2019多路智力競賽搶答器的設(shè)計課程設(shè)計

1、課程設(shè)計題目： 多路智力競賽搶答器的設(shè)計設(shè)計目的:隨著各種智力競賽越來越多，在答題的過程中一般要分為必答和搶答兩種。必答有時間的限制，到時間要警告。而搶答則要求參賽者做好充分的 準(zhǔn)備，等主持人說完題目，參賽者開始搶答，誰先按鈕，就由這個參賽者答題， 但是很難確認(rèn)誰先按的，因此使用搶答器來完成這一功能是很有必要的。本設(shè)計是一個可供八個人搶答的多路搶答器。可以顯示優(yōu)先搶者的序號，幷 同時有音響提示。幷具有倒計時功能。當(dāng)鎖定時間到了的時候會有音響提示。 當(dāng) 一次搶答完畢，可由主持人按復(fù)位鍵重新開始下一次搶答。設(shè)計要求:掌握搶答器的工作原理及其設(shè)計方法。1. 基本功能（1）設(shè)計一個智力競賽搶答器，可同

2、時供 8名選手或8個代表隊參加比賽， 他們的編號分別是0、1、2、3、4、5、6 7,各用一個搶答按鈕，按鈕的編號和 選手的編號相對應(yīng)，分別是S0-S7O（2）給節(jié)目主持人設(shè)計一個開關(guān)，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。（3）搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示的功能。搶答開始后，若有選手按動搶答按鈕，編號立即鎖存，并在LED數(shù)碼管行顯示出選手的編號，同時揚聲器給出音響 提示。此外，要封存輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號一致保 持到主持人將系統(tǒng)清零為止。2. 擴(kuò)展功能（1）搶答器具有定時搶答的功能，且一次搶答的時間可以由主持人設(shè)定（如30S）o當(dāng)節(jié)目主持人啟動“開始”鍵后

3、，要求定時器立即減計時，并用顯示器顯 示，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)時間 0.5S左右。（2）參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上 顯示選手的編號和搶答時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。（3）如果定時搶答的時間已到，卻沒有選手搶答時，本次搶答無效，系統(tǒng)短暫報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，時間顯示器上顯示00。設(shè)計原理及其框圖：數(shù)字搶答器工作原理為：主持人將開關(guān)置“開始”狀態(tài)，搶答器工作，定時器開始倒計時，并且報警器工作（時間為一秒）。若選手在定時時間內(nèi)搶答，則通 過優(yōu)先編碼器（74IS148 ）記錄下選手的編號并送入鎖存器（74IS279 ）

4、鎖存記錄, 然后通過譯碼器（74IS48 ）進(jìn)行譯碼，驅(qū)動八段數(shù)碼顯示器工作，顯示選手編號， 計時器顯示剩余時間。與此同時時通過鎖存器的輸出信號讓計優(yōu)先編碼器停止工 作保證其他選手再進(jìn)行選擇無效；如果在定時時間內(nèi)沒有選手搶答則通過計時端 的譯碼器的借位輸出端的輸出信號來控制優(yōu)先編碼器，使其停止工作。當(dāng)一輪搶 答之后，主持人將開關(guān)放到“清除”擋，使得編碼器（74IS48 ）停止工作，顯示 選手編號的顯示器也停止工作。同時連接一個異步清零端用來清除計時器顯示的 時間使之為00, 555計時器由于RST端為低電平也停止工作，導(dǎo)致報警器和計時 電路也停止工作?？傮w框圖如下：各部分電路的分析：1. 搶答

5、電路此部分電路主要的功能是：（1）.實現(xiàn)8路選手搶答并鎖存優(yōu)先搶答的選手 的編號，同時通過數(shù)碼顯示選手的編號 （2）.在有選手搶答或者是規(guī)定時間內(nèi)沒 有搶答選手情況下使選手的搶答無效。主要使用的芯片是優(yōu)先編碼器 74LS148和鎖存器74LS279還有七段數(shù)碼 顯示器。該電路的工作過程是：開關(guān)S置于清除端時，RS觸發(fā)器的R端均為 0, 4個觸發(fā)器輸出置0,使74LS148的優(yōu)先編碼始能端EI = 0，使之處于工作 狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于開始時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，如果有選手將搶答 按鍵按下時（如按下S5），經(jīng)過優(yōu)先編碼器（74LS148 ）編碼記錄下選手編號然 后送入鎖存器（74IS279 ）

