安必勝，茶國智

（大理學(xué)院工程學(xué)院，云南大理 671003）

跆拳道（Taekwondo）是一項(xiàng)運(yùn)用手腳技術(shù)進(jìn)行搏擊格斗的體育項(xiàng)目，分為競(jìng)技、品勢(shì)、特技、威力。目前跆拳道已推廣到160多個(gè)國家，并且已經(jīng)成為奧運(yùn)會(huì)的比賽項(xiàng)目〔1〕。一場(chǎng)跆拳道競(jìng)技比賽分三節(jié)，每節(jié)為2 min，節(jié)間休息30 s，均采用倒計(jì)時(shí)方式。比賽進(jìn)行過程中若參賽者有犯規(guī)行為或者有什么特殊情況可將時(shí)間暫停；參賽者棄權(quán)、被淘汰或者倒地，比賽立即結(jié)束，可將時(shí)間清零。需計(jì)時(shí)清零或者暫停由場(chǎng)上的裁判員給出手勢(shì)〔2〕。

目前在該賽事中采用的多為基于可編程器件或單片機(jī)的計(jì)時(shí)器，功能方面自然優(yōu)越，但是成本相對(duì)較高，而且均采用“分—秒”顯示方式，如顯示為“1分20秒”，這種顯示方式確實(shí)比較符合“時(shí)—分—秒”的計(jì)時(shí)制，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的競(jìng)技選手或觀眾而言需要在腦海中去完成“1分=60秒”再加上20 s的“復(fù)雜而漫長(zhǎng)”的運(yùn)算過程才能意識(shí)到單節(jié)還剩80 s，這顯然不太符合此種激烈緊張的、機(jī)會(huì)與時(shí)間轉(zhuǎn)瞬即逝的競(jìng)賽氛圍。

本文擬設(shè)計(jì)一種完全基于數(shù)字電路的全秒跆拳道競(jìng)技比賽計(jì)時(shí)器，比較前述的計(jì)時(shí)器來說，因電路比較簡(jiǎn)單，故速度快、性能穩(wěn)定、成本低并且完全能實(shí)現(xiàn)所有功能；此外，因采用“全秒”的計(jì)時(shí)顯示方式，自然能讓現(xiàn)場(chǎng)的競(jìng)技選手或觀眾“很快”地感受到時(shí)間在不斷飛逝。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1性能參數(shù)分析按照跆拳道競(jìng)技比賽的計(jì)時(shí)要求可知，電路需具有如下一些功能〔3-9〕：①核心功能：顯示單節(jié)時(shí)間（120 s）、顯示節(jié)間休息時(shí)間（30 s）；②其它功能：開啟、暫停、結(jié)束（告警）、清零。

1.2設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案框圖，見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)方案框圖

1.3整體電路整體電路，見圖2。

圖2 整體電路

1.4 主要電路模塊簡(jiǎn)介

1.4.1 計(jì)時(shí)脈沖模塊 由NE555定時(shí)芯片工作于多諧振蕩模式產(chǎn)生計(jì)時(shí)脈沖CP。

根據(jù)周期計(jì)算公式T=TpL+TpH=R2C2ln2+（R1+R2）C2ln2=（R1+2R2）C2ln2，選擇合適的R1，R2，C2產(chǎn)生1 s的計(jì)時(shí)脈沖。

1.4.2 計(jì)數(shù)—譯碼—顯示模塊 3個(gè)74LS192芯片采用異步連接構(gòu)成計(jì)數(shù)部分，各片工作于減計(jì)數(shù)模式；譯碼部分由3個(gè)74LS48芯片構(gòu)成，對(duì)74LS192的輸出進(jìn)行譯碼；顯示部分由3個(gè)7段數(shù)碼管構(gòu)成，對(duì)譯碼輸出完成三位“全秒”倒計(jì)時(shí)顯示：如單節(jié)從“120”→“000”，節(jié)間休息從“030”→“000”。

1.4.3 控制模塊 顯示控制：switch1撥到B、A時(shí)經(jīng)一個(gè)基本RS鎖存器完成計(jì)時(shí)顯示功能開、關(guān)。

開啟、暫?？刂疲簊witch2經(jīng)一個(gè)基本RS鎖存器并利用一個(gè)與門74LS08去CP已實(shí)現(xiàn)開啟、暫停功能，撥到A實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)計(jì)數(shù)功能，撥到B實(shí)現(xiàn)暫停計(jì)數(shù)功能。

結(jié)束（告警）控制：由“120”→“000”，然后“030”→“000”，每次計(jì)時(shí)到“000”時(shí)LED發(fā)光1 s以示本節(jié)或節(jié)間計(jì)時(shí)結(jié)束，并發(fā)出告警，這由兩個(gè)5輸入的或非門74LS260和一個(gè)2輸入的與非門74LS00驅(qū)動(dòng)LED實(shí)現(xiàn)。

清零控制：switch3處于A時(shí)經(jīng)一個(gè)基本RS鎖存器實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)清零。

置數(shù)控制：switch3處于B，JK觸發(fā)器74LS112、兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121、與非門74LS02、非門74LS04將實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)到“000”后將初始值“120”或“030”置入。

2 電路分析與仿真

下面對(duì)電路進(jìn)行分析，并運(yùn)用MAX+PLUSII軟件來對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行性能仿真〔10-11〕以驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確可靠性。

