基于Proteus的籃球記分器的設計與仿真

張燕

【摘 要】Proteus軟件是一款集電路原理圖設計、仿真和制版等功能于一身的電子設計自動化開發(fā)工具，運用軟件的方法虛擬各種元器件與儀器儀表，完成電路原理圖設計、功能測試與仿真過程。本文以籃球記分器為例，介紹了Proteus軟件在數字系統(tǒng)設計中的應用，并給出了運用Proteus軟件繪制的籃球記分器的計時電路和計分電路的電路原理圖和仿真結果。學生學習興趣濃厚，教學效果良好。

【關鍵詞】Proteus軟件；電路原理圖設計；籃球記分器；仿真

中圖分類號： TP391.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）28-0100-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.044

【Abstract】Proteus software is a kind of an electronic design automation tool，which can be used to design the circuit principle diagram，simulate and make mask.It completes the circuit principle diagram design，function test and simulation process by the use of various virtual components and instruments in software.That paper，in the example of basketball scoring device，introduces the application of Proteus software in the design of digital systems，and displays the devices timing and scoring circuit principle diagram and simulation results using Proteus.The students are interested in learning，and the teaching effect is well.

【Key words】Proteus software；Circuit principle diagram design；Basketball scoring device；Simulation

0 引言

高職院校《數字電子技術》課程是一門理論與實踐高度融合的專業(yè)基礎課程，在后續(xù)專業(yè)課程的學習中起著承上啟下的作用。在日常教學中為了使理論知識與實踐環(huán)節(jié)有效結合，務必采用行之有效的教學方法和教學手段。結合高職院校學生“基礎差、自律性差、學習興趣不濃厚”等特點，把計算機仿真軟件Proteus與基于工作過程的項目化教學方法深度融合，不但能夠把理論知識和實踐環(huán)節(jié)有機結合，而且能夠充分調動學生的學習興趣和熱情，提高學生的學習積極性和主動性，增強學生的學習自信心和成就感，極大改善了該門課程的教學效果，為培養(yǎng)高職學生的綜合能力和職業(yè)素養(yǎng)夯實基礎。

1 Proteus軟件介紹

Proteus仿真軟件由英國Labcenter Electronics公司研制開發(fā)的運行于Windows操作系統(tǒng)上的電路設計與仿真開發(fā)平臺，系統(tǒng)包括ISIS.EXE（電路原理圖設計、電路原理仿真）、ARES.EXE（印刷電路板設計）兩個主要程序三大基本功能[1]。Proteus仿真軟件提供了三十多個元器件庫，數千種元器件仿真模型，還配備了示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、交直流電流表、I2C調試器等仿真儀表資源，它不僅支持模擬電路、數字電路、模/數混合電路的設計與仿真，更是目前世界上最先進、最完整的多種型號微處理器系統(tǒng)的設計與仿真平臺，真正實現(xiàn)了在計算機中完成電路原理圖設計、電路分析與仿真、微處理器程序設計與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成印制電路板的完整電子設計、研發(fā)過程[2-3]。Proteus軟件還具有良好的人機交互界面，提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上信號的變化過程以圖形的方式進行實時顯示，使用非常方便，極易學習和掌握。

2 籃球記分器設計

籃球記分器是對籃球比賽中球隊得分情況進行記錄并顯示的電子儀器，在日常生活中應用十分廣泛。根據籃球比賽規(guī)則，記分系統(tǒng)一般應具有加減1、2、3分以及實時顯示比賽總分功能（由記分電路完成）；具有節(jié)次顯示及每個節(jié)次總倒計時顯示功能（由計時電路完成）；在比賽結束時系統(tǒng)可實現(xiàn)清零功能等。其中，記分電路由六片74LS192構成千進制計數器實現(xiàn)，具體電路可見參考文獻[4]。本文主要針對計時電路進行了設計并仿真。

2.1 籃球記分器技術指標

籃球比賽是根據運動員在規(guī)定的比賽時間里得分多少來決定勝負的，因此籃球比賽記分系統(tǒng)是一種得分類型的系統(tǒng)。主要由計時電路和記分電路兩大部分構成。依據籃球計分器所實現(xiàn)的功能給出該系統(tǒng)的技術指標和系統(tǒng)框圖。

技術指標：

（1）該系統(tǒng)可實現(xiàn)加減1分、2分和3分功能，以及實時顯示比賽隊伍的總分功能；

（2）在籃球比賽結束時記分系統(tǒng)可實現(xiàn)自動清零操作；

（3）系統(tǒng)具有節(jié)次顯示及每個節(jié)次倒計時時鐘顯示功能，并在四個節(jié)次完成之后實現(xiàn)倒計時系統(tǒng)的清零功能。

2.2 運用Proteus軟件繪制計時電路原理圖

由系統(tǒng)框圖可知，計時電路由秒脈沖發(fā)生電路、倒計時電路、節(jié)次電路、譯碼顯示電路和清零電路五部分構成。計時電路原理圖如圖2所示。

2.2.1 秒脈沖發(fā)生電路

秒脈沖發(fā)生電路由NE555及其外圍元器件RA=20KΩ、RB=KΩ、電容器C1=10μF構成的多諧振蕩器提供。將外圍元器件參數值代入多諧振蕩器頻率計算公式f=知，此時NE555芯片的3腳輸出頻率為1HZ（周期為1秒）的矩形波經總開關S送給閘門電路U13（由二輸入與門承擔），閘門電路的輸出信號作為倒計時電路低位片74LS192（U3）的減計數脈沖。

