多路智能競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 多路智能競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì) 初始條件： 優(yōu)先編碼器 74LS148 RS鎖存器 74LS279 顯示譯碼器 74LS47 定時(shí)芯片 555 計(jì)數(shù)器 74LS192 74LS90 與門 74LS08或門 74LS32與非門 74LS00 七段數(shù)碼管 、蜂鳴器、電容電阻若干 要求完成的主要任務(wù):1. 基本功能 設(shè)計(jì)一個(gè)智力競(jìng)賽搶答器，可以同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)參加比賽，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S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。給

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（編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始。搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能。搶答開始，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖存，并在LED數(shù)碼管上顯示出選手的編號(hào)，同時(shí)揚(yáng)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(hào)一直保持到系統(tǒng)清零為止。2. 擴(kuò)展功能 搶答器具有定時(shí)搶答的功能，且一次搶答的時(shí)間可以由主持人設(shè)定，檔節(jié)目主持人按下“開始”按鈕后，要求定時(shí)器立即倒計(jì)時(shí)，并在顯示器上顯示，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫聲響，聲響持續(xù)0.5S左右。參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)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)刻的時(shí)間，并保持到主持人

3、將系統(tǒng)清零為止。如果定時(shí)搶答時(shí)間已到，去沒有選手搶答，則本次搶答無(wú)效，系統(tǒng)短暫報(bào)警，并封存輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器上顯示00。時(shí)間安排：7.4： 理論設(shè)計(jì)7.57.6：安裝調(diào)試或仿真7.7： 撰寫報(bào)告7.9： 答辯指導(dǎo)教師簽名： 2011年 7月 1日系主任簽名： 2011年 7 月 1 日 目 錄1. 多路智能競(jìng)賽搶答器原理與設(shè)計(jì)11.1搶答器原理11.2總體方案設(shè)計(jì)11.3電路原理設(shè)計(jì)21.3.1 八路搶答電路設(shè)計(jì)2定時(shí)電路設(shè)計(jì)52. Multisim仿真與制作122.1搶答仿真122.2定時(shí)搶答仿真142.3仿真結(jié)果分析162.4總電路圖173. 結(jié)與體會(huì)184.元件清單

4、19參考文獻(xiàn)201. 多路智能競(jìng)賽搶答器原理與設(shè)計(jì)1.1搶答器原理?yè)尨鹌骰驹砜驁D如下圖1-1所示：搶答按鈕鎖存電路譯碼顯示清零按鈕復(fù)位控制電路圖 1-1搶答者按下?lián)尨鸢粹o后，啟動(dòng)鎖存電路，鎖存最先搶答者搶答成功的狀態(tài)，并阻止其他選手的搶答。譯碼顯示電路將搶答的結(jié)果譯碼顯示出來。清零按鈕按下后，電路復(fù)位回初始狀態(tài)后，可以進(jìn)行下一輪的搶答。1.2總體方案設(shè)計(jì)第一種方案： 第一種方案流程圖如下圖1-2所示：搶答按鈕鎖存器編碼器譯碼顯示控制電路聲響電路定時(shí)電路譯碼顯示圖 1-2主持人控制開關(guān)搶答按鈕連接控制電路，搶答開始，有選手按下?lián)尨鸢粹o后，控制電路是鎖存器鎖存各個(gè)搶答路的電平高低，從而鎖存了第

5、一位搶答者的搶答信號(hào)，同時(shí)切斷其他搶答者的搶答信號(hào)，阻止其他選手的搶答。編碼器將搶答結(jié)果譯成二進(jìn)制數(shù)送給下一級(jí)譯碼顯示電路，譯碼顯示電路顯示搶答成功者的號(hào)碼。聲響電路可以發(fā)出提醒聲響，定時(shí)電路有定時(shí)搶答功能，并能顯示倒計(jì)時(shí)的時(shí)間。該方案滿足設(shè)計(jì)的功能要求，但是用鎖存器鎖存搶答結(jié)果這一思路有缺陷，就是可能有兩個(gè)選手搶答時(shí)間間隔很小，兩路的搶答信號(hào)同時(shí)鎖存了起來，導(dǎo)致編碼器編碼出錯(cuò)，下一級(jí)譯碼顯示電路不能顯示搶答結(jié)果。第二種方案：第一種方案流程圖如下圖1-3所示： 圖1-3第二種方案的原理和第一種方案基本一樣，只是在第一種方案上做了改進(jìn)，在鎖存器和搶答按鈕之間增加了優(yōu)先編碼器，避免了多路的搶答信號(hào)

