基于Proteus的篮球赛24秒倒计时器设计与仿真

钟鹏程

摘 要：针对NBA比赛规则，提出了一种基于Proteus的篮球赛24秒倒计时器总体方案，详细设计了各个模块电路，分析了电路的工作原理。通过设计秒脉冲信号发生器电路、递减计数器电路、译码显示电路，完成了对篮球赛24秒倒计时器的电路设计。基于Proteus完成篮球赛24秒倒计时器仿真，实现了24秒倒计时、随时置数、自动报警等功能。通过增加独立按键电路和编码器电路对篮球赛24秒倒计时器进行改进，实现了能够任意置数的功能。

关键词：Proteus;倒计时器;电路设计;仿真

1 概述

随着篮球运动的普及和NBA比赛在世界的风靡，篮球比赛的24秒倒计时器已被广泛采用。在篮球比赛中，当某队获得新的球权时，24秒倒计时器将启动，拥有球权的队伍必须在获得球后的24秒内投篮，否则就是24秒违例。

目前，国内常见的24秒倒计时器设计方式主要有2种：一种是采用常规的TTL或COMS逻辑器件进行硬件连接，大多采用带有面包板和各种信号源的硬件平台;另一种是采用EDA技术，借助计算机辅助设计软件进行电路的设计与调试。[1]两种方法相比较，在硬件平台上进行电子设计，所用的集成电路芯片元件要常在管座上拔插，甚至会引起元器件和仪器设备的损坏等问题，而采用EDA技术十分省时和方便。随着电子和计算机技术的进步，推动了EDA技术的普及与发展，计算机辅助设计与仿真得到愈来愈广泛的应用。Proteus是英国著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是将电路设计与仿真、PCB设计和虚拟模型仿真三合一的设计软件平台。[2]

本文基于Proteus设计了篮球赛24秒倒计时器，并可应用到实际的比赛中，对进攻时间进行24秒的限制，还具有自动报警功能。

2 倒计时器的电路设计

2.1 总体方案设计

篮球赛24秒倒计时器的总体方案结构如图1所示，包括秒脉冲信号发生器、递减计数器、置数控制开关、报警电路、译码电路和数码管等，并能实现如下功能：

（1）24秒倒计时显示功能，采用数码管显示;

（2）设置外部控制开关，控制计数器的重置24秒功能;

（3）计数器递减至0时，数码管显示“00”，同时发出报警信号。

2.2 秒脉冲信号发生器电路设计

用555定时器及少量电阻电容构成多谐振荡器，[3]用来当作秒脉冲信号发生器电路，如图2所示。

在图2中，令R1=571.4Ω，R2=714KΩ，C1=1uF，C2=0.01uF，则T=tw1+tw2=0.7（R1+R2）C1+0.7R2C1=1s。这样，在引脚3输出一个周期为1s的方波，作为74LS192芯片的时钟脉冲信号。

2.3 递减计数器电路设计

递减计数器电路主要由两片74LS192芯片级联加上一个或非门构成，即24秒倒计时计数器电路，并包含报警电路，将低位片的借位端输出信号作为高位片的触发脉冲信号，实现两位数计数，如图3所示。

74LS192是双时钟可逆同步十进制计数器。[4]当74LS192用作减计数器时，必须确保CPU=1（图中为UP=1），CPD（图中为DN）输入时钟脉冲信号。因此，74LS192（低位）的CPD与555定时器构成的多谐振荡器的输出端相连，以确保减计数器每秒钟减1。ld为两个74LS192的公共置位端，当ld=0时，两个74LS192的LD=0（图中为PL=0），所以Q23Q22Q21Q20=0010，Q13Q12Q11Q10=0100。再令ld=1，计数器开始作减计数。当Q13Q12Q11Q10=0000且Q23Q22Q21Q20≠0000时，74LS192（低位）的TCD端发出借位下跳变脉冲，使74LS192（高位）输出的数减1。设led端为报警端，当Q13Q12Q11Q10≠0000或Q23Q22Q21Q20≠0000时，led=1+TCD=0，其中TCD在发出借位下跳变脉冲时为低电平，其余情况为高电平，且或非门的输入端至少有一个为高电平。当计数器的输出端全为0时，两个74LS192的TCD端同时发出借位下跳变脉冲，导致led为反相的脈冲信号，作用于两个74LS192的清零端CR（图中为MR），使计数器输出始终为0。led端与发光二极管相连，仿真时用逻辑探针LOGICPROBE[BIG]代替发光二极管，计数器的输出端全为0时，发光二极管时亮时灭，即报警系统发出报警。在任何情况下令ld=0，都会使数码管显示的数字重置为24，即Q23Q22Q21Q20=0010，Q13Q12Q11Q10=0100。

