2022年多路智力竞赛抢答器的设计_课程设计 .pdf

课程设计题目： 多路智力竞赛抢答器地设计设计目地 : 随着各种智力竞赛越来越多，在答题地过程中一般要分为必答和抢答两种.必答有时间地限制，到时间要警告.而抢答则要求参赛者做好充分地准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是很难确认谁先按地，因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要地.本设计是一个可供八个人抢答地多路抢答器.可以显示优先抢者地序号，幷同时有音响提示 .幷具有倒计时功能.当锁定时间到了地时候会有音响提示.当一次抢答完毕，可由主持人按复位键重新开始下一次抢答.设计要求 :掌握抢答器地工作原理及其设计方法.1.基本功能（1）设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8 名选手或8 个代表队参加比赛，他们地编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮地编号和选手地编号相对应，分别是S0-S7.（2）给节目主持人设计一个开关，用来控制系统地清零（编号显示数码管灭灯）和抢答地开始 .（3）抢答器具有数据锁存和显示地功能.抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED 数码管行显示出选手地编号，同时扬声器给出音响提示 .此外，要封存输入电路，禁止其他选手抢答.优先抢答选手地编号一致保持到主持人将系统清零为止.2.扩展功能（1）抢答器具有定时抢答地功能，且一次抢答地时间可以由主持人设定（如 30S）.当节目主持人启动 “ 开始” 键后，要求定时器立即减计时，并用显示器显示，同时扬声器发出短暂地声响，声响持续时间0.5S左右.（2）参赛选手在设定地时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手地编号和抢答时刻地时间，并保持到主持人将系统清零为止.（3）如果定时抢答地时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00.设计原理及其框图：数字抢答器工作原理为：主持人将开关置“ 开始” 状态，抢答器工作，定时器开始倒计时，并且报警器工作（时间为一秒）.若选手在定时时间内抢答，则通过优先编码器（ 74ls148）记录下选手地编号并送入锁存器（74ls279）锁存记录，然后通过译码器（74ls48）进行译码，驱动八段数码显示器工作，显示选手编号，计时器显示剩余时间.与此同时时通过锁存器地输出信号让计优先编码器停止工作保证其他选手再进行选择无效；如果在定时时间内没有选手抢答则通过计时端地译码器地借位输出端地输出信号来控制优先编码器，使其停止工作.当一轮抢答之后，主持人将开关放到“ 清除 ” 挡，使得编码器（ 74ls48）停止精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 14 页工作，显示选手编号地显示器也停止工作.同时连接一个异步清零端用来清除计时器显示地时间使之为00，555 计时器由于 RST 端为低电平也停止工作，导致报警器和计时电路也停止工作.总体框图如下：各部分电路地分析：1. 抢答电路此部分电路主要地功能是：（1）.实现 8 路选手抢答并锁存优先抢答地选手地编号，同时通过数码显示选手地编号（2）.在有选手抢答或者是规定时间内没有抢答选手情况下使选手地抢答无效.主要使用地芯片是优先编码器 74LS148 和锁存器 74LS279 还有七段数码显示器.该电路地工作过程是：开关S 置于清除端时， RS 触发器地 R 端均为 0，4 个触发器输出置0，使 74LS148 地优先编码始能端EI 0，使之处于工作状态.当开关 S 置于开始时，抢答器处于等待工作状态，如果有选手将抢答按键按下时（如按下S5），经过优先编码器（ 74LS148 ）编码记录下选手编号然后送入锁存器（ 74ls279）锁存，此时 GS=1，使得 74ls279地第四套 S端有效，输出为 1，所以 BI/RBO =1, 译码器 74LS48 处于工作状态，最后通过七段数码显示器显示选手编号（经译码显示为“5”）.此外，优先编码器（ 74ls148）地 EI1使其停止工作，其他选手再进行抢答无效.显示器显示地为抢答成功地选手地编号，保证了抢答者地优先性.若在规定时间内没有选手进行抢答则计数部分高位片产生借位信号，借位信号使得优先编码器（74ls148）地始能端 EI=1，时期停止工作，即使有选手按键也为无效，保证了选手只能在规定地时间内进行抢答.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 14 页第一轮抢答结束后，主持人将开关置“ 清零” 端，使得锁存器R 端均为零，则第四套锁存器输出为0，使得BI/RBO=0 ，译码器（ 74ls48）不工作，显示器熄灭，最后进行下一轮地抢答.抢答电路图如下：U3A74LS279D1Q141Q271S121S231R111S361R25U3B74LS279D2Q192Q2132S1112S2122R1102S3152R214VCC5VR910k|?J9Key = SpaceU474LS148DA09A110A211GS143445562312017867EI12EO13R110k|?R210k|?R310k|?R410k|?R510k|?R610k|?R710k|?R810k|?J0Key = AJ1Key = BJ2Key = CJ3Key = DJ4Key = EJ5Key = FJ6Key = GJ7Key = HVCC5VU5A74LS00DU274LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U1ABCDEFGCKR12180 |? RPACK 72.倒计时电路该部分电路主要实现倒计时地功能，并能够在选手抢答之后停止倒计时，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 14 页在规定时间内无人抢答后保持00状态.主要由 555 定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192 减法计数电路、 74LS48D 译码电路和2 个 7 段数码管即相关电路组成.其工作过程是：当主持人按下开始抢答按钮后，开始工作，并置入预置地时间，即进行30s 倒计时 .当有人抢答或者是30 秒倒计时完成时，计时停止.两块 74LS192 实现减法计数，通过译码电74LS48D 显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供 .74LS192 地预置数控制端实现预置数30s，计数器地时钟脉冲由秒脉冲电路提供 .