多路智力競賽搶答器的課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 . PAGE14 / NUMPAGES14課程設(shè)計(jì)題目： 多路智力競賽搶答器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(shí)間的限制，到時(shí)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(gè)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(jì)是一個(gè)可供八個(gè)人搶答的多路搶答器。可以顯示優(yōu)先搶者的序號，幷同時(shí)有音響提示。幷具有倒計(jì)時(shí)功能。當(dāng)鎖定時(shí)間到了的時(shí)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(jì)要求:掌握搶答器的工作原理與其設(shè)計(jì)方法。1.基本功能

2、（1）設(shè)計(jì)一個(gè)智力競賽搶答器，可同時(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，按鈕的編號和選手的編號相對應(yīng)，分別是S0-S7。（2）給節(jié)目主持人設(shè)計(jì)一個(gè)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(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(shí)搶答的功能，且一次搶答的時(shí)間可以由主持人設(shè)定（如30S）。當(dāng)節(jié)

3、目主持人啟動“開始”鍵后，要求定時(shí)器立即減計(jì)時(shí)，并用顯示器顯示，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)時(shí)間0.5S左右。（2）參賽選手在設(shè)定的時(shí)間搶答，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）如果定時(shí)搶答的時(shí)間已到，卻沒有選手搶答時(shí)，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。設(shè)計(jì)原理與其框圖：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(shí)器開始倒計(jì)時(shí)，并且報(bào)警器工作（時(shí)間為一秒）。若選手在定時(shí)時(shí)間搶答，則通過優(yōu)先編碼器（74ls148）記錄下選手的編號并送入鎖存器（74ls

4、279）鎖存記錄，然后通過譯碼器（74ls48）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(jì)時(shí)器顯示剩余時(shí)間。與此同時(shí)時(shí)通過鎖存器的輸出信號讓計(jì)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(shí)時(shí)間沒有選手搶答則通過計(jì)時(shí)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（74ls48）停止工作，顯示選手編號的顯示器也停止工作。同時(shí)連接一個(gè)異步清零端用來清除計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間使之為00，555計(jì)時(shí)器由于RST端為低電平也停止工作，導(dǎo)致報(bào)警器和計(jì)時(shí)電路也停止工作。總體框圖如下：各部分電路的分析：搶答電路此部分電路主要的功

5、能是：（1）.實(shí)現(xiàn)8路選手搶答并鎖存優(yōu)先搶答的選手的編號，同時(shí)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(shí)間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(shí)，RS 觸發(fā)器的 R端均為0，4 個(gè)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(shí)，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(shí)（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（74ls279）鎖存，此時(shí)GS=1，使得74l

6、s279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（74ls148）的EI1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(shí)間沒有選手進(jìn)行搶答則計(jì)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（74ls148）的始能端EI=1，時(shí)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(shí)間進(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，則第四套鎖存器輸出為0，使得BI/RBO=0，譯碼器

7、（74ls48）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：2.倒計(jì)時(shí)電路該部分電路主要實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)的功能，并能夠在選手搶答之后停止倒計(jì)時(shí)，在規(guī)定時(shí)間無人搶答后保持00狀態(tài)。主要由555 定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器74LS192 減法計(jì)數(shù)電路、74LS48D 譯碼電路和 2 個(gè) 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(shí)間，即進(jìn)行30s倒計(jì)時(shí)。當(dāng)有人搶答或者是30秒倒計(jì)時(shí)完成時(shí)，計(jì)時(shí)停止。兩塊74LS192 實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過譯碼電74LS48D 顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。74LS192 的預(yù)置

8、數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)30s，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，同時(shí)以后選手搶答無效。倒計(jì)時(shí)電路圖:秒脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)圖 附2-6 共陰數(shù)碼管引腳圖圖 附2-7 555定時(shí)器引腳圖為了準(zhǔn)確地計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)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(jì)的秒脈沖產(chǎn)生電路。因?yàn)橹芷跒橐幻?，所以頻率是1赫茲。圖中電容的充放電時(shí)間分別是：t1=R2C1ln20.7R2C.t2=(R1+R2)

9、Cln20.7(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別是:R1=15K，R2=64K，C1=10uf,滿足上式，即得到的是秒脈沖3.報(bào)警電路 此部分電路主要功能是實(shí)現(xiàn)報(bào)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(shí)間無人搶答，則信號燈亮以示警報(bào)。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74ls00D輸出為高電平，振蕩器工作，三極管導(dǎo)通，信號燈亮；同時(shí)利用兩片74ls160芯片構(gòu)成計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)滿三十秒后使得三極管導(dǎo)通，即三十秒沒有選

