跆拳道竞技比赛全秒显示计时器设计

安必胜，茶国智

（大理学院工程学院，云南大理 671003）

跆拳道（Taekwondo）是一项运用手脚技术进行搏击格斗的体育项目，分为竞技、品势、特技、威力。目前跆拳道已推广到160多个国家，并且已经成为奥运会的比赛项目〔1〕。一场跆拳道竞技比赛分三节，每节为2 min，节间休息30 s，均采用倒计时方式。比赛进行过程中若参赛者有犯规行为或者有什么特殊情况可将时间暂停；参赛者弃权、被淘汰或者倒地，比赛立即结束，可将时间清零。需计时清零或者暂停由场上的裁判员给出手势〔2〕。

目前在该赛事中采用的多为基于可编程器件或单片机的计时器，功能方面自然优越，但是成本相对较高，而且均采用“分—秒”显示方式，如显示为“1分20秒”，这种显示方式确实比较符合“时—分—秒”的计时制，但是对于现场的竞技选手或观众而言需要在脑海中去完成“1分=60秒”再加上20 s的“复杂而漫长”的运算过程才能意识到单节还剩80 s，这显然不太符合此种激烈紧张的、机会与时间转瞬即逝的竞赛氛围。

本文拟设计一种完全基于数字电路的全秒跆拳道竞技比赛计时器，比较前述的计时器来说，因电路比较简单，故速度快、性能稳定、成本低并且完全能实现所有功能；此外，因采用“全秒”的计时显示方式，自然能让现场的竞技选手或观众“很快”地感受到时间在不断飞逝。

1 电路设计

1.1性能参数分析按照跆拳道竞技比赛的计时要求可知，电路需具有如下一些功能〔3-9〕：①核心功能：显示单节时间（120 s）、显示节间休息时间（30 s）；②其它功能：开启、暂停、结束（告警）、清零。

1.2设计方案设计方案框图，见图1。

图1 设计方案框图

1.3整体电路整体电路，见图2。

图2 整体电路

1.4 主要电路模块简介

1.4.1 计时脉冲模块 由NE555定时芯片工作于多谐振荡模式产生计时脉冲CP。

根据周期计算公式T=TpL+TpH=R2C2ln2+（R1+R2）C2ln2=（R1+2R2）C2ln2，选择合适的R1，R2，C2产生1 s的计时脉冲。

1.4.2 计数—译码—显示模块 3个74LS192芯片采用异步连接构成计数部分，各片工作于减计数模式；译码部分由3个74LS48芯片构成，对74LS192的输出进行译码；显示部分由3个7段数码管构成，对译码输出完成三位“全秒”倒计时显示：如单节从“120”→“000”，节间休息从“030”→“000”。

1.4.3 控制模块 显示控制：switch1拨到B、A时经一个基本RS锁存器完成计时显示功能开、关。

开启、暂停控制：switch2经一个基本RS锁存器并利用一个与门74LS08去CP已实现开启、暂停功能，拨到A实现启动计数功能，拨到B实现暂停计数功能。

结束（告警）控制：由“120”→“000”，然后“030”→“000”，每次计时到“000”时LED发光1 s以示本节或节间计时结束，并发出告警，这由两个5输入的或非门74LS260和一个2输入的与非门74LS00驱动LED实现。

清零控制：switch3处于A时经一个基本RS锁存器实现计时清零。

置数控制：switch3处于B，JK触发器74LS112、两个单稳态触发器74LS121、与非门74LS02、非门74LS04将实现计时到“000”后将初始值“120”或“030”置入。

2 电路分析与仿真

下面对电路进行分析，并运用MAX+PLUSII软件来对所设计的电路进行性能仿真〔10-11〕以验证电路设计的正确可靠性。

2.1主要控制模块分析与仿真本电路要实现“120”→“000”和“030”→“000”的轮流计时，在设计中的最大难点有两个：其一是采用何种置数控制模块去实现初始值“120”和“030”的轮流置入；其二是采用何种反馈控制模块去同时控制单节计时结束和节间计时结束。前者属于置数控制而后者结束（告警）控制。

对于结束（告警）控制部分，经过仔细分析3个74LS192（分别负责百、十、个位计时）的输出，可取出百位片的Qa、十位片的QdQcQbQa、个位片的QdQcQbQa参加译码反馈控制，列出的真值表，见表1。