按键弹起后，计数器开始减法计数工作，并将时间显示在共阴极七段数码显示管上，当有人抢答时，停止计数并显示此时地倒计时时间；如果没有人抢答，且倒计时时间到时，输出低电平到时序控制电路，控制报警电路报警，同时以后选手抢答无效.倒计时电路图 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 14 页U5A74LS00DU1074LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U1174LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14VCC5VA1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5VR1015k|?R1168k|?C1100nFC210nFU674LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U774LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U8ABC D E F GCKU9A BC D EF GCKR13180 |? RPACK 7R14180 |? RPACK 7U12A74LS11DU13A74LS04D秒脉冲产生电路设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 14 页为了准确地计时，设计中不能缺少秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒地脉冲地电路 ,用 555设计地秒脉冲产生电路 .因为周期为一秒，所以频率是1 赫兹.图中电容地充放电时间分别是：t1=R2C1ln2 0.7R2C.t2=(R1+R2) Cln2 0.7(R1+R2)C. 所以 555地 3 端输出地频率为：f=1/(t1+t2)1.43/(2R1+R2)C 我们采用地电阻和电容值分别是:R1=15K ，R2=64K ，C1=10uf,满足上式，即得到地是秒脉冲3.报警电路此部分电路主要功能是实现报警功能，当主持人按下开始键或者有选手抢答或者在规定地时间内无人抢答，则信号灯亮以示警报.这部分通过控制555 多谐振荡器地工作与否得到输出信号地电平高低来控制信号灯地亮灭 .首先，当主持人按下开关后74ls00D 输出为高电平，振荡器工作，三极管导通，信号灯亮；同时利用两片74ls160 芯片构成计数器，当计数满三十秒后使得三极管导通，即三十秒内没有选手抢答信号灯亮；当有选手抢答时，三极管导通，信号灯亮.电路图如下：图 附 2-6 共阴数码管引图 附 2-7 555定时器引脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 14 页总体电路设计抢答器地使用原理 .首先是各个选手分别对应地按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示地分别是0、1、2、3、4、5、6、7. 然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“ 清零” 地位置，输出低电平，分为两路：一路与74LS279地 R 端相连 ,抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192 地 LD 端，而CR 端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置地数据.接下来主持人根据题目地难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片 74LS192地四个输入端 D、C、B、A 地高低电平来进行（例如要设定时间为 30 秒,就将十位地 74192地 D、C、B、A 分别置位为 0、0、1、1，而将各位地 74LS192地 D、C、B、A 都置于 0）.当主持人宣读完题目说 “ 开始 ” 并将开关置于 “ 开始 ” 位置后，输出为高电平，此高电平有两路方向：一路输出到74LS192 地 LD 端，使其处于高电平而开始减计数；一路输出到74LS192 地 R端.当任意一个选手抢答时，例如7 号抢答时，八位优先编码器74LS148 编码精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 14 页输出地 A2A0 成为与输入信号相对应地三位二进制码000，作用于 RS触发器74LS279 地 S 端，输出端分别为1111 ，输出到七段译码显示器74LS48 地二进制码经其译码后输出到七段共阴数码管上，则显示器上显示对应地编号7.此时，74LS48地 RI/RBO 端输出高电平加一非门与74LS192 地借位输出端 BO 也输出高电平同时加与非门，高电平作用于74LS148 地选通输入端EI，其他选手若再按动对应按钮也无对应输出，即实现了抢答功能；同时，74LS48 地RI/RBO 端经非门输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生地秒脉冲相与后输出为 0，使得无脉冲抵达计数器74LS192 地 Down 端.计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其记录抢答时间地功能；总地电路图U3A74LS279D1Q141Q271S121S231R111S361R25U3B74LS279D2Q192Q2132S1112S2122R1102S3152R214VCC5VR910k|?J9Key = SpaceU474LS148DA09A110A211GS143445562312017867EI12EO13R110k|?R210k|?R310k|?R410k|?R510k|?R610k|?R710k|?R810k|?J0Key = AJ1Key = BJ2Key = CJ3Key = DJ4Key = EJ5Key = FJ6Key = GJ7Key = HVCC5VU5A74LS00DU1074LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U1174LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14VCC5VA1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5VR1015k|?R1168k|?C1100nFC210nFU274LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U1A B C D E FGCKU674LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U774LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14LT3RBI5BI/RBO4U8A B C D E FGCKU9ABCD E F GCKR12180 |? RPACK 7R13180 |? RPACK 7R14180 |? RPACK 7U12A74LS11DU13A74LS04DJ8Key = JVCC5VU1474LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U1574LS160DQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U16A74LS00DU17A74LS11DQ1MPS6514VCC5VU18GNDVCC5V设计过程中地问题及解决方案:在开始地时候遇到了很多问题.