基于Proteus的篮球记分器的设计与仿真

张燕

【摘 要】Proteus软件是一款集电路原理图设计、仿真和制版等功能于一身的电子设计自动化开发工具，运用软件的方法虚拟各种元器件与仪器仪表，完成电路原理图设计、功能测试与仿真过程。本文以篮球记分器为例，介绍了Proteus软件在数字系统设计中的应用，并给出了运用Proteus软件绘制的篮球记分器的计时电路和计分电路的电路原理图和仿真结果。学生学习兴趣浓厚，教学效果良好。

【关键词】Proteus软件；电路原理图设计；篮球记分器；仿真

中图分类号： TP391.7 文献标识码： A 文章编号： 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

高职院校《数字电子技术》课程是一门理论与实践高度融合的专业基础课程，在后续专业课程的学习中起着承上启下的作用。在日常教学中为了使理论知识与实践环节有效结合，务必采用行之有效的教学方法和教学手段。结合高职院校学生“基础差、自律性差、学习兴趣不浓厚”等特点，把计算机仿真软件Proteus与基于工作过程的项目化教學方法深度融合，不但能够把理论知识和实践环节有机结合，而且能够充分调动学生的学习兴趣和热情，提高学生的学习积极性和主动性，增强学生的学习自信心和成就感，极大改善了该门课程的教学效果，为培养高职学生的综合能力和职业素养夯实基础。

1 Proteus软件介绍

Proteus仿真软件由英国Labcenter Electronics公司研制开发的运行于Windows操作系统上的电路设计与仿真开发平台，系统包括ISIS.EXE（电路原理图设计、电路原理仿真）、ARES.EXE（印刷电路板设计）两个主要程序三大基本功能[1]。Proteus仿真软件提供了三十多个元器件库，数千种元器件仿真模型，还配备了示波器、逻辑分析仪、信号发生器、交直流电流表、I2C调试器等仿真仪表资源，它不仅支持模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真，更是目前世界上最先进、最完整的多种型号微处理器系统的设计与仿真平台，真正实现了在计算机中完成电路原理图设计、电路分析与仿真、微处理器程序设计与仿真、系统测试与功能验证到形成印制电路板的完整电子设计、研发过程[2-3]。Proteus软件还具有良好的人机交互界面，提供了一个图形显示功能，可以将线路上信号的变化过程以图形的方式进行实时显示，使用非常方便，极易学习和掌握。

2 篮球记分器设计

篮球记分器是对篮球比赛中球队得分情况进行记录并显示的电子仪器，在日常生活中应用十分广泛。根据篮球比赛规则，记分系统一般应具有加减1、2、3分以及实时显示比赛总分功能（由记分电路完成）；具有节次显示及每个节次总倒计时显示功能（由计时电路完成）；在比赛结束时系统可实现清零功能等。其中，记分电路由六片74LS192构成千进制计数器实现，具体电路可见参考文献[4]。本文主要针对计时电路进行了设计并仿真。

2.1 篮球记分器技术指标

篮球比赛是根据运动员在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此篮球比赛记分系统是一种得分类型的系统。主要由计时电路和记分电路两大部分构成。依据篮球计分器所实现的功能给出该系统的技术指标和系统框图。

技术指标：

（1）该系统可实现加减1分、2分和3分功能，以及实时显示比赛队伍的总分功能；

（2）在篮球比赛结束时记分系统可实现自动清零操作；

（3）系统具有节次显示及每个节次倒计时时钟显示功能，并在四个节次完成之后实现倒计时系统的清零功能。

2.2 运用Proteus软件绘制计时电路原理图

由系统框图可知，计时电路由秒脉冲发生电路、倒计时电路、节次电路、译码显示电路和清零电路五部分构成。计时电路原理图如图2所示。

2.2.1 秒脉冲发生电路

秒脉冲发生电路由NE555及其外围元器件RA=20KΩ、RB=KΩ、电容器C1=10μF构成的多谐振荡器提供。将外围元器件参数值代入多谐振荡器频率计算公式f=知，此时NE555芯片的3脚输出频率为1HZ（周期为1秒）的矩形波经总开关S送给闸门电路U13（由二输入与门承担），闸门电路的输出信号作为倒计时电路低位片74LS192（U3）的减计数脉冲。

