一、超声波发射与接收电路
超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。目前较为常用的是压电式超声波发生器，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号、其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
1．超声波振荡电路
振荡电路由555时基电路产生，原理图如上图(a)所示。由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号，利用电源通过Rl、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Ct放电，使电路产生振荡。电容C在l/3VCC和2/3Vcc之间充电和放电，其波形如上图(b)所示。输出信号的时间参数是T=tw1+tw1,tw1=0.69(R1+R2)C，tw2=0.69R2C555电路要求R1与R2均应大于或等于1KΩ，但R1+R2应小于或等于3.3MΩ。
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力，因此这种形式的多谐振荡器应用很广。
调节R2，使电路输出40kHz的方波。
2．超声波发射电路
发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，555电路输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极．用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2-方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间，如下图所示。
3．超声波接收电路
超声波接收换能器R和双运放LM358组成了超声波信号的检测和放大电路。反射回来的超声波信号经LM358的2级放大100倍(40dB)后基本可以满足需要。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而本作品整机电源用的是单电源(5V)供电，为保证运放的可靠工作，这里采用电阻进行分压，在LM358的同相端产生2.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，避免产生信号失真，如下图所示。
接收电路的另一个重要功能是将超声波反射信号转换成控制信号。LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率fo，fo一1/1.1RC。其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.75~9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率／电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。由于本电路使用的超声波频率为40kHz，正好落在LM567可捕捉的范围内，所以我们可以利用LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成控制信号，其典型应用电路如下图所示。
下图是完整的超声波反射信号处理电路原理图，调节LM567⑤脚外接的电阻，使电路振荡频率在40kHz，然后适当选择②脚的带宽滤波电容，使电路捕获带宽大约在5%左右，这样既能使电路容易捕获信号，又能较好地兼顾电路的抗干扰性。
二、数字计时电路
比赛计时用数字时钟必须精确到毫秒，高位显示到分即可，其原理框图如下图所示。
1．时基电路
时基电路是数字钟精度的关键，为保证走时精确应采用晶体振荡器，为简单起见，本电路选用有源晶体振荡器。有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，里面除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件。有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。
2．分频器
分频器的功能是将时钟脉冲经多次分频后变成电路需要的100Hz，通常分频器的分频数N为10。能够实现10分频的电路形式很多，本电路采用74LS90的8421BCD码的QD输出，实现5421BCD码计数器，构成十分频工作方式。
74LS90的5421码计数器电原理图和波形图分别如s上图(a)、(b)所示，其状态转换表列于下表中。将五进制计数器的输出端OD接二进制计数器的脉冲输入端CP1，即可构成5421码十分频工作方式。S1、S2端最少应有一端接地；R1、R2端亦必须有一端接地。
上图中计数器状态真值表（QD输出连到CP1输入时）
3．计数器
毫秒计数器是百进制，秒、分计数器都是六十进制。为显示译码方便起见，希望计数状态以．8421BCD码表示，所以必须采用两个计数器串接，其中毫秒的低位和高位计数器以十进制变化，秒、分计数器的低位计数器以十进制变化、高位计数器以六进制变化，本电路都采用74LS160实现。
先来看看六进制，因为六进制计数器的有效状态有六个，而十进制计数器的有效状态有十个，所以用十进制计数器构成六进制计数器时，我们只需保留十进制计数器的六个状态即可，如下图所示。
当74LS160从0000变化到0101时，我们用非门和与非门构成一个组合逻辑电路，在74LS160的状态为0101时，组合电路输出低电平，这个低电平使74LS160工作在预置数状态，当下一个时钟脉冲到来时，由于D3D2DIDO等于0000，74LS160就会预置成0000，从而实现了状态跳跃。而进位脉冲可以从Q2取出，将输出后用非门取反，作为进位脉冲，当74LS160从0101预置成0000时会在Q2取反后产生一个脉冲上升沿，下一个时钟脉冲到达后，就会在高位形成计数，如下图所示。
两个74LS160可以构成一百进制计数器，也就是说，计数器的状态为0010到9910。因为100等于10乘以10，所以我们可以用两个74LS160构成一个一百进制计数器，其中一个计数器的状态表示个位数，另一个计数器的状态表示十位数，后者在前者的进位信号控制下计数，如下图所示。
4．译码和显示电路
CC4511是一个专门用来将输入的四位8421码转换为七段码并驱动共阴数码管的集成电路，其管脚排列如下图所示。其中：
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