篮球赛秒违例倒计时报警器(年赛题)

1．题意

在赛场给定的器材中选取必要的器件，设计并制作一个篮球赛24秒违例倒计时及其报警的装置。

要求:

①具有倒计时功能。可完整实现从“24”秒开始依序倒计时并显示倒计时过程，显示的时间间隔为1s。

②具有消隐功能。当“24”秒倒计时至终点的瞬间，显示器字幕立刻自行消隐，消隐时间必须大于5s。

③具有复位功能。无论显示器是显示倒计时的时间或消隐状态下，只要按下复位键，显示器立刻显示“24”秒接着开始倒计时。

④具有准时报警功能。当发生“24”秒违例时，在倒计时“24”秒结束，数码管消隐的瞬间并且立刻发出报警声“嘀……”，且该声音时间不能太长也不可太短，只能是0．5s左右，在3 m外可听到清晰报警声。

图10－31 篮球赛24秒倒计时与其报警的装置结构框图

2．题意分析

根据赛题要求，要实现以上功能，该装置应包括: 电源电路、秒信号产生电路、可控计数单元电路、信号转换电路、数字译码驱动电路、数字显示及报警输出控制电路等部分。根据竞赛组委会提供的器件清单，产生秒信号的振荡电路可以由两个与非门及相关阻容器件组成; 不过其产生的波形不是很理想还须用运算放大器LM358对振荡波形进行整形。另据题意可以知道，电路在倒计时计到“00”时必须把“00”锁住以停止计数，使计数输出值为“00”，此时应利用可预置BCD码计数器CD40192的借位输出信号，通过CD4011的与非门与该借位脉冲信号锁住秒脉冲的输入，使其输出恒为低电平。从而达到一直输出“00”的目的; 再者由于提供的可用于延时电路设计的器件大部分为电阻和电容，况且题目对延时时间的要求不是很严格，所以可以用阻容来延时。也就可以利用这个借位低电平通过对电容充电来完成0．5s和5s的延时从而实现控制报警及消隐的目的。该装置可实现的详细的结构框图如图10－31历示。

3．电路工作原理

(1)电源部分电源部分采用图10－32的小功率可调式稳压集成电路。

该单元电路主要由降压、整流、滤波及稳压等部分组成。利用集成三端可调正稳压输出模块LM317，可以把其①脚和②脚之间的电压稳定在1．25V，所以输出电压U0=1．25(1+RP/R16)。调节电位器RP使输出电压VCC为9V，图中的LED1为工作状态指示用的发光二极管，如未发光，则说明该电源电路工作不正常。

图10－32 LM317直流稳压电源电路

(2)秒信号发生及整形电路

该单元电路由两部分组成，一部分是由两与非门组成的振荡电路; 另一部分是用LM358构成的波形整形电路。如图10－33所示，其中振荡电路的振荡周期: T=2．2×R26×C8(s)。根据赛题要求其周期应约为1s，经计算后可选择45kΩ的电阻和10μF的电容来实现。由于与非门振荡电路的脉冲的输出端接有电容，所以输出的波形不是很理想，若直接送到下一级用来计数达不到设计要求，因此还必须对波形进行处理后再送到下级作为计数时钟，此处可将运算放大器LM358设计成一个比较器电路以完成对这一秒脉冲信号的整形，可把域值参考电压设为1/2Vcc就可以得到比较理想的波形。再把这一处理过的脉冲波送到下一级作为计数输入的时钟信号，这样就可使计数器稳定工作，而不会产生误计、多计的现象。另外，在电路中的发光二极管Ⅱ用于振荡电路的工作状态指示，正常应处于一秒间隔的闪烁状态。否则就处常亮或长灭状态。

图10－33 CD4011的脉冲信号发生器

(3)倒计数锁零电路

该单元电路主要是利用BCD码计数器CD40192的DOWN输入端来完成递减计数，由题目要求倒计时的起始时间为24s，则必须采用两片CD40192进行级联以完成两位递减的计数功能，根据该集成芯片的工作原理，在其置数输入端负责高位计数的应置成“0010”，低位计数的应置成“0100”(详见图10－34总图所示)。当11脚(LD)为低电平时CD40192就会把由置数端ABCD组成的BCD码的十进制数输出到QA、QB、QC、QD以达到置数的目的。当复位按键按下之后11脚(LD)为低电平，芯片置数借位输出端为高电平; 脉冲可以通过两个与非门传送到④脚(DOWN)使得电路可以正常倒计数。