表1 结束（告警）控制电路的真值表

根据真值表可得逻辑表达式

其中，Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0分别表示百位片的Qa、十位片的QdQcQbQa、个位片的QdQcQbQa。

对（1）式再作变换可得

根据（2）式，本设计采用了两个5输入的或非门74LS260和一个2输入的与非门74LS00构成的反馈控制电路，最终去驱动一个共阴极接法的LED发光告警以示计时结束。

对于置数控制部分，本设计采用了一个JK触发器74LS112、两个单稳态触发器74LS121、一个与非门74LS02、一个非门74LS04构成。置数流程为：先让switch3处于A进行计时前的清零工作（所有74LS192清零），这将使JK触发器74LS112的CP引脚接到一个低电平0；同时，JK触发器74LS112的Rd引脚有效也完成清零（Q=0，其互补输出端则为1）。之后，让switch3处于B，进入计时状态，此时所有74LS192清零引脚CL以及JK触发器74LS112的清零引脚Rd皆为无效电平，这样74LS112的Rd引脚产生了上升沿，经非门74LS04变换为下降沿加给一单稳态触发器74LS121，此74LS121将产生一个脉冲，最终经一个与非门74LS02作为第一个有效的置数脉冲去使所有74LS192的置数引脚LD有效，且将此时的初始值“120”置入，完成第一次置数，并开始单节计时（即“120”→“000”），当单节计时结束时，74LS112的CP引脚将接到一个下降沿，将使它翻转（Q=1），这时另一个单稳态触发器74LS121会产生一个置数脉冲，同时初始值也变为“030”，完成第二次置数，并开始节间计时（即“030”→“000”），同理节间计时结束时又会产生第三次置数，有进入单节计时，类推之。

对置数时序进行仿真，所得结果，见图3。

图3 置数时序仿真图

可见，每次JK触发器74LS112翻转都能使74192的LD引脚有效，从而完成置入初始值“120”或“030”功能，故置数控制部分的电路设计是正确可靠的。

2.2核心功能分析与仿真本电路核心功能为：实现单节和节间轮流计时，即“120”→“000”和“030”→“000”的轮流计时。对整体电路进行时序仿真，switch拨向A经计时清零后再拨向B开启置数功能后即进入计时状态。所得结果，见图4。

图4 整体电路时序仿真图

由于篇幅所限，图4所示仅为部分仿真结果，即电路由“030”→“000”（对节间休息计时）后自动完成置数再开始“120”→“000”（对下一节计时）的部分。由图可见，电路能够正确地轮流计时，故整个电路设计是正确可靠的。

3 结束语

本文采用全秒计时显示的方式，使用简单的数字逻辑器件设计出了一种可用于跆拳道竞技比赛的计时器，并对电路进行了仿真验证，结果表明所设计电路是正确可靠的，完全能够实现该项竞技比赛中所要求的一切计时显示功能。

〔1〕宋雷，张博洋.跆拳道风靡世界的原因及启示〔J〕.科学大众，2009（3）：116.

〔2〕中国跆拳道协会.跆拳道竞赛规则〔Z〕.2005：1-20.

〔3〕康华光.电子技术基础（数字部分）〔M〕.5版.北京：高等教育出版社，2005.

〔4〕阎石.数学电子技术基础〔M〕.5版.北京：高等教育出版社，1998.

〔5〕彭荣修.数字电子技术基础〔M〕.武汉：华中理工大学出版社，2003.

〔6〕沈建国，雷剑虹.数字逻辑与数字系统基础〔M〕.北京：高等教育出版社，2004.

〔7〕王兢，王洪玉.数字电路与系统〔M〕.北京：电子工业出版社，2004.

〔8〕瞿德福.实用数字电路手册〔M〕.北京：机械工业出版社，1997.

〔9〕卢菊洪.数字电路与逻辑设计实验教程〔M〕.北京：科学出版社，2003.

〔10〕王建笑，宁改娣.MAXPLUSII应用入门〔M〕.北京：机械工业出版社，2007.

〔11〕刘昌华，张希.数字逻辑EDA设计与实践〔M〕.北京：国防工业出版社，2009.