智力競賽搶答器邏輯電路設(shè)計

1、電路設(shè)智力競賽搶答器邏輯計1.1 設(shè)計背景 在許多比賽活動中，為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第 一搶答者，通常設(shè)置一臺搶 答器，通過數(shù)顯、燈光及音響等 多種手段指示出第一搶答者。 同時還可以設(shè)置記分、 犯 規(guī)及 獎勵記錄等多種功能。 該設(shè)計就是針對上述各種要求設(shè)計出 的供 6 名選手參賽使用的數(shù)字式競賽搶答器。 數(shù)字搶答器由 主體電路與擴展電路組成。 優(yōu)先編碼電路、鎖存器、 譯碼電路 將參賽隊的輸入信號在顯示器上輸出；用控制電路和主持 人開關(guān)啟動報警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時 電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號在顯示器 上輸出實現(xiàn) 計時功能， 構(gòu)成擴展電路。經(jīng)過布線、 焊接、調(diào)試等工作

2、后， 數(shù)字搶答器成形 。1.2 設(shè)計任務(wù)與要求1）設(shè)計一個至少可供 6 人進行的搶答器。（2）系統(tǒng)設(shè)置復(fù)位按鈕，按動后，重新開始搶答。（3）搶答器開始時數(shù)碼管無顯示，選手搶答實行優(yōu)先鎖存， 優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。顯 示優(yōu)先搶答者序號并且不出現(xiàn)其他搶答者的序號。（4）搶答器具有定時搶答功能， 且一次搶答的時間有主持人 設(shè)定，本搶答器的時間設(shè)定為 60 秒，當(dāng)主持人啟動“開始” 開關(guān)后，定時器開始減計時。當(dāng)設(shè)定的時間到，而無人搶答 時，本次搶答無效，報警發(fā)出聲音，并禁止搶答。（5）設(shè)定的搶答時間內(nèi)，選手可以搶答，這時定時器停止 工作，顯示器上顯示選手的號碼和搶答時間。并

3、保持到主持 人按復(fù)位鍵。2 總體設(shè)計方案2.1方案選擇方案一采用74LS148尤先編碼器分辨選手搶答的先后，并通 過RS鎖存器74LS279鎖存搶答者的編號，再經(jīng)過74LS48芯片譯 碼驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示。方案二采用CC4067乍為編碼電路的核心元件，當(dāng)有選手搶答時 輸出四位相應(yīng)的8421BC碼即可同時供16位選手搶答。經(jīng) CC451七段譯碼器譯碼后驅(qū)動共陰極數(shù)碼管顯示，同時利用 CD406組成一個多諧振蕩器，作為十進制計數(shù)器 CC4510勺CP 脈沖使其計數(shù)并與D觸發(fā)器CD401完成自動鎖存的功能。結(jié)論：與方案二相比，方案一使用的芯片少、電路簡單 且同樣能實現(xiàn)其功能，故選用方案一。2.2數(shù)

4、字搶答器總體方框圖定時搶答器的總體框圖如圖1所示。其主要由主體電路 和擴展電路兩部分組成。主體部分完成基本的搶答功能，即 開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號。同 時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴展電路完成定時 的搶答功能。秒脈圖沖 屮示定時搶器的工作過程是：接通電示咯|節(jié)目支 持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)， 編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定的時間，當(dāng)主持持人宣布 搶答題目后，說一聲“搶答開始”，同時將控制開關(guān)撥到“開始”位置，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時，當(dāng)定時時 間到，卻沒有選手搶答時，輸入電路被封鎖，禁止選手超時 后搶答。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶

5、答鍵時，搶答器要完成 下面幾個工作：1優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由鎖存器進行 鎖存，然后有譯碼顯示電路顯示編號；2. 制電路要對輸入編碼電路進行封鎖，避免其他選手再次進 行搶答；3. 控制電路要使定時器停止工作，時間器上顯示搶答時間， 并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止，以便進行下一輪搶答。3系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計+5v13| I I I I IJ14U 10也A2 M AOLI s3.1搶答器電路R S2qST?|1474LS2T9DI-nTOST_ 74L514817 E 1514 G 12 IIIDpJ510A巧Yex ys圖2搶答電路參考電路如圖所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出 選手按