2.2.2 倒計時電路

倒計時電路由核心器件74LS192構成。74LS192是十進制可逆計數器，具有異步（高電平）清零、異步（低電平）置數功能。假設一場籃球賽為40分鐘，分四個節(jié)次完成，每個節(jié)次10分鐘，故倒計時電路要實現(xiàn)從9：59～0：00按時間關系遞減的功能。倒計時電路由三片74LS192構成，在計時電路原理圖上從高位到低位的編號依次為U1、U2和U3。其中，U1和U3對應的74LS192構成十進制減法計數器，完成9～0的減計數功能，U2對應的74LS192通過異步預置數法構成六進制減法計數器，實現(xiàn)5～0的減計數功能。倒計時電路工作過程如下：U3片74LS192減計數脈沖由NE555的3腳經總開關S、閘門電路U13提供，連接至該片4腳“減計數脈沖輸入端DN”，每秒遞減一次。當遞減完一個循環(huán)，13腳的“借位輸出端TCD”由1變0，當下一個減計數循環(huán)開始時“TCD”端由0變1出現(xiàn)一個上升沿，此時與該腳相連的高位的74LS192（U2）的4腳“減計數脈沖輸入端DN”獲得一個上升沿，實現(xiàn)一次減計數功能。同理，U2片74LS192的“TCD”腳與U1片74LS192的“減計數脈沖輸入端DN”相連，當U2片74LS192完成一次5～0遞減循環(huán)，開始下一次循環(huán)時，U1的“DN”端獲得一個上升沿從而實現(xiàn)一次減計數功能。

2.2.3 節(jié)次電路

節(jié)次電路由編號為U4的74LS192通過異步預置數法構成四進制加法計數器。加法計數器的時鐘信號由5腳的“加計數脈沖輸入端UP”提供，5腳“UP”的上升沿來自于和它相連的高位片U1的13腳“借位輸出端TCD”。當U1片的74LS192完成9～0遞減循環(huán)，下一次遞減循環(huán)開始時，U1片74LS192的13腳“TCD”輸出一個上升沿，送給節(jié)次電路作為加計數脈沖，從而使節(jié)次電路完成一次加計數功能。

2.2.4 譯碼顯示電路

譯碼顯示電路由三片譯碼驅動器74LS48和三個共陰極的七段數碼管組成，用以顯示10分鐘倒計時的時間和節(jié)次。譯碼顯示電路的工作原理較為簡單，不再贅述。

2.2.5 計時清零電路

當第4個節(jié)次的10分鐘倒計時完成后，計時電路需實現(xiàn)清零功能，回到0000狀態(tài)。該清零電路由雙D觸發(fā)器74LS74構成。D觸發(fā)器的Q輸出端和四片74LS192的清零段MR相連（即倒計時電路中標有字母R的各點用導線直接相連），因74LS192為異步高電平清零，故當D觸發(fā)器的Q端提供高電平時即可完成計時電路的清零功能。系統(tǒng)在正常倒計時狀態(tài)下，與非門U10輸出一直為高電平1，D觸發(fā)器輸出端Q=0。當倒計時狀態(tài)結束后，因74LS192屬于異步低電平置數，故應在5（0101）狀態(tài)出現(xiàn)的瞬間，實現(xiàn)置0（0000）功能。此時與非門U10輸出低電平0，一方面送給D觸發(fā)器的時鐘信號CLK，另一方面連接至節(jié)次電路74LS192的置數使能端PL，完成置數功能，此時該片74LS192的輸出端又變成0000，從而使U10與非門的輸出為高電平1，則74LS74的時鐘信號CLK瞬間由0變成1出現(xiàn)一個上升沿，使D觸發(fā)器的Q=1，送給各片74LS192的清零端MR，實現(xiàn)異步高電平清零功能。

2.3 計時電路的仿真

進入計時電路Proteus仿真界面，按下仿真運行控制按鈕，系統(tǒng)上電，顯示0000。閉合總開關S后，電路進入節(jié)次1電路的10分鐘倒計時狀態(tài)，直至節(jié)次4電路的10分鐘倒計時完成，電路自動進行清零操作，回到0000狀態(tài)。

3 結束語

在項目化教學過程中引入Proteus仿真軟件，不但使學生學習了運用電子設計自動化技術設計數字體統(tǒng)的能力，而且因著Proteus仿真軟件的易學、易用、易操作，友好的圖形化的人機交互界面，仿真結果更直觀、更接近實際設計的數字系統(tǒng)，更易激發(fā)學生的學習興趣和熱情，使學生變被動學習為主動學習，提高了學生分析、解決實際問題的能力，教學效果良好。

【參考文獻】

[1]葉繼英，李林等.Proteus在電氣信息類實驗教學改革中的應用[J].安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報，2015，20（1），118-121.

[2]范靈芝，徐曉菲.Proteus軟件在數字電子技術項目化教學中的應用[J].科技視界，269轉301.

[3]楊晶晶，劉延飛等.仿真軟件在《數字電子技術》課程教學中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（20），45-46.

[4]吳勇靈，朱增輝等.基于74LS192千進制可逆計數器的設計與研究[J].制作業(yè)自動化，2012，34（10），111-113.