跆拳道競技比賽全秒顯示計時器設(shè)計

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）是一項運用手腳技術(shù)進行搏擊格斗的體育項目，分為競技、品勢、特技、威力。目前跆拳道已推廣到160多個國家，并且已經(jīng)成為奧運會的比賽項目〔1〕。一場跆拳道競技比賽分三節(jié)，每節(jié)為2 min，節(jié)間休息30 s，均采用倒計時方式。比賽進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，可將時間清零。需計時清零或者暫停由場上的裁判員給出手勢〔2〕。

目前在該賽事中采用的多為基于可編程器件或單片機的計時器，功能方面自然優(yōu)越，但是成本相對較高，而且均采用“分—秒”顯示方式，如顯示為“1分20秒”，這種顯示方式確實比較符合“時—分—秒”的計時制，但是對于現(xiàn)場的競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”的運算過程才能意識到單節(jié)還剩80 s，這顯然不太符合此種激烈緊張的、機會與時間轉(zhuǎn)瞬即逝的競賽氛圍。

本文擬設(shè)計一種完全基于數(shù)字電路的全秒跆拳道競技比賽計時器，比較前述的計時器來說，因電路比較簡單，故速度快、性能穩(wěn)定、成本低并且完全能實現(xiàn)所有功能；此外，因采用“全秒”的計時顯示方式，自然能讓現(xiàn)場的競技選手或觀眾“很快”地感受到時間在不斷飛逝。

1 電路設(shè)計

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

1.2設(shè)計方案設(shè)計方案框圖，見圖1。

圖1 設(shè)計方案框圖

1.3整體電路整體電路，見圖2。

圖2 整體電路

1.4 主要電路模塊簡介

1.4.1 計時脈沖模塊 由NE555定時芯片工作于多諧振蕩模式產(chǎn)生計時脈沖CP。

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

1.4.2 計數(shù)—譯碼—顯示模塊 3個74LS192芯片采用異步連接構(gòu)成計數(shù)部分，各片工作于減計數(shù)模式；譯碼部分由3個74LS48芯片構(gòu)成，對74LS192的輸出進行譯碼；顯示部分由3個7段數(shù)碼管構(gòu)成，對譯碼輸出完成三位“全秒”倒計時顯示：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時經(jīng)一個基本RS鎖存器完成計時顯示功能開、關(guān)。

開啟、暫停控制：switch2經(jīng)一個基本RS鎖存器并利用一個與門74LS08去CP已實現(xiàn)開啟、暫停功能，撥到A實現(xiàn)啟動計數(shù)功能，撥到B實現(xiàn)暫停計數(shù)功能。

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

清零控制：switch3處于A時經(jīng)一個基本RS鎖存器實現(xiàn)計時清零。

置數(shù)控制：switch3處于B，JK觸發(fā)器74LS112、兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121、與非門74LS02、非門74LS04將實現(xiàn)計時到“000”后將初始值“120”或“030”置入。

2 電路分析與仿真

下面對電路進行分析，并運用MAX+PLUSII軟件來對所設(shè)計的電路進行性能仿真〔10-11〕以驗證電路設(shè)計的正確可靠性。

2.1主要控制模塊分析與仿真本電路要實現(xiàn)“120”→“000”和“030”→“000”的輪流計時，在設(shè)計中的最大難點有兩個：其一是采用何種置數(shù)控制模塊去實現(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控制單節(jié)計時結(jié)束和節(jié)間計時結(jié)束。前者屬于置數(shù)控制而后者結(jié)束（告警）控制。

對于結(jié)束（告警）控制部分，經(jīng)過仔細(xì)分析3個74LS192（分別負(fù)責(zé)百、十、個位計時）的輸出，可取出百位片的Qa、十位片的QdQcQbQa、個位片的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、個位片的QdQcQbQa。

對（1）式再作變換可得

根據(jù)（2）式，本設(shè)計采用了兩個5輸入的或非門74LS260和一個2輸入的與非門74LS00構(gòu)成的反饋控制電路，最終去驅(qū)動一個共陰極接法的LED發(fā)光告警以示計時結(jié)束。

對于置數(shù)控制部分，本設(shè)計采用了一個JK觸發(fā)器74LS112、兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121、一個與非門74LS02、一個非門74LS04構(gòu)成。置數(shù)流程為：先讓switch3處于A進行計時前的清零工作（所有74LS192清零），這將使JK觸發(fā)器74LS112的CP引腳接到一個低電平0；同時，JK觸發(fā)器74LS112的Rd引腳有效也完成清零（Q=0，其互補輸出端則為1）。之后，讓switch3處于B，進入計時狀態(tài)，此時所有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)生一個脈沖，最終經(jīng)一個與非門74LS02作為第一個有效的置數(shù)脈沖去使所有74LS192的置數(shù)引腳LD有效，且將此時的初始值“120”置入，完成第一次置數(shù)，并開始單節(jié)計時（即“120”→“000”），當(dāng)單節(jié)計時結(jié)束時，74LS112的CP引腳將接到一個下降沿，將使它翻轉(zhuǎn)（Q=1），這時另一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121會產(chǎn)生一個置數(shù)脈沖，同時初始值也變?yōu)椤?30”，完成第二次置數(shù)，并開始節(jié)間計時（即“030”→“000”），同理節(jié)間計時結(jié)束時又會產(chǎn)生第三次置數(shù)，有進入單節(jié)計時，類推之。

對置數(shù)時序進行仿真，所得結(jié)果，見圖3。

圖3 置數(shù)時序仿真圖

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：實現(xiàn)單節(jié)和節(jié)間輪流計時，即“120”→“000”和“030”→“000”的輪流計時。對整體電路進行時序仿真，switch撥向A經(jīng)計時清零后再撥向B開啟置數(shù)功能后即進入計時狀態(tài)。所得結(jié)果，見圖4。

圖4 整體電路時序仿真圖

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”（對節(jié)間休息計時）后自動完成置數(shù)再開始“120”→“000”（對下一節(jié)計時）的部分。由圖可見，電路能夠正確地輪流計時，故整個電路設(shè)計是正確可靠的。

3 結(jié)束語

本文采用全秒計時顯示的方式，使用簡單的數(shù)字邏輯器件設(shè)計出了一種可用于跆拳道競技比賽的計時器，并對電路進行了仿真驗證，結(jié)果表明所設(shè)計電路是正確可靠的，完全能夠?qū)崿F(xiàn)該項競技比賽中所要求的一切計時顯示功能。

〔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.跆拳道競賽規(guī)則〔Z〕.2005：1-20.

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