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基于Proteus的籃球賽24秒倒計(jì)時器設(shè)計(jì)與仿真

2019-10-14 12:02鐘鵬程
科技風(fēng) 2019年11期
關(guān)鍵詞:電路設(shè)計(jì)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(jì)時器總體方案,詳細(xì)設(shè)計(jì)了各個模塊電路,分析了電路的工作原理。通過設(shè)計(jì)秒脈沖信號發(fā)生器電路、遞減計(jì)數(shù)器電路、譯碼顯示電路,完成了對籃球賽24秒倒計(jì)時器的電路設(shè)計(jì)?;赑roteus完成籃球賽24秒倒計(jì)時器仿真,實(shí)現(xiàn)了24秒倒計(jì)時、隨時置數(shù)、自動報警等功能。通過增加獨(dú)立按鍵電路和編碼器電路對籃球賽24秒倒計(jì)時器進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了能夠任意置數(shù)的功能。

關(guān)鍵詞:Proteus;倒計(jì)時器;電路設(shè)計(jì);仿真

1 概述

隨著籃球運(yùn)動的普及和NBA比賽在世界的風(fēng)靡,籃球比賽的24秒倒計(jì)時器已被廣泛采用。在籃球比賽中,當(dāng)某隊(duì)獲得新的球權(quán)時,24秒倒計(jì)時器將啟動,擁有球權(quán)的隊(duì)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(jì)時器設(shè)計(jì)方式主要有2種:一種是采用常規(guī)的TTL或COMS邏輯器件進(jìn)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(shù),借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。[1]兩種方法相比較,在硬件平臺上進(jìn)行電子設(shè)計(jì),所用的集成電路芯片元件要常在管座上拔插,甚至?xí)鹪骷蛢x器設(shè)備的損壞等問題,而采用EDA技術(shù)十分省時和方便。隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,推動了EDA技術(shù)的普及與發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真得到愈來愈廣泛的應(yīng)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(jī)與外圍電路協(xié)同仿真,一鍵切換到PCB設(shè)計(jì),真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì),是將電路設(shè)計(jì)與仿真、PCB設(shè)計(jì)和虛擬模型仿真三合一的設(shè)計(jì)軟件平臺。[2]

本文基于Proteus設(shè)計(jì)了籃球賽24秒倒計(jì)時器,并可應(yīng)用到實(shí)際的比賽中,對進(jìn)攻時間進(jìn)行24秒的限制,還具有自動報警功能。

2 倒計(jì)時器的電路設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

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

(1)24秒倒計(jì)時顯示功能,采用數(shù)碼管顯示;

(2)設(shè)置外部控制開關(guān),控制計(jì)數(shù)器的重置24秒功能;

(3)計(jì)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(shè)計(jì)

用555定時器及少量電阻電容構(gòu)成多諧振蕩器,[3]用來當(dāng)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(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)

遞減計(jì)數(shù)器電路主要由兩片74LS192芯片級聯(lián)加上一個或非門構(gòu)成,即24秒倒計(jì)時計(jì)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(shí)現(xiàn)兩位數(shù)計(jì)數(shù),如圖3所示。

74LS192是雙時鐘可逆同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。[4]當(dāng)74LS192用作減計(jì)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(gòu)成的多諧振蕩器的輸出端相連,以確保減計(jì)數(shù)器每秒鐘減1。ld為兩個74LS192的公共置位端,當(dāng)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(jì)數(shù)器開始作減計(jì)數(shù)。當(dāng)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(shè)led端為報警端,當(dāng)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(dāng)計(jì)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(dǎo)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(jì)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(jì)數(shù)器的輸出端全為0時,發(fā)光二極管時亮?xí)r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(shè)計(jì)

譯碼顯示電路由兩片74LS48芯片和兩個數(shù)碼管構(gòu)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(jì)時器的仿真電路如圖5所示。在Proteus中連接好電路以后,點(diǎn)擊開始按鈕運(yùn)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(dāng)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(jì)時,即每隔1秒鐘,數(shù)碼管顯示的數(shù)字減1,相當(dāng)于報警燈的輸出端為低電平,倒計(jì)時過程中的一幕如圖6(b)所示。當(dāng)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(dāng)于報警燈的輸出端開始不斷地高低電平轉(zhuǎn)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(jìn)行高低電平轉(zhuǎn)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(jì)時器電路改進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)倒計(jì)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(jìn),在原先設(shè)計(jì)的電路基礎(chǔ)上,再增加獨(dú)立按鍵和編碼器2個電路模塊。

4.1 獨(dú)立按鍵電路設(shè)計(jì)

獨(dú)立按鍵電路如圖7所示,該電路由10個獨(dú)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(dāng)其中一個按鍵按下時,例如將K0按下,它所對應(yīng)的右邊的端口輸出低電平,即KeyIn0=0。當(dāng)松開這個按鍵時,它所對應(yīng)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(dú)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(shè)計(jì)

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(gòu)成,兩片74LS148的10個輸入端分別與獨(dú)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(dāng)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(dāng)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(dú)立按鍵電路的輸出端相連,輸出端與倒計(jì)時計(jì)數(shù)器的74LS192的輸入端相連。這種編碼器電路實(shí)現(xiàn)了十進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成8421BCD碼。

5 結(jié)語

在本文提出的籃球賽24秒倒計(jì)時器總體方案基礎(chǔ)上,詳細(xì)設(shè)計(jì)了秒脈沖信號發(fā)生器電路、遞減計(jì)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?;赑roteus完成24秒倒計(jì)時器仿真,實(shí)現(xiàn)了24秒倒計(jì)時、隨時置數(shù)、自動報警等功能。通過增加獨(dú)立按鍵和編碼器2個電路模塊,對24秒倒計(jì)時器進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了倒計(jì)時器的任意置數(shù)功能。根據(jù)改進(jìn)后的電路,完成了PCB設(shè)計(jì)和硬件制作,通過試用,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn):

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

[2]袁小平,牛小玲,王都霞.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:機(jī)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(shè)計(jì)[M].第二版.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)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(jì)時器設(shè)計(jì)[J].電子制作,2015,33(10):7-8.

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