2.2.2 倒计时电路

倒计时电路由核心器件74LS192构成。74LS192是十进制可逆计数器，具有异步（高电平）清零、异步（低电平）置数功能。假设一场篮球赛为40分钟，分四个节次完成，每个节次10分钟，故倒计时电路要实现从9：59～0：00按时间关系递减的功能。倒计时电路由三片74LS192构成，在计时电路原理图上从高位到低位的编号依次为U1、U2和U3。其中，U1和U3对应的74LS192构成十进制减法计数器，完成9～0的减计数功能，U2对应的74LS192通过异步预置数法构成六进制减法计数器，实现5～0的减计数功能。倒计时电路工作过程如下：U3片74LS192减计数脉冲由NE555的3脚经总开关S、闸门电路U13提供，连接至该片4脚“减计数脉冲输入端DN”，每秒递减一次。当递减完一个循环，13脚的“借位输出端TCD”由1变0，当下一个减计数循环开始时“TCD”端由0变1出现一个上升沿，此时与该脚相连的高位的74LS192（U2）的4脚“减计数脉冲输入端DN”获得一个上升沿，实现一次减计数功能。同理，U2片74LS192的“TCD”脚与U1片74LS192的“减计数脉冲输入端DN”相连，当U2片74LS192完成一次5～0递减循环，开始下一次循环时，U1的“DN”端获得一个上升沿从而实现一次减计数功能。

2.2.3 节次电路

节次电路由编号为U4的74LS192通过异步预置数法构成四进制加法计数器。加法计数器的时钟信号由5脚的“加计数脉冲输入端UP”提供，5脚“UP”的上升沿来自于和它相连的高位片U1的13脚“借位输出端TCD”。当U1片的74LS192完成9～0递减循环，下一次递减循环开始时，U1片74LS192的13脚“TCD”输出一个上升沿，送给节次电路作为加计数脉冲，从而使节次电路完成一次加计数功能。

2.2.4 译码显示电路

译码显示电路由三片译码驱动器74LS48和三个共阴极的七段数码管组成，用以显示10分钟倒计时的时间和节次。译码显示电路的工作原理较为简单，不再赘述。

2.2.5 计时清零电路

当第4个节次的10分钟倒计时完成后，计时电路需实现清零功能，回到0000状态。该清零电路由双D触发器74LS74构成。D触发器的Q输出端和四片74LS192的清零段MR相连（即倒计时电路中标有字母R的各点用导线直接相连），因74LS192为异步高电平清零，故当D触发器的Q端提供高电平时即可完成计时电路的清零功能。系统在正常倒计时状态下，与非门U10输出一直为高电平1，D触发器输出端Q=0。当倒计时状态结束后，因74LS192属于异步低电平置数，故应在5（0101）状态出现的瞬间，实现置0（0000）功能。此时与非门U10输出低电平0，一方面送给D触发器的时钟信号CLK，另一方面连接至节次电路74LS192的置数使能端PL，完成置数功能，此时该片74LS192的输出端又变成0000，从而使U10與非门的输出为高电平1，则74LS74的时钟信号CLK瞬间由0变成1出现一个上升沿，使D触发器的Q=1，送给各片74LS192的清零端MR，实现异步高电平清零功能。

2.3 计时电路的仿真

进入计时电路Proteus仿真界面，按下仿真运行控制按钮，系统上电，显示0000。闭合总开关S后，电路进入节次1电路的10分钟倒计时状态，直至节次4电路的10分钟倒计时完成，电路自动进行清零操作，回到0000状态。

3 结束语

在项目化教学过程中引入Proteus仿真软件，不但使学生学习了运用电子设计自动化技术设计数字体统的能力，而且因着Proteus仿真软件的易学、易用、易操作，友好的图形化的人机交互界面，仿真结果更直观、更接近实际设计的数字系统，更易激发学生的学习兴趣和热情，使学生变被动学习为主动学习，提高了学生分析、解决实际问题的能力，教学效果良好。

【参考文献】

[1]叶继英，李林等.Proteus在电气信息类实验教学改革中的应用[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2015，20（1），118-121.

[2]范灵芝，徐晓菲.Proteus软件在数字电子技术项目化教学中的应用[J].科技视界，269转301.

[3]杨晶晶，刘延飞等.仿真软件在《数字电子技术》课程教学中的应用[J].现代电子技术，2013，36（20），45-46.

[4]吴勇灵，朱增辉等.基于74LS192千进制可逆计数器的设计与研究[J].制作业自动化，2012，34（10），111-113.