6、同時(shí)被鎖存，編碼器編碼出錯(cuò)，下一級(jí)譯碼顯示電路不能顯示搶答結(jié)果的情況。綜合兩種方案，故選擇第二種方案。1.3電路原理設(shè)計(jì) 八路搶答電路設(shè)計(jì)該部分用到的芯片有74LS47、74LS279、74LS148，其引腳圖和邏輯圖如下：74LS47的電路符號(hào)和引腳圖如下圖1-4：圖1-4 74LS47的邏輯圖如下圖1-5： 圖1-574LS279的引腳圖和邏輯圖如下圖1-6：圖 1-674LS148的引腳圖如下圖1-7： 圖 1-774LS148的邏輯圖如下圖1-8：圖 1-8電路原理圖如下圖1-9： 電路搶答部分選用優(yōu)先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS297 來完成。該電路主要完成兩個(gè)功能：一

7、是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無(wú)效。工作過程：開關(guān)S置于“斷開”時(shí)，RS觸發(fā)器的 R端均置0，4個(gè)觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端引腳5電平為0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于"開始"時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時(shí)（如按下S5），74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后，2Q2=1，BI/RBO =1，七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài)，DCBA=0101，經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，2Q21，使74LS148 優(yōu)先編碼引腳5工作標(biāo)

8、志端EI，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(shí)，74LS148的 此時(shí)由于仍為2Q21，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端引腳5電平為1，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，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“清除”然后再進(jìn)行下一輪搶答。 圖1-9定時(shí)電路設(shè)計(jì)該部分用到的芯片除74LS47外、還用到74LS192、74LS90、LM555。74LS192引腳圖如下圖1-10：圖1-1074LS192的邏輯圖如下圖1-11：圖 1-1174LS90的引腳圖和邏輯圖如下圖1-12：圖 1-12定時(shí)芯片LM555引腳圖如下圖1-13： 圖 1-1

9、3另外用到的或門芯片74LS32，或門芯片74LS08，或非門芯片74LS00引腳圖如下： 圖1-15 74LS08引腳圖圖1-14 74LS32引腳圖圖1-16 74LS00引腳秒脈沖的產(chǎn)生電路如圖1-17所示，由LM555構(gòu)成的多諧振蕩器構(gòu)成。脈沖頻率計(jì)算：如右邊電路圖，R15=10k，R16=68k，C1=10uF，圖 1-17f=1/0.7×（10k+2×68k）×10×10-61S。周期1S的時(shí)鐘脈沖經(jīng)右圖的U12A（74LS00）和U12D(74LS00)送到74LS192的4引腳（DOWN），使74LS192減計(jì)數(shù)，達(dá)到倒計(jì)時(shí)的效果。U12

10、A（74LS00）或非門的另一個(gè)輸入端接秒十位74LS192的13引腳（BO）。如果定時(shí)搶答時(shí)間已到而沒有選手搶答，13引腳（BO）輸出低電平，LM555的時(shí)鐘脈沖不能通過U12A（74LS00），74LS192由于沒有時(shí)鐘脈沖輸入，停止減計(jì)數(shù)，時(shí)間顯示靜止不動(dòng)。如果中途有選手搶答，U2B（74LS279）的13引腳（2Q2）輸出高電平，經(jīng)U12C(74LS00)反向成低電平0輸入U(xiǎn)12D(74LS00)的其中一端，使時(shí)鐘脈沖不能通過U12D(74LS00)，74LS192由于沒有時(shí)鐘脈沖輸入，停止減計(jì)數(shù)，時(shí)間顯示靜止不動(dòng)。本設(shè)計(jì)增加了可設(shè)定定時(shí)長(zhǎng)短的電路，由兩片74LS90構(gòu)成的加計(jì)數(shù)器，電