6、鎖存，此時GS=1使得74ls279的第四套S端有效， 輸出為1,所以BI/RBO =1,譯碼器74LS48處于工作狀態(tài)，最后通過七段數(shù)碼 顯示器顯示選手編號（經(jīng)譯碼顯示為“5”）。此外，優(yōu)先編碼器（74IS148 ）的El= 1使其停止工作，其他選手再進(jìn)行搶答無效。顯示器顯示的為搶答成功的選手的編號，保證了搶答者的優(yōu)先性。若在規(guī)定時間內(nèi)沒有選手進(jìn)行搶答則計數(shù)部 分高位片產(chǎn)生借位信號，借位信號使得優(yōu)先編碼器（74IS148 ）的始能端EI=1， 時期停止工作，即使有選手按鍵也為無效，保證了選手只能在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行 搶答。第一輪搶答結(jié)束后，主持人將開關(guān)置“清零”端，使得鎖存器R端均為零, 則第

7、四套鎖存器輸出為0,使得BI/RBO=0,譯碼器（74IS48 ）不工作，顯示器熄 滅，最后進(jìn)行下一輪的搶答。搶答電路圖如下：VCC5V74LS279DSs RU3A4 J9匚= Space0174LS148D?t3loklRPACK7R12180 |?3111954wOmABCD TRU274LS48D74LS279DU40123456743k- R?QoklU3B八、U5AI 74LS00DR6 -0k|?VCC5VJ4Key = DKey = E2. 倒計時電路該部分電路主要實現(xiàn)倒計時的功能， 并能夠在選手搶答之后停止倒計時，在 規(guī)定時間內(nèi)無人搶答后保持00狀態(tài)。主要由555定時器秒脈沖

8、產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計數(shù)器74LS192減法計數(shù)電路、74LS48D譯碼電路和2個7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。其工作過程 是：當(dāng)主持人按下開始搶答按鈕后，開始工作，并置入預(yù)置的時間，即進(jìn)行30s倒計時。當(dāng)有人搶答或者是30秒倒計時完成時，計時停止。兩塊 74LS192實現(xiàn) 減法計數(shù)，通過譯碼電 74LS48D顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路 提供。74LS192的預(yù)置數(shù)控制端實現(xiàn)預(yù)置數(shù) 30s，計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電 路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù) 碼顯示管上，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時，

9、輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。倒計時電路圖：minI 1 I I I I IU9R14180 |?74LS48DABCDOBR/U6R1015k|?R11 68k|?C1=100 nF秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計2105 41 i r911OG3RPACK 774LS48DU7TBBABCDQQQ Q74LS192DABCDTSS4U10U11VCC5VVCC5VA1VCCRSTOUTDISABCDQ QQ Q74LS192DABCD7 12 6OBNWOD* pu八OBDnLCdol ABCD119C2二二 10 nFTHRTRICONGND4555_VIRTUAL

10、U13A 74LS04DDnLCNWOD 人pu*U12A74LS11DDIS* TH* CO*-*I 廠 i 87651234+1111圖附2-7 555定時器引 腳圖共陰扱；按公共接地踹圖附2-6共陰數(shù)碼管引為了準(zhǔn)確地計時，設(shè)計中不能缺少秒脈沖產(chǎn)生電路，即能產(chǎn)生周期為一秒的 脈沖的電路,用555設(shè)計的秒脈沖產(chǎn)生電路。因為周期為一秒，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時間分別是：t仁R2X C1X ln2 0.7R2 X C.t2=(R1+R2) X CX ln2 0.7(R1+R2)C.所以555的3端輸出的頻率為：f=1/(t1+t2)1.43/(2R1+R2)C我們采用的電阻和電容值分

11、別是：R仁15, R2=64, C1= 10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖3. 報警電路此部分電路主要功能是實現(xiàn)報警功能，當(dāng)主持人按下開始鍵或者有選手搶答 或者在規(guī)定的時間內(nèi)無人搶答，則信號燈亮以示警報。這部分通過控制555多諧振蕩器的工作與否得到輸出信號的電平高低來控制信 號燈的亮滅。首先，當(dāng)主持人按下開關(guān)后 74IS00D輸出為高電平，振蕩器工作， 三極管導(dǎo)通，信號燈亮；同時利用兩片 74ls160芯片構(gòu)成計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)滿三十 秒后使得三極管導(dǎo)通，即三十秒內(nèi)沒有選手搶答信號燈亮；當(dāng)有選手搶答時，三 極管導(dǎo)通，信號燈亮。電路圖如下：J二占丄1 T TTJr二-QBQCQD-ECDIHLUU

