多路智能競賽搶答器設(shè)計(jì).doc

武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： _ 指導(dǎo)教師： 工作單位： _ 題 目: 多路智能競賽搶答器設(shè)計(jì) 初始條件：74LS148、74LS279、74LS48、74LS192、NE555、74LS00、 發(fā)光二極管、共陰極顯示器、74LS121。要求完成的主要任務(wù)（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）功能要求： 設(shè)計(jì)一個(gè)智力競賽搶答器，可同時(shí)供8名選手參加比賽，并具有定時(shí)搶答功能。設(shè)計(jì)步驟與要求：1 擬定定時(shí)搶答器的組成框圖。2 設(shè)計(jì)并安裝各單元電路，要求布線整齊美觀，便于級(jí)聯(lián)與調(diào)試。3 測試定時(shí)搶答器的邏輯功能，以滿足設(shè)計(jì)功能要求。4 畫出定時(shí)搶答器的整機(jī)邏輯電路圖。5 寫出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告。時(shí)間安排：第17周（7、8節(jié)）：理論講解，新1-02第1819周：理論設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試；地點(diǎn)：鑒主15通信工程實(shí)驗(yàn)室（1），鑒主13通信工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室；第20周：撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告及答辯；地點(diǎn)：鑒主17樓研究室。指導(dǎo)教師簽名： 2010年 7月 2日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2010年7 月 2日目 錄摘要IABSTRACTII引言11 設(shè)計(jì)詳細(xì)任務(wù)與要求11.1基本功能11.2擴(kuò)展功能22方案設(shè)計(jì)與論證23設(shè)計(jì)方案簡述34 單元電路設(shè)計(jì)44.1 搶答電路設(shè)計(jì)44.1.1 七段數(shù)碼顯示74LS4854.1.2 TTL集成RS觸發(fā)器74LS279功能介紹64.1.3 74LS148優(yōu)先編碼器功能74.2定時(shí)電路的設(shè)計(jì)84.2.1子電路設(shè)計(jì)84.3 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)114.3.1主要功能114.3.2 電路原理圖124.4時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)134.4.1 74LS121功能管腳圖145 多路智能競賽搶答器設(shè)計(jì)總結(jié)15參考文獻(xiàn)16附錄17摘要數(shù)字搶答器由主體電路與擴(kuò)展電路組成。優(yōu)先編碼電路、鎖存器、譯碼電路將參賽隊(duì)的輸入信號(hào)在顯示器上輸出；用控制電路和主持人開關(guān)啟動(dòng)報(bào)警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時(shí)電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生信號(hào)在顯示器上輸出實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能，構(gòu)成擴(kuò)展電路，經(jīng)過布線、焊接、調(diào)試等工作（或仿真）后數(shù)字搶答器成形。關(guān)鍵字：搶答電路；定時(shí)電路；報(bào)警電路ABSTRACTThe Digital Responder is composed of the main circuit and expander. The priority encoding circuit, latch and decoding circuit output participating teams input signal on the monitor; the alarm circuit is started with the control circuit and director switch, this two parts make up the main circuits. A second pulse will produce the signal to output through the timing circuit and decoding circuit to realize the time function on the monitor,which constitutes the expander . After undergoing wiring, welding, debugging and other work (or simulation), the Digital Responder would be accomplished.Keywords: Responder circuit; timing circuits; alarm circuit19多路智能競賽搶答器設(shè)計(jì)引言搶答器同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)比賽，設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)S，該開關(guān)由主持人控制。搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，并在LED數(shù)碼管上顯示，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲響提示。選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答時(shí)間由主持人設(shè)定（如30秒）。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始”鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間為0.5s左右，參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。