跆拳道競技比賽全秒顯示計時器設計

安必勝，茶國智

（大理學院工程學院，云南大理 671003）

跆拳道（Taekwondo）是一項運用手腳技術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，并且已經成為奧運會的比賽項目〔1〕。一場跆拳道競技比賽分三節，每節為2 min，節間休息30 s，均采用倒計時方式。比賽進行過程中若參賽者有犯規行為或者有什么特殊情況可將時間暫停；參賽者棄權、被淘汰或者倒地，比賽立即結束，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“復雜而漫長”的運算過程才能意識到單節還剩80 s，這顯然不太符合此種激烈緊張的、機會與時間轉瞬即逝的競賽氛圍。

本文擬設計一種完全基于數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、性能穩定、成本低并且完全能實現所有功能；此外，因采用“全秒”的計時顯示方式，自然能讓現場的競技選手或觀眾“很快”地感受到時間在不斷飛逝。

1 電路設計

1.1性能參數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：顯示單節時間（120 s）、顯示節間休息時間（30 s）；②其它功能：開啟、暫停、結束（告警）、清零。

1.2設計方案設計方案框圖，見圖1。

圖1 設計方案框圖

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生計時脈沖CP。

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

1.4.2 計數—譯碼—顯示模塊 3個74LS192芯片采用異步連接構成計數部分，各片工作于減計數模式；譯碼部分由3個74LS48芯片構成，對74LS192的輸出進行譯碼；顯示部分由3個7段數碼管構成，對譯碼輸出完成三位“全秒”倒計時顯示：如單節從“120”→“000”，節間休息從“030”→“000”。

1.4.3 控制模塊 顯示控制：switch1撥到B、A時經一個基本RS鎖存器完成計時顯示功能開、關。

開啟、暫停控制：switch2經一個基本RS鎖存器并利用一個與門74LS08去CP已實現開啟、暫停功能，撥到A實現啟動計數功能，撥到B實現暫停計數功能。

結束（告警）控制：由“120”→“000”，然后“030”→“000”，每次計時到“000”時LED發光1 s以示本節或節間計時結束，并發出告警，這由兩個5輸入的或非門74LS260和一個2輸入的與非門74LS00驅動LED實現。

清零控制：switch3處于A時經一個基本RS鎖存器實現計時清零。

置數控制：switch3處于B，JK觸發器74LS112、兩個單穩態觸發器74LS121、與非門74LS02、非門74LS04將實現計時到“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軟件來對所設計的電路進行性能仿真〔10-11〕以驗證電路設計的正確可靠性。

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

對于結束（告警）控制部分，經過仔細分析3個74LS192（分別負責百、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 結束（告警）控制電路的真值表

根據真值表可得邏輯表達式

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（2）式，本設計采用了兩個5輸入的或非門74LS260和一個2輸入的與非門74LS00構成的反饋控制電路，最終去驅動一個共陰極接法的LED發光告警以示計時結束。

對于置數控制部分，本設計采用了一個JK觸發器74LS112、兩個單穩態觸發器74LS121、一個與非門74LS02、一個非門74LS04構成。置數流程為：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觸發器74LS112的CP引腳接到一個低電平0；同時，JK觸發器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，此時所有74LS192清零引腳CL以及JK觸發器74LS112的清零引腳Rd皆為無效電平，這樣74LS112的Rd引腳產生了上升沿，經非門74LS04變換為下降沿加給一單穩態觸發器74LS121，此74LS121將產生一個脈沖，最終經一個與非門74LS02作為第一個有效的置數脈沖去使所有74LS192的置數引腳LD有效，且將此時的初始值“120”置入，完成第一次置數，并開始單節計時（即“120”→“000”），當單節計時結束時，74LS112的CP引腳將接到一個下降沿，將使它翻轉（Q=1），這時另一個單穩態觸發器74LS121會產生一個置數脈沖，同時初始值也變為“030”，完成第二次置數，并開始節間計時（即“030”→“000”），同理節間計時結束時又會產生第三次置數，有進入單節計時，類推之。

對置數時序進行仿真，所得結果，見圖3。

圖3 置數時序仿真圖

可見，每次JK觸發器74LS112翻轉都能使74192的LD引腳有效，從而完成置入初始值“120”或“030”功能，故置數控制部分的電路設計是正確可靠的。

2.2核心功能分析與仿真本電路核心功能為：實現單節和節間輪流計時，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經計時清零后再撥向B開啟置數功能后即進入計時狀態。所得結果，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果，即電路由“030”→“000”（對節間休息計時）后自動完成置數再開始“120”→“000”（對下一節計時）的部分。由圖可見，電路能夠正確地輪流計時，故整個電路設計是正確可靠的。

3 結束語

本文采用全秒計時顯示的方式，使用簡單的數字邏輯器件設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，結果表明所設計電路是正確可靠的，完全能夠實現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.跆拳道風靡世界的原因及啟示〔J〕.科學大眾，2009（3）：116.

〔2〕中國跆拳道協會.跆拳道競賽規則〔Z〕.2005：1-20.

〔3〕康華光.電子技術基礎（數字部分）〔M〕.5版.北京：高等教育出版社，2005.

〔4〕閻石.數學電子技術基礎〔M〕.5版.北京：高等教育出版社，1998.

〔5〕彭榮修.數字電子技術基礎〔M〕.武漢：華中理工大學出版社，2003.

〔6〕沈建國，雷劍虹.數字邏輯與數字系統基礎〔M〕.北京：高等教育出版社，2004.

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〔9〕盧菊洪.數字電路與邏輯設計實驗教程〔M〕.北京：科學出版社，2003.

〔10〕王建笑，寧改娣.MAXPLUSII應用入門〔M〕.北京：機械工業出版社，2007.

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