12、I74LS160I總體電路設(shè)計搶答器的使用原理。首先是各個選手分別對應(yīng)的按鈕編號是 S0 S1、S2、S3、S4 S5、S6 S7, 搶答后顯示器上顯示的分別是 0、1、2、3、4、5、6、7。然后是主持人對整個電路系統(tǒng)清零，將開關(guān)置于“清零”的位置，輸出低電 平，分為兩路：一路與74LS279的R端相連,搶答部分顯示器滅燈無顯示，實現(xiàn) 了清零；另一路低電平輸出到計數(shù)器 74LS192的LD端，而CR端也是低電平，所 以使得對應(yīng)顯示器輸出預(yù)置的數(shù)據(jù)。接下來主持人根據(jù)題目的難易程度設(shè)置搶答時間， 此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入 兩片74LS192的四個輸入端D C、B、A的高低電平來進(jìn)行（例如要設(shè)定時間

13、為 30秒,就將十位的74192的DCB、A分別置位為0、0、1、1,而將各位的74LS192 的D C B A都置于0）。當(dāng)主持人宣讀完題目說“開始”并將開關(guān)置于“開始” 位置后，輸出為高電平，此高電平有兩路方向：一路輸出到74LS192的LD端，使其處于高電平而開始減計數(shù)；一路輸出到74LS192的R端。當(dāng)任意一個選手搶答時，例如7號搶答時，八位優(yōu)先編碼器74LS148編碼輸 出的A2A0成為與輸入信號相對應(yīng)的三位二進(jìn)制碼000,作用于RS觸發(fā)器74LS279的S端，輸出端分別為1111，輸出到七段譯碼顯示器 74LS48的二進(jìn)制碼經(jīng)其譯碼后輸出到七段共陰數(shù)碼管上，則顯示器上顯示對應(yīng)的編號

14、 7。此時，74LS48的RI/RBO端輸出高電平加一非門與 74LS192的借位輸出端BC也輸出高電平同時加與非門，高電平作用于 74LS148的選通輸入端EI，其他選手若再按 動對應(yīng)按鈕也無對應(yīng)輸出，即實現(xiàn)了搶答功能；同時， 74LS48的RI/RBO端經(jīng)非 門輸出電平由高變低，與秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖相與后輸出為0,使得無脈沖抵達(dá)計數(shù)器74LS192的Down端。計數(shù)器停止工作，保持原來顯示不變，即實 現(xiàn)了暫停減計數(shù)使其記錄搶答時間的功能；總的電路圖設(shè)計過程中的問題及解決方案:在開始的時候遇到了很多問題。首先要面對的問題是 multisim這一軟件的使 用，因為以前沒有接觸過這一軟件，

15、所以開始的時候根本就不會用，特別是一些 元器件的查找更是困難，有的元件根本就找不到。后來通過通過同學(xué)之間的討論還有查閱一些書籍以及慢慢的熟悉逐步掌握了元件庫的分類和查找方法。電路圖設(shè)計軟件使用方法掌握之后就開始設(shè)計電路，問題也跟著來了，首先是搶答器的 設(shè)計，在清零的功能設(shè)計上出現(xiàn)了很多方案，但是最終還是使用了BI/RBO的的功能清零，因為這種方法比較可靠，不需要其他額外的條件即可滿足設(shè)計要求， 但是還是存在一點問題就是當(dāng) 74IS279如果出現(xiàn)RS端均為零則會使得輸出不穩(wěn) 定，對元器件會有一定的損害；其次在計數(shù)方面也出現(xiàn)了問題，就是根據(jù)555計數(shù)器的脈沖周期算出來的時間在運行時延時了很多，最終

16、通過修改步長解決了這一問題；最后在報警器設(shè)計方面，為了實現(xiàn)題目中的要求，開始考慮的是跟計 時器共用一套計數(shù)器和555觸發(fā)器，但是在想了很長時間之后還是放棄了這一思 想，因為既要保證計數(shù)器正常工作，同時還要保證報警裝置報警時間非常短， 同 時計數(shù)的條件和報警條件也存在差異，所以實現(xiàn)起來就會很困難。最后通過討論， 決定再加一套計數(shù)器來控制報警裝置，并共用555觸發(fā)器，用以保證計時的同步， 實現(xiàn)預(yù)定時間內(nèi)無人搶答后報警。 但是，即使這樣還是存在一些問題，由于對蜂 鳴器工作原理的利用不夠熟練，所以開始用蜂鳴器不能實現(xiàn)報警功能， 最后我們 用信號燈代替了蜂鳴器來實現(xiàn)報警功能。用到的主要芯片功能簡介：74