如果定時(shí)時(shí)間到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報(bào)警并禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00。1 設(shè)計(jì)詳細(xì)任務(wù)與要求1.1基本功能1 可同時(shí)讓8名選手參賽，他們的編號(hào)分別是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)，分別是。2 節(jié)目主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始。3 數(shù)字搶答器應(yīng)具有數(shù)碼鎖存，顯示功能。搶答開始后，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖存，并在LED數(shù)碼上顯示選手的編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)聲器給出音響提示。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。1.2擴(kuò)展功能1 定時(shí)搶答功能。搶答器定時(shí)為30s，啟動(dòng)起始鍵后，定時(shí)器開始工作，立即減計(jì)，并在顯示器上顯示出來，同時(shí)揚(yáng)聲器要短暫報(bào)警。2 參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搶答（30s），搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)刻的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。3 當(dāng)定時(shí)搶答的時(shí)間已到，還沒有選手搶答進(jìn)，本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器上顯示00。2方案設(shè)計(jì)與論證方案一： 1）30秒定時(shí)器：可由一片74LS161來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)74LS161輸出為1111時(shí)通過與非門將脈沖信號(hào)截止，顯示器停留在30上。 2）搶答器部分：由8位選手的開關(guān)及自己根據(jù)實(shí)際情況用與非門連接成的簡單譯碼器，輸出接七段譯碼器，七段譯碼器接數(shù)字顯示器。搶答成功的選手對(duì)應(yīng)的燈亮且數(shù)字顯示其編號(hào)。 3）時(shí)基脈沖選用實(shí)驗(yàn)室提供的信號(hào)發(fā)生器。 4）報(bào)警部分：當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)到30時(shí)，輸出一個(gè)高電平使二極管發(fā)光且發(fā)出報(bào)警聲。方案二： 1）30秒定時(shí)器：可由兩片74LS192構(gòu)成。當(dāng)?shù)谝黄瑸榱慵摧敵?111時(shí)通過74LS20將脈沖信號(hào)截止，使其顯示為00。 2）搶答器部分：由一74LS148優(yōu)先編碼器實(shí)現(xiàn)搶答功能，用74LS279將選手代碼鎖存直到主持人清零為止，然后用7段譯碼器顯示選手代碼。 3）脈沖產(chǎn)生電路可由一74LS121來產(chǎn)生，提供給定時(shí)電路及聲響電路。 4）報(bào)警部分：由一NE555定時(shí)器來控制，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為零時(shí)產(chǎn)生報(bào)警聲響。經(jīng)過分析及研究我決定用第二種方案，因?yàn)樗鼘?duì)我們比較實(shí)際，大部分元器件我們已經(jīng)學(xué)過，而且原理較簡單，現(xiàn)在應(yīng)用到設(shè)計(jì)中來提高我們對(duì)這些元件的記憶，加深對(duì)他們的了解，為以后的設(shè)計(jì)提供了較好的應(yīng)用。3設(shè)計(jì)方案簡述定時(shí)搶答器的總體框圖如圖1.1所示，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體電路完成基本搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動(dòng)搶答按鈕時(shí)，能顯示選手的編號(hào)，同時(shí)能封鎖輸入電路，禁止其他其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時(shí)搶答的功能。 圖3-1搶答器的組成框圖圖3-1所示的定時(shí)搶答器的工作過程是：接通電源時(shí)，節(jié)目主持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)顯示器上顯示設(shè)定的時(shí)間，當(dāng)節(jié)目主持人宣布搶答題目后，說一聲“搶答開始”，同時(shí)將控制開關(guān)撥到開始位置，揚(yáng)聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答按鈕時(shí)，搶答器要完成以下四項(xiàng)工作：1 優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號(hào)，并由鎖存器進(jìn)行鎖存然后由譯碼顯示電路顯示編號(hào)；2 揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，提醒節(jié)目主持人注意；3 控制電路要對(duì)輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次進(jìn)行搶答；4 控制電路要使定時(shí)器停止工作，時(shí)間顯示器上顯示剩余的搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手搶答完畢時(shí)，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪的搶答。4 單元電路設(shè)計(jì)4.1 搶答電路設(shè)計(jì)搶答電路的功能有兩個(gè)：一是能分辨出選手按按鈕的先后，并鎖存優(yōu)先搶答器的編號(hào)，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按按鈕操作無效。