6、鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示 電路顯示編號； 二是禁止其他選手按鍵操作無效。 工作過程： 開關(guān)S置于"清除"端時，RS觸發(fā)器的 端均為0,4個觸發(fā) 器輸出置0,使74LS148的=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)，當(dāng)有選手將 鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后，1Q =1, =1, 74LS48處于工作狀態(tài)，4 Q3 Q2 Q=101,經(jīng)譯碼顯示 為"5 "。此外，1Q=1,使74LS148 = 1,處于禁止?fàn)顟B(tài)， 封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，

7、74LS148的 此時由于仍為1Q=1,使=1,所以74LS148仍處于禁止?fàn)?態(tài),確保不會出二次按鍵時輸入信號,保證了搶答者的優(yōu)先 性。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置 ？quot;清除" 然后再進行下一輪搶答。74LS148為8線3線優(yōu)先編碼器，3.2 定時電路圖 3 定時電路由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度,設(shè)定一次搶答的 時間,通過預(yù)置時間電路對計數(shù)器進行預(yù)置,計數(shù)器的時鐘 脈沖由秒脈沖電路提供?？深A(yù)置時間的電路選用十進制同步 加減計數(shù)器74LS192進行設(shè)計，具體電路如上圖所示。3.3 報警電路由 555 定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖所示。其中 555 構(gòu)成多諧振蕩

8、器, 振蕩頻率 fo = 1 43（ RI2R2） C, 其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當(dāng)PR為 高電平時,多諧振蕩器工作,反之,電路停振。圖 4 報警電路3.4 時序控制電路時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下三項 功能： 主持人將控制開關(guān)撥到 " 開始"位置時，揚聲器發(fā)聲， 搶答電路和定時電路進人正常搶答工作狀態(tài)。 當(dāng)參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和 定時電路停止工作。 當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器發(fā)聲，同 時搶答電路和定時電路停止工作。圖 5 搶答電路和定時電路停止工作根據(jù)上面的功能要求， 設(shè)計的時序控制電路如上圖所示。

9、圖中，門G1的作用是控制時鐘信號 CR的放行與禁止，門G2 的作用是控制74LS148勺輸人使能端。圖11、4的工作原理是： 主持人控制開關(guān)從 " 清除" 位置撥到 "開始 "位置時，來自于圖 11、2中的74LS279勺輸出1Q=0,經(jīng)G3反相，A = 1,則時鐘 信號CR能夠加到74LS192的CPD寸鐘輸入端，定時電路進行遞 減計時。同時，在定時時間未到時，則 " 定時到信號 " 為 1 ， 門G2的輸出=0，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)功 能的要求。 當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時， 1Q= 1，經(jīng) G3反相，A

10、 = 0, 封鎖CP信號，定時器處于保持工作狀態(tài)； 同時，門G2的輸出=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，從而實 現(xiàn)功能的要求。當(dāng)定時時間到時，則"定時到信號"為0, =1， 74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進行搶答。同時，門G1處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖CP信號，使定時電路保持00狀態(tài)不變， 從而實現(xiàn)功能的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報 警電路及發(fā)聲的時間。3.5相關(guān)元器件的介紹該設(shè)計用到較多集成電路電路芯片，在此給出其管腳圖 和部分功能介紹。74LS279RS鎖存器，當(dāng)R=1, S=0時，輸出為；當(dāng)R=1S=1 時，鎖存器具有保持功能，將輸出一直保持為

11、1,達(dá)到鎖存 的目的。表1 174LS279鎖存器功能3.5.2 74LS148下圖為 紹，ST為使能端， 當(dāng)無輸入時， YEX=Q其功能真表 2 74LS148輸入輸出SiS2RQQQ1Q1QX11XQ1Q11Q沒改變11174LS148的功能介控制芯片的工作；YEX=1有輸入時, 值表如下：功能表輸出輸入IN 0 INi IN 2 IN 3 IN 4 IN 5 IN 6 IN 7Y2 Y1 Yo1X X X X X X X X1 111101 1 1 1 1 1 11 111100X X X X X X 00 00010X X X X X X 00 001110X X X X X 0 1