11、路如下圖1-18。. 圖 1-18J10為清零按鈕，按下后74LS90的R01、R02、R91、R92置低電平，兩個(gè)74LS90清零。J1為加時(shí)間按鈕，按下后給U14(74LS90)的14引腳（INA）下降沿，計(jì)數(shù)加一。此時(shí)支持人的S1處于停止?fàn)顟B(tài)，U19和U10的11引腳（LOAD）為低電平，QAQD分別等于U13和U14的QAQD，數(shù)碼管顯示的是正在設(shè)定的時(shí)間是多少。S1撥到開始狀態(tài)后，LOAD置高電平，U9和U10從開始前顯示的時(shí)間開始倒計(jì)時(shí)。S1再次撥到停止位時(shí)，時(shí)間復(fù)位到原來設(shè)定的時(shí)間數(shù)。 定時(shí)電路總的電路圖如下圖1-19所示： 圖 1-19該部分主要由555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十

12、進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192減法計(jì)數(shù)電路、74LS48譯碼電路和2個(gè)7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。兩塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74192的預(yù)置數(shù)由兩個(gè)74LS90構(gòu)成的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)，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(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，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)工作，并將時(shí)間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管DPY_7-SEG 上，當(dāng)有人搶答時(shí)，停止計(jì)數(shù)并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒有人搶答，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)， 輸出低電平到時(shí)序控制電路，控制報(bào)警電路報(bào)警

13、，同時(shí)以后選手搶答無(wú)效。聲響電路如下圖1-20所示，主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74121和蜂鳴器組成。蜂鳴器接上電源就能發(fā)出聲音，相比于使用揚(yáng)聲器而言，省去了音頻振蕩電路，使電路更加簡(jiǎn)單可靠。其中R18=100K、C15=10uF，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)后的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間大約是0.5S，也就是蜂鳴器持續(xù)發(fā)出聲響時(shí)間是0.5S。 SN74121引腳圖和邏輯圖如下圖1-21： 圖 1-21SN74121的5引腳（B）接S1的一端，當(dāng)S1撥向開始后，5引腳（B）電平變高電平，有一個(gè)上升沿，觸發(fā)器觸發(fā)，蜂鳴器發(fā)出聲響。U18A(74LS08)輸出端接SN74121的3引腳（A1），輸入端接U3(74LS148)的

14、14引腳（GS），搶答開始后，SN74121的5引腳（B），4引腳（A2）為高電平，當(dāng)有選手按下按鈕后，U3(74LS148)的14引腳（GS）輸出一個(gè)負(fù)脈沖，觸發(fā)器觸發(fā)，蜂鳴器發(fā)出聲響。與門U18A(74LS08)起到時(shí)延的作用，保證電路的時(shí)序的正確性，使電路能正常工作。SN74121的4引腳（A2）接秒十位的74LS192的13引腳（BO），沒有選手搶答時(shí)，當(dāng)定時(shí)搶答時(shí)間到時(shí)， SN74121的5引腳（B），3引腳（A1）為高電平，秒十位的74LS192的13引腳（BO）輸出低電平，使SN74121的4引腳（A2）有一個(gè)下降沿，觸發(fā)器觸發(fā)，蜂鳴器發(fā)出聲響。電路圖中的DCD_BARGRAPH

15、作用是仿真時(shí)能看到蜂鳴器兩端電壓的高低，用于辨別蜂鳴器是否發(fā)出聲音。搶答器用的是七段共陽(yáng)的數(shù)碼管，其原理圖和引腳圖如下圖1-22： 圖 1-222 Multisim仿真與制作2.1搶答仿真1.主持人開關(guān)S1置于停止位時(shí)，按下其中一個(gè)搶答按鈕。效果截圖如下圖2-1： 圖2-1可以看到支持人把S1停止位，選手搶答無(wú)效，數(shù)碼管保持滅燈。2.主持人開關(guān)S1置于開始位后，先按下其中一個(gè)搶答按鈕J2，隨后按下另外任一搶答按鈕。效果截圖如下圖2-2： 圖 2-2數(shù)碼管顯示“2”，按下另一搶答按鈕后，數(shù)碼管示數(shù)不變，具有禁止其他選手搶答的功能。DCD_BARGRAPH亮，說明搶答成功后有聲響提示，提示時(shí)間約0