2.1主要控制模塊分析與仿真本電路要實(shí)現(xiàn)“120”→“000”和“030”→“000”的輪流計(jì)時(shí)，在設(shè)計(jì)中的最大難點(diǎn)有兩個(gè)：其一是采用何種置數(shù)控制模塊去實(shí)現(xiàn)初始值“120”和“030”的輪流置入；其二是采用何種反饋控制模塊去同時(shí)控制單節(jié)計(jì)時(shí)結(jié)束和節(jié)間計(jì)時(shí)結(jié)束。前者屬于置數(shù)控制而后者結(jié)束（告警）控制。

對(duì)于結(jié)束（告警）控制部分，經(jīng)過仔細(xì)分析3個(gè)74LS192（分別負(fù)責(zé)百、十、個(gè)位計(jì)時(shí)）的輸出，可取出百位片的Qa、十位片的QdQcQbQa、個(gè)位片的QdQcQbQa參加譯碼反饋控制，列出的真值表，見表1。

表1 結(jié)束（告警）控制電路的真值表

根據(jù)真值表可得邏輯表達(dá)式

其中，Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0分別表示百位片的Qa、十位片的QdQcQbQa、個(gè)位片的QdQcQbQa。

對(duì)（1）式再作變換可得

根據(jù)（2）式，本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)5輸入的或非門74LS260和一個(gè)2輸入的與非門74LS00構(gòu)成的反饋控制電路，最終去驅(qū)動(dòng)一個(gè)共陰極接法的LED發(fā)光告警以示計(jì)時(shí)結(jié)束。

對(duì)于置數(shù)控制部分，本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)JK觸發(fā)器74LS112、兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121、一個(gè)與非門74LS02、一個(gè)非門74LS04構(gòu)成。置數(shù)流程為：先讓switch3處于A進(jìn)行計(jì)時(shí)前的清零工作（所有74LS192清零），這將使JK觸發(fā)器74LS112的CP引腳接到一個(gè)低電平0；同時(shí)，JK觸發(fā)器74LS112的Rd引腳有效也完成清零（Q=0，其互補(bǔ)輸出端則為1）。之后，讓switch3處于B，進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，此時(shí)所有74LS192清零引腳CL以及JK觸發(fā)器74LS112的清零引腳Rd皆為無效電平，這樣74LS112的Rd引腳產(chǎn)生了上升沿，經(jīng)非門74LS04變換為下降沿加給一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121，此74LS121將產(chǎn)生一個(gè)脈沖，最終經(jīng)一個(gè)與非門74LS02作為第一個(gè)有效的置數(shù)脈沖去使所有74LS192的置數(shù)引腳LD有效，且將此時(shí)的初始值“120”置入，完成第一次置數(shù)，并開始單節(jié)計(jì)時(shí)（即“120”→“000”），當(dāng)單節(jié)計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，74LS112的CP引腳將接到一個(gè)下降沿，將使它翻轉(zhuǎn)（Q=1），這時(shí)另一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121會(huì)產(chǎn)生一個(gè)置數(shù)脈沖，同時(shí)初始值也變?yōu)椤?30”，完成第二次置數(shù)，并開始節(jié)間計(jì)時(shí)（即“030”→“000”），同理節(jié)間計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)又會(huì)產(chǎn)生第三次置數(shù)，有進(jìn)入單節(jié)計(jì)時(shí)，類推之。

對(duì)置數(shù)時(shí)序進(jìn)行仿真，所得結(jié)果，見圖3。

圖3 置數(shù)時(shí)序仿真圖

可見，每次JK觸發(fā)器74LS112翻轉(zhuǎn)都能使74192的LD引腳有效，從而完成置入初始值“120”或“030”功能，故置數(shù)控制部分的電路設(shè)計(jì)是正確可靠的。

2.2核心功能分析與仿真本電路核心功能為：實(shí)現(xiàn)單節(jié)和節(jié)間輪流計(jì)時(shí)，即“120”→“000”和“030”→“000”的輪流計(jì)時(shí)。對(duì)整體電路進(jìn)行時(shí)序仿真，switch撥向A經(jīng)計(jì)時(shí)清零后再撥向B開啟置數(shù)功能后即進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)。所得結(jié)果，見圖4。

圖4 整體電路時(shí)序仿真圖

由于篇幅所限，圖4所示僅為部分仿真結(jié)果，即電路由“030”→“000”（對(duì)節(jié)間休息計(jì)時(shí)）后自動(dòng)完成置數(shù)再開始“120”→“000”（對(duì)下一節(jié)計(jì)時(shí)）的部分。由圖可見，電路能夠正確地輪流計(jì)時(shí)，故整個(gè)電路設(shè)計(jì)是正確可靠的。

3 結(jié)束語

本文采用全秒計(jì)時(shí)顯示的方式，使用簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯器件設(shè)計(jì)出了一種可用于跆拳道競(jìng)技比賽的計(jì)時(shí)器，并對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)電路是正確可靠的，完全能夠?qū)崿F(xiàn)該項(xiàng)競(jìng)技比賽中所要求的一切計(jì)時(shí)顯示功能。

〔1〕宋雷，張博洋.跆拳道風(fēng)靡世界的原因及啟示〔J〕.科學(xué)大眾，2009（3）：116.

〔2〕中國跆拳道協(xié)會(huì).跆拳道競(jìng)賽規(guī)則〔Z〕.2005：1-20.

〔3〕康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）〔M〕.5版.北京：高等教育出版社，2005.

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