
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课程设计说明书NO.16
附录I：元器件清单
元件名型号数量
集
成
电
路
74LS192D
2片
74LS47N
2片
74LS00D
1片
74LS10D
1片
74LS04D
2片
74LS08D
1片
NE555
1片
电
阻
10kΩ
3只
47kΩ
2只
0.2kΩ
1只
5kΩ
1只
电
容
10uF
1只
1nF
1只
发光二极管红色1只
单位数码管共阳极七段LED显示器2只
轻触开关普通3只
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课程设计说明书NO.17
附录II：Multisim10软件介绍
Multisim的前身为EWB（ElectronicsWorkbench）软件。它以界面形象直观、操作
方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在20世纪90年代初就在我国得到迅速
推广，并作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。21世纪初，EWB5.0更新换
代推出EWB6.0，并更名为Multisim2001；2003年升级为Multisim7.0；2005年发布
Multisim8.0时其功能已十分强大，能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、
RF电路、电力电子及自动控制原理等个方面的虚拟仿真，并提供多达18种基本分析方
法。
Multisim10.0和Ultiboard10.0是美国国家仪器公司下属的ElectroNIcsWorkbench
Group推出的交互式SPICE仿真和电路分析软件，专用于原理图捕获、交互式仿真、电
路板设计和集成测试。通过将NIMultisim10.0电路仿真软件和LabVIEW测试软件相集
成，那些需要设计制作自定义印制电路板（PCB）的工程师能够非常方便地比较仿真数
据和真实数据，规避设计上的反复，减少原型错误并缩短产品上市时间。
使用Multisim10.0可交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim
提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样使用者无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地
进行捕获、仿真和分析新的设计，使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技
术，使用者可以完成从理论到原理图捕获与仿真，再到原型设计和测试这样一个完整的
综合设计流程。
打开Multisim10.0后，其基本见面如图3-1所示。Multisim10.0的基本见面主要包
括菜单栏、标注工具栏、视图工具栏、主工具栏、仿真开关、元件工具栏、仪器工具栏、
设计工具栏、电子工作区、电子表格视窗和状态栏等。下面对各部分加以介绍。
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状态
标准工具
元件工具
菜单主工具仿真工具仿真开
电子表格视
仪器工具栏
电路工作
视图工具
设计工具
图3-1Multisim10.0的基本界
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