選用優(yōu)先編碼器74LS148和RS鎖存器74LS279可以完成上述功能，其電路組成圖如圖1.1所示。該部分電路的工作原理是：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于“清除”位置時(shí)，RS觸發(fā)器的端為低電平，輸出端（4Q1Q）全部為低電平。于是74LS48的,顯示燈滅，74LS148的選通輸入端,74LS48處于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存電路不工作。當(dāng)主持人開關(guān)撥到“開始”位置時(shí)，優(yōu)先編碼器電路和鎖存電路處于同時(shí)工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端輸入信號(hào)，當(dāng)有選手將按鈕按下時(shí)（如按下S5）,74LS48的輸出,經(jīng)RS鎖存后，CTR=1,74LS279處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經(jīng)74LS48譯碼后，顯示器上顯示出“5”，此外CTR=1，是74LS148的端為高電平，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，封鎖其他按鈕的輸入。當(dāng)按下的按鈕松開后，74LS148的但由于CTR維持高電平不變，所以74LS148仍然處于禁止工作狀態(tài)，其他按鈕的輸入信號(hào)不會(huì)被接收。這就保證了搶答者優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問題后，主持人操作控制開關(guān)S，使搶答電路復(fù)位，一遍進(jìn)行下一輪的搶答。 圖4-1搶答電路4.1.1 七段數(shù)碼顯示74LS48為了能以十進(jìn)制數(shù)碼直觀的顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了七段字符顯示器，或稱七段數(shù)碼管。這種字符顯示器由七段可發(fā)光的線段拼合而成。它的功能簡圖和管腳引線圖1.1.1所示。燈測試輸入：當(dāng)=0時(shí)，便可使被驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的七段同時(shí)點(diǎn)亮，以檢查該數(shù)碼管各段能否正常發(fā)光。但平時(shí)應(yīng)置于高電平。設(shè)置滅燈輸入的目的是為了把不希望顯示的零滅燈。滅燈輸入/滅燈輸出具有雙功能輸入/輸出，當(dāng)作為輸入端時(shí)，稱為滅燈輸入端。只要加入滅燈控制信號(hào)=0，無論輸入端是什么信號(hào)，定可將被驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各段同時(shí)熄滅。當(dāng)作為輸出端使用時(shí)稱為滅燈輸出端。 圖4-2 74LS48管腳圖4.1.2 TTL集成RS觸發(fā)器74LS279功能介紹74LS249的邏輯符號(hào)如圖1.2.1（a）所示，每片74LS279中包含四個(gè)獨(dú)立的用與非門組成的基本RS觸發(fā)器。其中第一個(gè)和第三個(gè)觸發(fā)器各有兩個(gè)輸入端（和），在任一輸入端上加入低電平均能將觸發(fā)器置1；每個(gè)觸發(fā)器只有一個(gè)端（R）。圖1.2.1（b）為第一個(gè)觸發(fā)器的邏輯電路。 圖 4-3 4.1.3 74LS148優(yōu)先編碼器功能編碼器在同一時(shí)刻內(nèi)只允許對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼，否則輸出的代碼會(huì)發(fā)生混亂。優(yōu)先編碼器即在同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)有多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行請(qǐng)求編碼時(shí)，只對(duì)優(yōu)先級(jí)別高的信號(hào)進(jìn)行編碼的邏輯電路，稱為優(yōu)先編碼器。常用的集成優(yōu)先編碼器有74LS148(8線-3線)其原理和功能真值表如圖1.3.1所示。圖4-4 74LS148管腳圖由表不難看出在=0電路正常工作狀態(tài)下，允許輸入當(dāng)中同時(shí)有幾個(gè)輸入端為低電平，即有編碼輸入信號(hào)。的優(yōu)先權(quán)最高，的優(yōu)先權(quán)最低。當(dāng)=0時(shí)，無論其他輸入端有無輸入信號(hào)，輸出給出的輸出編碼。即,當(dāng)=1，=0,無論輸入端輸入什么信號(hào)只對(duì)編碼，輸出4.2定時(shí)電路的設(shè)計(jì) 節(jié)目主持人根據(jù)搶答器題的難易程度，設(shè)定一次搶答的時(shí)間，通過預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，選用十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖提供。具體電路如圖2.1所示。 圖4-5可預(yù)置時(shí)間的定時(shí)電路4.2.1子電路設(shè)計(jì)4.2.1.1 74LS192功能介紹74LS192具有下述功能：1 異步清零：CR=1,=00002 異步置數(shù)：CR=0,=0,=3 保持：CR=0,=1,=1,保持原態(tài)4 加計(jì)數(shù)：CR=0,=1,=CP,=1,按加法規(guī)律計(jì)數(shù)。5 減計(jì)數(shù)：CR=0,=1,=1，=CP，按減法規(guī)律計(jì)數(shù)。 （異步級(jí)聯(lián)方式的特點(diǎn)是：用前級(jí)計(jì)數(shù)器的輸出作為后級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。）用兩片74LS192構(gòu)成的M=100計(jì)數(shù)器如圖2.1.1.1所示。圖4-674LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，為加法計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端，是減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清零。CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。4.2.1.2 NE555構(gòu)成的多諧振蕩器作為秒脈沖發(fā)生器 NE555是時(shí)基集成電路，電路圖如圖2.1.2.1所示，它在應(yīng)用和工作方式上一般可歸納為3類。每類工作方式又有很多不同的電路。在實(shí)際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出多種不同電路，如：多個(gè)單穩(wěn)、多個(gè)雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。NE555時(shí)基電路封裝形式有兩種，一是DIP8,另一種是SOP8。其他HA17555、LM555、CA555分屬不同的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理相同。NE555屬于CMOS工藝制造。把555的2,6腳接在一起，根據(jù)對(duì)555組成原理圖的分析可知，電容上的電壓在到之間變化。電路的工作波形如圖2.1.2.2所示圖4-7圖4-8由圖中看出，輸出電壓的低電壓時(shí)間為電容上電壓的從減少到所需的時(shí)間，的高電平時(shí)間為電容上電壓從增大到所需要的時(shí)間，電路的震蕩周期和頻率計(jì)算如下取=,=,C=10uF,可得振蕩頻率為所以，T=1s由Multisim仿真得到如下波形，符合秒脈沖的要求。4.3 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 由555組成的多諧振蕩器，產(chǎn)生約100HZ的脈沖，開驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。4.3.1主要功能但信號(hào)來時(shí)，PR為高電平，振蕩器工作。平時(shí)保持低電平不變，從上面對(duì)555組成的多諧振蕩器的分析，當(dāng)4腳為低電平時(shí)，振蕩器停振。振蕩頻率為4.3.2 電路原理圖Multisim仿真可得如下波形，可知電路的頻率跟理論計(jì)算值相等。4.4時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)時(shí)序控制電路是搶答器的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng)任務(wù)：1 主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)；2 當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作；3 當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到時(shí)，無人搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作； 根據(jù)上面的功能要求以及圖1.1和圖2.1，設(shè)計(jì)時(shí)序控制電路如4.1所示。圖中門G1的作用是控制時(shí)鐘信號(hào)CP的放行與禁止，門G2的作用是控制74LS148的輸入使能端。圖4.1（a）所示電路的工作原理：主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時(shí)，來自于圖1.1所示的74LS279輸出的CTR=0,經(jīng)G3反向后，A=1，則從555輸出端來的時(shí)鐘信號(hào)CP能夠加到74LS192的時(shí)鐘輸入端，定時(shí)電路進(jìn)行遞減計(jì)時(shí)。同時(shí)，在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，來自于圖1.1所示74LS192的借位輸出端,門G2的輸出=0，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能1的要求。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)按鈕時(shí)，CTR=1,經(jīng)G3反向，A=0，封鎖CP信號(hào)，定時(shí)器處于保持工作狀態(tài)，同時(shí)，門G2的輸出=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功能2的要求。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，來自74LS192的封鎖CP信號(hào)，使定時(shí)電路保持00狀態(tài)不變，從而實(shí)現(xiàn)功能3的要求，74LS121用于控制報(bào)警電路及發(fā)聲時(shí)間。 圖4-9 時(shí)序控制電路4.4.1 74LS121功能管腳圖TTL集成器件74LS121是一種不可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。關(guān)于定時(shí)：單穩(wěn)態(tài)電路的定時(shí)取決于定時(shí)電阻和定時(shí)電容的數(shù)值。74LS121的定時(shí)電容連接在芯片的10、11引腳之間。若輸出脈寬較寬，而采用電解電容時(shí)，電容C的正極連接在輸出端（10腳）。對(duì)于定時(shí)電阻，使用者可有兩種選擇：1 采用內(nèi)部定時(shí)電阻（2K），此時(shí)將9號(hào)引腳（）接至電源(14腳)。2 采用外接定時(shí)電阻（阻值在1.440K之間），此時(shí)9腳應(yīng)懸空，電阻接在11.、14腳之間。74121的輸出脈沖寬度。通常R的數(shù)值取在230K之間，C的數(shù)值取在10pF10uF之間，得到的取值范圍可達(dá)20ns200ms 該式中的R可以是外接電阻，也可以是芯片內(nèi)部電阻阻值不太（約2K），如希望得到較寬的輸出脈沖，一般使用外接電阻。圖4.1.1是聲響時(shí)序控制電路，74LS121為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)集成器，用于控制聲響電路及聲響時(shí)間，主持人將控制開關(guān)撥到“清除”位置時(shí)，B=0,觸發(fā)器輸出Q=0,聲響電路停止工作，主持人將控制開關(guān)從清除撥到開始時(shí)，B=1，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選