基于Proteus的籃球賽24秒倒計時器設計與仿真

鐘鵬程

摘 要：針對NBA比賽規(guī)則，提出了一種基于Proteus的籃球賽24秒倒計時器總體方案，詳細設計了各個模塊電路，分析了電路的工作原理。通過設計秒脈沖信號發(fā)生器電路、遞減計數(shù)器電路、譯碼顯示電路，完成了對籃球賽24秒倒計時器的電路設計。基于Proteus完成籃球賽24秒倒計時器仿真，實現(xiàn)了24秒倒計時、隨時置數(shù)、自動報警等功能。通過增加獨立按鍵電路和編碼器電路對籃球賽24秒倒計時器進行改進，實現(xiàn)了能夠任意置數(shù)的功能。

關鍵詞：Proteus;倒計時器;電路設計;仿真

1 概述

隨著籃球運動的普及和NBA比賽在世界的風靡，籃球比賽的24秒倒計時器已被廣泛采用。在籃球比賽中，當某隊獲得新的球權時，24秒倒計時器將啟動，擁有球權的隊伍必須在獲得球后的24秒內(nèi)投籃，否則就是24秒違例。

目前，國內(nèi)常見的24秒倒計時器設計方式主要有2種：一種是采用常規(guī)的TTL或COMS邏輯器件進行硬件連接，大多采用帶有面包板和各種信號源的硬件平臺;另一種是采用EDA技術，借助計算機輔助設計軟件進行電路的設計與調(diào)試。[1]兩種方法相比較，在硬件平臺上進行電子設計，所用的集成電路芯片元件要常在管座上拔插，甚至會引起元器件和儀器設備的損壞等問題，而采用EDA技術十分省時和方便。隨著電子和計算機技術的進步，推動了EDA技術的普及與發(fā)展，計算機輔助設計與仿真得到愈來愈廣泛的應用。Proteus是英國著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計，是將電路設計與仿真、PCB設計和虛擬模型仿真三合一的設計軟件平臺。[2]

本文基于Proteus設計了籃球賽24秒倒計時器，并可應用到實際的比賽中，對進攻時間進行24秒的限制，還具有自動報警功能。

2 倒計時器的電路設計

2.1 總體方案設計

籃球賽24秒倒計時器的總體方案結構如圖1所示，包括秒脈沖信號發(fā)生器、遞減計數(shù)器、置數(shù)控制開關、報警電路、譯碼電路和數(shù)碼管等，并能實現(xiàn)如下功能：

（1）24秒倒計時顯示功能，采用數(shù)碼管顯示;

（2）設置外部控制開關，控制計數(shù)器的重置24秒功能;

（3）計數(shù)器遞減至0時，數(shù)碼管顯示“00”，同時發(fā)出報警信號。

2.2 秒脈沖信號發(fā)生器電路設計

用555定時器及少量電阻電容構成多諧振蕩器，[3]用來當作秒脈沖信號發(fā)生器電路，如圖2所示。

在圖2中，令R1=571.4Ω，R2=714KΩ，C1=1uF，C2=0.01uF，則T=tw1+tw2=0.7（R1+R2）C1+0.7R2C1=1s。這樣，在引腳3輸出一個周期為1s的方波，作為74LS192芯片的時鐘脈沖信號。

2.3 遞減計數(shù)器電路設計

遞減計數(shù)器電路主要由兩片74LS192芯片級聯(lián)加上一個或非門構成，即24秒倒計時計數(shù)器電路，并包含報警電路，將低位片的借位端輸出信號作為高位片的觸發(fā)脈沖信號，實現(xiàn)兩位數(shù)計數(shù)，如圖3所示。

74LS192是雙時鐘可逆同步十進制計數(shù)器。[4]當74LS192用作減計數(shù)器時，必須確保CPU=1（圖中為UP=1），CPD（圖中為DN）輸入時鐘脈沖信號。因此，74LS192（低位）的CPD與555定時器構成的多諧振蕩器的輸出端相連，以確保減計數(shù)器每秒鐘減1。ld為兩個74LS192的公共置位端，當ld=0時，兩個74LS192的LD=0（圖中為PL=0），所以Q23Q22Q21Q20=0010，Q13Q12Q11Q10=0100。再令ld=1，計數(shù)器開始作減計數(shù)。當Q13Q12Q11Q10=0000且Q23Q22Q21Q20≠0000時，74LS192（低位）的TCD端發(fā)出借位下跳變脈沖，使74LS192（高位）輸出的數(shù)減1。設led端為報警端，當Q13Q12Q11Q10≠0000或Q23Q22Q21Q20≠0000時，led=1+TCD=0，其中TCD在發(fā)出借位下跳變脈沖時為低電平，其余情況為高電平，且或非門的輸入端至少有一個為高電平。當計數(shù)器的輸出端全為0時，兩個74LS192的TCD端同時發(fā)出借位下跳變脈沖，導致led為反相的脈沖信號，作用于兩個74LS192的清零端CR（圖中為MR），使計數(shù)器輸出始終為0。led端與發(fā)光二極管相連，仿真時用邏輯探針LOGICPROBE[BIG]代替發(fā)光二極管，計數(shù)器的輸出端全為0時，發(fā)光二極管時亮時滅，即報警系統(tǒng)發(fā)出報警。在任何情況下令ld=0，都會使數(shù)碼管顯示的數(shù)字重置為24，即Q23Q22Q21Q20=0010，Q13Q12Q11Q10=0100。