12、10 10010X X X X 0 1 10 101110X X X 0 1 1 11 001010X1X01111110010X01111111010100111111110111譯碼器圖6 74LS48譯碼器管腳分布圖原理說明：開關(guān)S置于"清零"端時，RS觸發(fā)器的輸入端F均為0,4 個觸發(fā)器輸出置0,使74LS279中 BI/RBO = 0 , AAAA=OOOO,使之處于鎖存狀態(tài)。74LS279不工作，輸出全為 0。當(dāng)開關(guān)S置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有 選手將鍵按下時（如按下S5）, 74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后， 1Q=1,

13、%=1,74LS48處于工作狀態(tài)，4 Q3 Q2 Q=101，即 74LS279 輸入端 AAAA=0101 , 經(jīng) 74LS279后輸出 YgYfYeYdYcYbYa=110110經(jīng)譯碼顯示為"5"。3.5.4 555 定時器555定時器是一種多用途的數(shù)字/模擬混合集成電路，具 有開關(guān)特性，可以構(gòu)成各種單元脈沖電路圖 7 555 定時器引腳圖4 系統(tǒng)仿真與測試4 .1 Protues 的基本操作方法 元件選用：打開元件庫欄，移動鼠標(biāo)到需要的元件圖形 上，按下左鍵，將元件符號拖拽到工作區(qū)。元件的移動、旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)制和刪除：用鼠標(biāo)單擊元 件符號選定，用相應(yīng)的菜單、工具欄，或

14、單擊右鍵激活彈出 菜單，選定需要的動作。元器件參數(shù)設(shè)置：雙擊元件，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。 導(dǎo)線的連接：要包括導(dǎo)線的連接、彎曲導(dǎo)線的調(diào)整、導(dǎo) 線顏色的改變及連接點的使用。連接：鼠標(biāo)指向一元件的端點，出現(xiàn)小圓后，按下左鍵 并拖拽導(dǎo)線到另一個元件的端點， 出現(xiàn)小圓后松開鼠標(biāo)左鍵。刪除和改動：選定該導(dǎo)線，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選 delete 。或者用鼠標(biāo)將導(dǎo)線的端點拖拽離開它與 元件的連接點。4.2 仿真步驟（ 1）根據(jù)自己所畫好的電路圖， 在 protues 元器件庫選 擇相應(yīng)的元器件。（2）用導(dǎo)線將元器件按圖連接好。（3）將元器件相應(yīng)參數(shù)設(shè)置好。（4）進行電路仿真，根據(jù)仿真修改相應(yīng)的參數(shù)。4.3

15、仿真結(jié)果及分析總體電路圖 8 電路總體仿真圖搶答電路圖9 搶答電路仿真圖定時器圖10 定時電路仿真圖仿真開始圖11 仿真開始電路仿真倒計時圖12 仿真倒計時中選手搶答，顯示選手位置，定時器停止工作圖13 搶答定時5 安裝與調(diào)試5.1 安裝為了方便，選擇用面包板來實現(xiàn)所設(shè)計的系統(tǒng)，面包板 是專為電子電路的無焊接實驗設(shè)計制造的。由于各種電子元 器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，節(jié)省了電路 的組裝時間，而且元件可以重復(fù)使用，所以非常適合電子電 路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。安裝分立元件時，為了便于看到其極性和標(biāo)志，將元件 引腳理直后， 在需要的地方折彎。 為了防止裸露的引線短路， 必須使用帶套管的導(dǎo)

16、線，一般需剪斷元件引腳，因為這樣， 元件才會插得穩(wěn)且牢固，但是為了防止插錯時要二次使用， 故引腳不宜剪得過短。一般不要插入引腳直徑 0.8mm 的元 器件，以免破壞插座內(nèi)部接觸片的彈性。對多次使用過的集成電路的引腳，必須修理整齊，引腳 不能彎曲，所有的引腳應(yīng)稍向外偏，這樣能使引角與插孔可 靠接觸。要根據(jù)電路圖確定元器件在面包板上的排列方式， 目的是走線方便。為了能夠正確布線并便于查線，所有集成 電路的插入方向要保持一致，不能為了臨時走線方便或縮短 導(dǎo)線長度而把集成電路倒插。根據(jù)信號流程的順序，采用邊安裝邊調(diào)試的方法。元器 件安裝之后，先連接電源線和地線。為了查線方便，連線盡 量采用不同顏色。例