16、.5S。3.主持人開關(guān)S1置于開始位后，先按下其中一個(gè)搶答按鈕J5，隨后按下另外任一搶答按鈕。效果截圖如下圖2-3： 圖 2-3數(shù)碼管顯示“5”，按下另一搶答按鈕后，數(shù)碼管示數(shù)不變，具有禁止其他選手搶答的功能。DCD_BARGRAPH亮，說明搶答成功后有聲響提示，提示時(shí)間約0.5S。4.主持人開關(guān)S1置于開始位后，先按下其中一個(gè)搶答按鈕J7，隨后按下另外任一搶答按鈕。效果截圖如下圖2-4： 圖 2-4數(shù)碼管顯示“7”，按下另一搶答按鈕后，數(shù)碼管示數(shù)不變，具有禁止其他選手搶答的功能。DCD_BARGRAPH亮，說明搶答成功后有聲響提示，提示時(shí)間約0.5S。2.2定時(shí)搶答仿真1.主持人開關(guān)S1置于

17、停止位后可以設(shè)置定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，按下其中J11，設(shè)定時(shí)間加1，按J11十次后，效果截圖如下圖2-5。主持人開關(guān)S1置于開始位，定時(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)到4秒，仿真如下圖2-6。圖 2-6 倒計(jì)時(shí)到4秒圖 2-5 設(shè)定定時(shí)10秒圖 2-5從仿真效果可以看出定時(shí)電路有倒計(jì)時(shí)的功能并且可設(shè)定定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短。選手編號(hào)定時(shí)顯示2.沒有選手搶答，定時(shí)搶答時(shí)間已到后，仿真效果如圖2-7。倒計(jì)時(shí)顯示選手編號(hào)圖 2-7聲響 倒計(jì)時(shí)停止在“00”不動(dòng)，DCD_BARGRAPH亮，說明倒計(jì)時(shí)到后有聲響提示。選手編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈。如果定時(shí)搶答時(shí)間已到，去沒有選手搶答再按下其中任一個(gè)搶答按鈕，超時(shí)搶答，仿真效果如下圖2

18、-8。圖 2-8選手編號(hào)數(shù)碼管仍是滅燈狀態(tài)，封存了輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答。3.倒計(jì)時(shí)到6秒時(shí)，3號(hào)選手搶答，仿真效果如下：圖2-9 顯示選手編號(hào)為“3”圖2-10 倒計(jì)時(shí)停止在“06”圖2-11 聲響電路發(fā)出音響提示2.3仿真結(jié)果分析綜合上述仿真的結(jié)果，電路具有的功能：同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)參加比賽，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；設(shè)有一個(gè)控制開關(guān)S1，用來控制系統(tǒng)的清零（編號(hào)顯示數(shù)碼管滅燈）和搶答的開始；搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存和顯示功能。搶答開始，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖存，在數(shù)碼管上顯示選手的編號(hào)，同時(shí)有音響提示。封存輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到系統(tǒng)清零為止。搶答器具有定時(shí)搶答的功能，搶答的時(shí)間可以設(shè)定，S1置于開始位后，定時(shí)器立即倒計(jì)時(shí)，并在顯示器上顯示，同時(shí)發(fā)出短暫聲響，聲響持續(xù)0.5S左右。參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)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)刻的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果定時(shí)搶答時(shí)間已到，去沒有選手搶答，則本次搶答無(wú)效，系統(tǒng)短暫報(bào)警，并封存輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器上顯示00。 整個(gè)設(shè)計(jì)既完成了基本功能部分，又完成了擴(kuò)展功能部分。2.4總電路圖