2.4 譯碼顯示電路設計

譯碼顯示電路由兩片74LS48芯片和兩個數(shù)碼管構成，如圖4所示，其中兩個74LS48的A、B、C、D四個引腳分別與兩個74LS192的四個輸出端相連，每個74LS48與一個數(shù)碼管相連。

3 電路仿真與分析

24秒倒計時器的仿真電路如圖5所示。在Proteus中連接好電路以后，點擊開始按鈕運行仿真。

首先，令兩個74LS192的LD端輸入低電平，數(shù)碼管顯示數(shù)字24，相當于報警燈的輸出端為低電平，如圖6（a）所示。緊接著，讓兩個74LS192的LD端輸入高電平，此時數(shù)碼管顯示的數(shù)字開始倒計時，即每隔1秒鐘，數(shù)碼管顯示的數(shù)字減1，相當于報警燈的輸出端為低電平，倒計時過程中的一幕如圖6（b）所示。當數(shù)碼管顯示的數(shù)字為00時，數(shù)碼管顯示的數(shù)字不變，相當于報警燈的輸出端開始不斷地高低電平轉換，所連的發(fā)光二極管忽亮忽滅，仿真過程中用來代替發(fā)光二極管的LOGICPROBE[BIG]不斷地進行高低電平轉換（之前一直是低電平），如圖6（c）所示。在任意情況下，令兩個74LS192的LD端輸入低電平，都會使數(shù)碼管顯示的數(shù)字重置為24。

4 倒計時器電路改進

為了實現(xiàn)倒計時器能夠任意置數(shù)，而不是只能置數(shù)為24，對原電路做了一些改進，在原先設計的電路基礎上，再增加獨立按鍵和編碼器2個電路模塊。

4.1 獨立按鍵電路設計

獨立按鍵電路如圖7所示，該電路由10個獨立按鍵和10個4.7KΩ的電阻組成，10個按鍵分別代表0-9十個數(shù)字。當其中一個按鍵按下時，例如將K0按下，它所對應的右邊的端口輸出低電平，即KeyIn0=0。當松開這個按鍵時，它所對應的右邊的端口輸出高電平，即KeyIn0=1。其余按鍵的原理與該按鍵相同。這種獨立按鍵電路需要兩個，分別代表數(shù)字的十位和個位。

4.2 編碼器電路設計

編碼器電路如圖8所示，主要由兩片74LS148芯片和少許門電路構成，兩片74LS148的10個輸入端分別與獨立按鍵電路的10個輸出端相連。74LS148（高位）的ST=0（圖中為EI=0），所以74LS148（高位）能夠正常工作。將高位片選通輸出端YS（圖中為EO）接到低位片選通輸入端ST（圖中為EI），高位片IN2-IN7（圖中為2-7引腳）全部接高電平。當KeyIn8或KeyIn9輸入線中有一個為低電平時，則高位片的YS=1（圖中為EO=1），使低位片的ST=1（圖中為EI=1），則低位片輸出被封鎖，低位片Y2-Y1-Y0-=111，此時該編碼器電路的四個輸出端Y3Y2Y1Y0取決于高位片Y2-Y1-Y0-的輸出。當KeyIn8=KeyIn9=1時，則高位片的YS=0，使低位片的ST=0，則低位片正常工作，高位片Y2-Y1-Y0-=111，此時該編碼器電路的四個輸出端Y3Y2Y1Y0取決于低位片Y2-Y1-Y0-的輸出。這種編碼器電路需要兩個，每個編碼器電路的輸入端與獨立按鍵電路的輸出端相連，輸出端與倒計時計數(shù)器的74LS192的輸入端相連。這種編碼器電路實現(xiàn)了十進制數(shù)字轉換成8421BCD碼。

5 結語

在本文提出的籃球賽24秒倒計時器總體方案基礎上，詳細設計了秒脈沖信號發(fā)生器電路、遞減計數(shù)器電路、譯碼顯示電路等各個模塊電路，分析了電路的工作原理。基于Proteus完成24秒倒計時器仿真，實現(xiàn)了24秒倒計時、隨時置數(shù)、自動報警等功能。通過增加獨立按鍵和編碼器2個電路模塊，對24秒倒計時器進行了改進，實現(xiàn)了倒計時器的任意置數(shù)功能。根據(jù)改進后的電路，完成了PCB設計和硬件制作，通過試用，達到了預期的設計效果。

參考文獻：

[1]李要球，祝曉鳳，周琳.基于Multisim7軟件的24秒倒計時器的設計與仿真[J].高師理科學刊，2010，30（2）：59-62.

[2]袁小平，牛小玲，王都霞.數(shù)字電子技術實驗教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3]曹國清.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設計[M].第二版.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005.

[4]陳婕羽，林青彪，王雪.基于Multisim的火箭發(fā)射30秒倒計時器設計[J].電子制作，2015，33（10）：7-8.