芯片在正常倒计数时，该脚通过一个上拉电阻拉高使其平时为高电平。由于该电路只须工作在减计数状态，根据真值表，其⑤脚(UP)应接高电平。④脚(DOWN)接时钟输入13脚(BRW)为借位输出端，只有当倒计到“00”时才会输出低电平。利用这个低电平一方面借助一个与非门可以把输入的时钟脉冲锁住，从而使输出一直为“00”。此时13脚(BRW)也一直输出为低电平。电路也就一直锁定在输出“00”的状态下。另一方面还需利用这个低电平来触发延时消隐及延时报警等功能。

(4)数显及延时消隐电路(如图10－34所示)

CD4511为四位锁存译码/驱动器，该集成芯片有一个消隐控制端，只要控制④脚(BI)消隐端为低电平，就可实现显示器的消隐功能。当计数器CD40192还没有计到“00”时CD40192的13脚(BRW)始终输出高电平，电容两端电压为零，电容开路，即CD4511的消隐端被上拉为高电平。当倒计数到“00”时CD40192的13脚(B0)输出高电平，经电阻对电容充电，由于电容两端电平不能发生跳变，因此消隐端的电压会随电容充电而慢慢上升。在上升到1/2VCC前电路处于消隐状态。

消隐时间计算公式:

由于电容的误差较大，因此不可用做精确延时，并且计算出来的延时时间与实际值会有一定的出入。为达到设计要求可以通过串并电阻来实现。延时报警电路对时间的延时控制和对消隐的延时时间的控制，都是用RC电路来实现延时。

延时报警电路如图10－34总图所示，正常倒计数时，由于借位输出端为高电平，三极管的基极为高电平，三极管导通，继电器中有电流流过，吸合，开关打向常开端，蜂鸣器不响。当倒计数到零时，借位输出端跳变为低电平，三极管VT转为截至状态，继电器线圈中没有电流流过，开关处于常开状态，蜂鸣器报警。此时VCC将对电容C7充电，三极管基极电压由低电平逐步上升，当上升到开启电压时三极管又处于导通状态，报警停止，报警时间只须调节阻容使其延时时间约为0．5s即可。

4．制作与调试

本作品采用赛场所提供的20×13cm2万用板制作。先根据电路原理图构思选择好元器件，接着绘制电气连线(走线)排版草图，审核无误后插件，焊接，调试，一个一个单元电路完成，再整体调试。调试过程中可能遇到的一些问题及处理方法:

(1)由两个与非门组成的振荡电路能正常工作(接LED灯会按周期为1s的频率闪烁)，但接入到CD40192的DOWN端后，计数器芯片并不能正常计数(有时一次会减几个数)。分析: 检查了CD40192的电路没有问题之后，可以确定是由于与非门振荡产生的波形不理想所造成的，因此在与非门的脉冲输出端增设了一个由运算放大器构成的电压比较器，以对输出的波形进行整形，使输出的波形成为比较理想的矩形波。将处理好的脉冲矩形波再传送到可逆计数器CD40192中的脉冲输入端(DOWN)就能完成正常的倒计数工作。

(2)最初计数器的锁零电路只用了一个与非门，但是计数器的输出电路不能正常锁定在“00”而是会继续进行倒计数。分析: 当倒计数到“00”时，高位的借位输出端输出低电平似乎可以把脉冲锁住，但由于我们用的是与非门当锁定时与非门输出的是高电平，而CD40192是在时钟上升沿的时候计数的。也就是在锁定的一瞬间与非门又输出了一个上升沿使电路又减了一，跳到了“99”，这样高位的借位输出端又为高电平，因此无法锁零。对此我们只需在与非门的输出端再加一个非门即可。这样的话可以确保消隐时间过后显示器的数字会停留在“OO”处，而不会再有其它的变化，直到再按一次复位按钮而重新开始。

5．单元电路

(1)LM317直流稳压电源的制作。

(2)CD4011秒脉冲信号的制作。

(3) CD40192的应用。

(4)CD4511数码管的驱动显示。