17、LS148引腳圖UccGs 321074LS14374LS148真值表如下圖:輸入輸出I SI 011I 2I 3I 4I 5I 6I 7丫2Y1Y0YexYs1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X0111111110010011111111110174LS148的輸入端和輸出端低電平有效。10 是輸入信號，丫2 丫。為三位 二進(jìn)制編碼輸出信號，1 S = 1時，編碼器禁止編碼，當(dāng)1 S = 0時，允許編碼

18、。Ys 是技能輸出端，只有在IS二0,而I0I7均無編碼輸入信號時為0。丫EX為優(yōu)先 編碼輸出端，在Is = 0而I0I7的其中之一有信號時，Yex = 0。丨07各輸入 端的優(yōu)先順序為：17級別最高，丨。級別最低。如果17 = 0 （有信號），則其它輸 入端即使有輸入信號，均不起作用，此時輸出只按 17編碼，丫2 丫1 丫0 = 000。74IS279:74LS279引腳圖74LS279真值表RSQ+1狀態(tài)XXQ保持00不允許010清0101置111Q保持二進(jìn)制譯碼器是將輸入的二進(jìn)制代碼的各種狀態(tài)按特定含義翻譯成對應(yīng)輸出信號的電路。也稱為變量譯碼器。若輸入端有 n位，代碼組合就有2n個，當(dāng)然

19、可譯出2n個輸出信號。字符顯示器：分段式顯示是將字符由分布在同一平面上的若干段發(fā)光筆劃 組成。電子計算器，數(shù)字萬用表等顯示器都是顯示分段式數(shù)字。而LED數(shù)碼顯示器是最常見的。通常有紅、綠、黃等顏色。LED的死區(qū)電壓較高，工作電壓大約 1.53V,驅(qū)動電流為幾十毫安。74LS47譯碼驅(qū)動器輸出是低電平有效，所以配 接的數(shù)碼管須采用共陽極接法；而74LS48譯碼驅(qū)動器輸出是高電平有效，所以, 配接的數(shù)碼管須采用共陰極接法。七段顯示譯碼器74IS48輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極顯示器。該集成 顯示譯碼器設(shè)有多個輔助控制端，以增強(qiáng)器件的功能。七段顯示譯碼器一般與七 段數(shù)碼顯示器相連，共同構(gòu)成四輸入端

20、的數(shù)碼顯示電路。圖 附2-5 74LS48弓I腳圖共陰極數(shù)碼顯示器的功能表十進(jìn)制DCBAabcdefg00000111111010001011000020010110110130011111100140100011001150101101101160110001111170111111000081000111111191001111001174LS48除了有實現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA ）和輸出（Ya Yg）端外，7448還引入了燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI）,以及 既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。由7448 真值表可獲知744

21、8所具有的邏輯功能：（1）7段譯碼功能（LT=1, RBI=1 ）在燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸 入端（RBI ）都接無效電平時，輸入 DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7 段字符顯示器的驅(qū)動信號，顯示相應(yīng)字符。除 DCBA = 0000夕卜，RBI也可以接 低電平，見表1中116行。（2）消隱功能（BI=0）此時BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號 時，表1倒數(shù)第3行，無論LT和RBI輸入什么電平信號，不管輸入 DCBA為 什么狀態(tài)，輸出全為“ 0” 7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動態(tài)顯 示。（3） 燈測試功能（LT = 0）此時BI/RBO端作為輸出端， 端輸入低電平信 號時，表1最后一行，與及DCBA輸入無關(guān)，輸出全為“1”顯示器7個字段 都點亮。該功能用于7段顯示器測試，判別是否有損壞的字段。（4）動態(tài)滅零功能（LT=1，RBI=1）此時BI/RBO端也作為輸出端，LT端輸入 高電平信號，RBI端輸入低電平信號，若此時 DCBA = 0000，表1倒數(shù)第2行, 輸出全為“ 0”，顯示器熄滅，不顯示這個零。