17、如：正電源一般采用紅色絕緣皮導(dǎo)線， 而負(fù)電源及接地一般采用黑色絕緣皮導(dǎo)線。 不通電檢查 電路安裝完畢后，不要急于通電，應(yīng)首先 認(rèn)真檢查接線是否正確， 包括多線、少線、錯線等，尤其是 電源線不能接錯或接反，以免通電后燒壞電路或元器 件。查 線的方式有兩種：一種是按照設(shè)計電路接線圖檢查安裝電路， 在安裝好的電路中 按電路圖一一對照檢查連線；另一種方法 是按實際線路，對照電路原理圖按兩個元件接 線端之間的連 線去向檢查。無論哪種方法，在檢查中都要對已經(jīng)檢查過的 連線做標(biāo)記， 使用萬用表檢查連線很有幫助。 直觀檢查 ：連線檢查完畢后，直觀檢查電源，元器 件接線端之間有無短路，連線 處有無接觸不良。 通

18、電檢查 ：把經(jīng)過準(zhǔn)確測量的電源電壓加入電路，電源接通之后不要急于測量數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，首先要觀察有 無異?，F(xiàn)象，包括有無冒煙、有無異常氣味、觸摸元件是 否 有發(fā)燙現(xiàn)象、電源是否短路等。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)立即切斷 電源，排除故障后可重新 通電。 分塊調(diào)試：包括測試和調(diào)整兩個方面。測試是在安裝后對電路的參數(shù)及工作狀態(tài)進行測量；調(diào)整則是在測試的基礎(chǔ)上對電路的結(jié)構(gòu)或參數(shù)進行修正，使之滿足設(shè)計要求。為了使測試能夠順利進行，設(shè)計的電路圖上應(yīng)標(biāo)出 各點的電位值，以及其他參考數(shù)值。調(diào)試過程中我們不能單 憑感覺和印象，要始終借助儀器觀察， 測試之前要熟悉各種儀器的使用方法，并仔細(xì)加以檢 查，避免由于儀器使用不當(dāng) 或

19、出現(xiàn)故障而作出錯誤判斷。 測試儀器和被測電路應(yīng)具有良好的共地，只有使儀器 和電路之間建立一個公共地 參考點，測試的結(jié)果才是準(zhǔn)確 調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)器件或接線有問題需要更換或修改時，應(yīng)關(guān)斷電源，待更換完 畢認(rèn)真檢查后方可重新通電。 調(diào)試過程中， 不但要認(rèn)真觀察和檢測， 還要認(rèn)真記錄。 包括記錄觀察的現(xiàn)象、測量的數(shù)據(jù)間關(guān)系，必要時在記錄中應(yīng)附加說明，尤其是 那些和設(shè)計不符合的現(xiàn)象更是要注意。6 收獲與體會這一次課程設(shè)計，它加深與鞏固了我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ) 課程，例如數(shù)電和模電，并將其綜合運用，提高了我們綜合 運用知識的能力還有就是將理論運用于實踐，另一方面，培 養(yǎng)了我們對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的趣；同時也提高了我們分析問題 的能力。這次課程設(shè)計的設(shè)計流程我采用分塊的設(shè)計順序，優(yōu)化 了設(shè)計流程使之更符合邏輯性。但是需要注意的是，在其中 每個環(huán)節(jié)必須認(rèn)真進行，如果某模塊電路沒有設(shè)計好，或者 存在錯誤，則總的電路必然會受到影響，所以在設(shè)計時應(yīng)該 考慮到實際情況。有時候會因為一個極小的疏忽而導(dǎo)致整個 電路無法運行，例如，在仿真過程中由于我忘記接地導(dǎo)致輸 出老是不對。另外，該課程設(shè)計也要求我具備扎實的理論知 識，剛開始由于理論知識掌握的不牢靠，在進行仿真設(shè)計時 也一度使我碰壁，浪費了很多時間，最后不得不捧著書本， 再把一些學(xué)的