2.4 译码显示电路设计

译码显示电路由两片74LS48芯片和两个数码管构成，如图4所示，其中两个74LS48的A、B、C、D四个引脚分别与两个74LS192的四个输出端相连，每个74LS48与一个数码管相连。

3 电路仿真与分析

24秒倒计时器的仿真电路如图5所示。在Proteus中连接好电路以后，点击开始按钮运行仿真。

首先，令两个74LS192的LD端输入低电平，数码管显示数字24，相当于报警灯的输出端为低电平，如图6（a）所示。紧接着，让两个74LS192的LD端输入高电平，此时数码管显示的数字开始倒计时，即每隔1秒钟，数码管显示的数字减1，相当于报警灯的输出端为低电平，倒计时过程中的一幕如图6（b）所示。当数码管显示的数字为00时，数码管显示的数字不变，相当于报警灯的输出端开始不断地高低电平转换，所连的发光二极管忽亮忽灭，仿真过程中用来代替发光二极管的LOGICPROBE[BIG]不断地进行高低电平转换（之前一直是低电平），如图6（c）所示。在任意情况下，令两个74LS192的LD端输入低电平，都会使数码管显示的数字重置为24。

4 倒计时器电路改进

为了实现倒计时器能够任意置数，而不是只能置数为24，对原电路做了一些改进，在原先设计的电路基础上，再增加独立按键和编码器2个电路模块。

4.1 独立按键电路设计

独立按键电路如图7所示，该电路由10个独立按键和10个4.7KΩ的电阻组成，10个按键分别代表0-9十个数字。当其中一个按键按下时，例如将K0按下，它所对应的右边的端口输出低电平，即KeyIn0=0。当松开这个按键时，它所对应的右边的端口输出高电平，即KeyIn0=1。其余按键的原理与该按键相同。这种独立按键电路需要两个，分别代表数字的十位和个位。

4.2 编码器电路设计

编码器电路如图8所示，主要由两片74LS148芯片和少许门电路构成，两片74LS148的10个输入端分别与独立按键电路的10个输出端相连。74LS148（高位）的ST=0（图中为EI=0），所以74LS148（高位）能够正常工作。将高位片选通输出端YS（图中为EO）接到低位片选通输入端ST（图中为EI），高位片IN2-IN7（图中为2-7引脚）全部接高电平。当KeyIn8或KeyIn9输入线中有一个为低电平时，则高位片的YS=1（图中为EO=1），使低位片的ST=1（图中为EI=1），则低位片输出被封锁，低位片Y2-Y1-Y0-=111，此时该编码器电路的四个输出端Y3Y2Y1Y0取决于高位片Y2-Y1-Y0-的输出。当KeyIn8=KeyIn9=1时，则高位片的YS=0，使低位片的ST=0，则低位片正常工作，高位片Y2-Y1-Y0-=111，此时该编码器电路的四个输出端Y3Y2Y1Y0取决于低位片Y2-Y1-Y0-的输出。这种编码器电路需要两个，每个编码器电路的输入端与独立按键电路的输出端相连，输出端与倒计时计数器的74LS192的输入端相连。这种编码器电路实现了十进制数字转换成8421BCD码。

5 结语

在本文提出的篮球赛24秒倒计时器总体方案基础上，详细设计了秒脉冲信号发生器电路、递减计数器电路、译码显示电路等各个模块电路，分析了电路的工作原理。基于Proteus完成24秒倒计时器仿真，实现了24秒倒计时、随时置數、自动报警等功能。通过增加独立按键和编码器2个电路模块，对24秒倒计时器进行了改进，实现了倒计时器的任意置数功能。根据改进后的电路，完成了PCB设计和硬件制作，通过试用，达到了预期的设计效果。

参考文献：

[1]李要球，祝晓凤，周琳.基于Multisim7软件的24秒倒计时器的设计与仿真[J].高师理科学刊，2010，30（2）：59-62.

[2]袁小平，牛小玲，王都霞.数字电子技术实验教程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]曹国清.数字逻辑与数字系统设计[M].第二版.徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[4]陈婕羽，林青彪，王雪.基于Multisim的火箭发射30秒倒计时器设计[J].电子制作，2015，33（10）：7-8.