10、手搶答信號燈亮；當(dāng)有選手搶答時(shí)，三極管導(dǎo)通，信號燈亮。電路圖如下：總體電路設(shè)計(jì)搶答器的使用原理。首先是各個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)了清零；另一路低電平輸出到計(jì)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(shí)間，此設(shè)定可以通過調(diào)節(jié)輸入兩片74LS192的四個(gè)輸入端D、C、B、A

11、的高低電平來進(jìn)行（例如要設(shè)定時(shí)間為30秒,就將十位的74192的D、C、B、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(jì)數(shù)；一路輸出到74LS192的R端。當(dāng)任意一個(gè)選手搶答時(shí)，例如7號搶答時(shí)，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

12、，則顯示器上顯示對應(yīng)的編號7。此時(shí)，74LS48的RI/RBO端輸出高電平加一非門與74LS192的借位輸出端BO也輸出高電平同時(shí)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(shí)現(xiàn)了搶答功能；同時(shí)，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(jì)數(shù)器74LS192的Down端。計(jì)數(shù)器停止工作，保持原來顯示不變，即實(shí)現(xiàn)了暫停減計(jì)數(shù)使其記錄搶答時(shí)間的功能；總的電路圖設(shè)計(jì)過程中的問題與解決方案: 在開始的時(shí)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?yàn)橐郧皼]有接觸過

13、這一軟件，所以開始的時(shí)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與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(jì)軟件使用方法掌握之后就開始設(shè)計(jì)電路，問題也跟著來了，首先是搶答器的設(shè)計(jì)，在清零的功能設(shè)計(jì)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?yàn)檫@種方法比較可靠，不需要其他額外的條件即可滿足設(shè)計(jì)要求，但是還是存在一點(diǎn)問題就是當(dāng)74ls279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(jì)數(shù)方面也出現(xiàn)了問題，就是根據(jù)555計(jì)數(shù)器的脈沖周期算出來的時(shí)間在運(yùn)行時(shí)延時(shí)了很多，最終

14、通過修改步長解決了這一問題；最后在報(bào)警器設(shè)計(jì)方面，為了實(shí)現(xiàn)題目中的要求，開始考慮的是跟計(jì)時(shí)器共用一套計(jì)數(shù)器和555觸發(fā)器，但是在想了很長時(shí)間之后還是放棄了這一思想，因?yàn)榧纫ＷC計(jì)數(shù)器正常工作，同時(shí)還要保證報(bào)警裝置報(bào)警時(shí)間非常短，同時(shí)計(jì)數(shù)的條件和報(bào)警條件也存在差異，所以實(shí)現(xiàn)起來就會很困難。最后通過討論，決定再加一套計(jì)數(shù)器來控制報(bào)警裝置，并共用555觸發(fā)器，用以保證計(jì)時(shí)的同步，實(shí)現(xiàn)預(yù)定時(shí)間無人搶答后報(bào)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(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，最后我們用信號燈代替了蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。用到的主要芯片功能簡介：74LS148引腳圖74L

15、S148真值表如下圖：輸入輸出1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X0111111110010011111111110174LS148的輸入端和輸出端低電平有效。是輸入信號，為三位二進(jìn)制編碼輸出信號，1時(shí)，編碼器禁止編碼，當(dāng)0時(shí)，允許編碼。是技能輸出端，只有在0，而均無編碼輸入信號時(shí)為0。為優(yōu)先編碼輸出端，在0而的其中之一有信號時(shí)，0。各輸入端的優(yōu)先順序?yàn)椋杭墑e最高，級別最低。如果0（有信號），則其它輸入端

16、即使有輸入信號，均不起作用，此時(shí)輸出只按編碼，000。74LS279引腳圖74ls279:74LS279真值表Qn+1狀態(tài)Qn保持00不允許010清0101置111Qn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(gè)，當(dāng)然可譯出2n個(gè)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(jì)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

17、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74ls48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(gè)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)成四輸入端的數(shù)碼顯示電路。圖 附2-5 74LS48引腳圖共陰極數(shù)碼顯示器的功能表十進(jìn)制DCBAabcdefg00000111111010001011000020010110110130011111100140100011001150101101101160110001111170111111000081000

18、111111191001111001174LS48除了有實(shí)現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA）和輸出（YaYg）端外，7448還引入了燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI），以與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7448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(shí)，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外，RBI也可以接低電平，見表1中116行。（2）消隱功能（BI=0）此時(shí)BI/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號時(shí)，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(shí)BI/RBO端作為輸出端， 端輸入低電平信號時(shí)，表1最后一行，與 與DCBA輸入無關(guān)，輸出全為“1”，顯示器7個(gè)字段都點(diǎn)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(shí)BI/RBO端也作為輸出端，LT 端輸入高電平信號，R