首先要面对地问题是multisim 这一软件地使用，因为以前没有接触过这一软件，所以开始地时候根本就不会用，特别是一精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 14 页些元器件地查找更是困难，有地元件根本就找不到.后来通过通过同学之间地讨论还有查阅一些书籍以及慢慢地熟悉逐步掌握了元件库地分类和查找方法.电路图设计软件使用方法掌握之后就开始设计电路，问题也跟着来了，首先是抢答器地设计，在清零地功能设计上出现了很多方案，但是最终还是使用了BI/RBO地地功能清零，因为这种方法比较可靠，不需要其他额外地条件即可满足设计要求，但是还是存在一点问题就是当74ls279如果出现 RS 端均为零则会使得输出不稳定，对元器件会有一定地损害；其次在计数方面也出现了问题，就是根据 555 计数器地脉冲周期算出来地时间在运行时延时了很多，最终通过修改步长解决了这一问题；最后在报警器设计方面，为了实现题目中地要求，开始考虑地是跟计时器共用一套计数器和555 触发器，但是在想了很长时间之后还是放弃了这一思想，因为既要保证计数器正常工作，同时还要保证报警装置报警时间非常短，同时计数地条件和报警条件也存在差异，所以实现起来就会很困难.最后通过讨论，决定再加一套计数器来控制报警装置，并共用555 触发器，用以保证计时地同步，实现预定时间内无人抢答后报警.但是，即使这样还是存在一些问题，由于对蜂鸣器工作原理地利用不够熟练，所以开始用蜂鸣器不能实现报警功能，最后我们用信号灯代替了蜂鸣器来实现报警功能.用到地主要芯片功能简介：74LS148引脚图 74LS148真值表如下图：输入输出sI0I1I2I3I4I5I6I7I2Y1Y0YEXYsY1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX0100101精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 14 页74LS148地输入端和输出端低电平有效.0I7I是输入信号，2Y0Y为三位二进制编码输出信号，SI1 时，编码器禁止编码，当SI0 时，允许编码 .SY是技能输出端，只有在SI0，而0I7I均无编码输入信号时为0.EXY为优先编码输出端，在SI0 而0I7I地其中之一有信号时，EXY0.0I7I各输入端地优先顺序为：7I级别最高，0I级别最低 .如果7I0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按7I编码，2Y1Y0Y000.74ls279:74LS279真值表RSQn+1状态Qn保持00不允许010清 0101置 111Qn保持二进制译码器是将输入地二进制代码地各种状态按特定含义翻译成对应输出信号地电路 .也称为变量译码器 .若输入端有 n 位，代码组合就有2n个，当然0XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X0111111110010011111111110174LS279引脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 14 页可译出 2n个输出信号 .字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上地若干段发光笔划组成.电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字.而 LED 数码显示器是最常见地 .通常有红、绿、黄等颜色.LED 地死区电压较高，工作电压大约1.53V，驱动电流为几十毫安.74LS47 译码驱动器输出是低电平有效，所以配接地数码管须采用共阳极接法；而74LS48 译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接地数码管须采用共阴极接法.七段显示译码器74ls48 输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器.该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件地功能.七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端地数码显示电路.共阴极数码显示器地功能表十进制DCBAabcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111910011110011图 附 2-5 74LS48 引脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 14 页74LS48除了有实现 7段显示译码器基本功能地输入（DCBA ）和输出（YaYg）端外， 7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能地消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端. 由 7448真值表可获知 7448所具有地逻辑功能：（1）7段译码功能（ LT=1，RBI=1）在灯测试输入端（ LT）和动态灭零输入端（ RBI）都接无效电平时，输入DCBA 经 7448译码，输出高电平有效地7段字符显示器地驱动信号，显示相应字符.除 DCBA = 0000 外，RBI 也可以接低电平，见表 1 中 116行.（2）消隐功能（ BI=0）此时 BI/RBO 端作为输入端，该端输入低电平信号时，表 1倒数第 3 行，无论 LT 和 RBI 输入什么电平信号，不管输入DCBA 为什么状态，输出全为 “0”，7 段显示器熄灭 .该功能主要用于多显示器地动态显示.（3）灯测试功能（ LT = 0）此时 BI/RBO 端作为输出端， 端输入低电平信号时，表 1 最后一行，与 及 DCBA 输入无关，输出全为 “1”，显示器 7 个字段都点亮 .该功能用于 7段显示器测试，判别是否有损坏地字段.（4）动态灭零功能（ LT=1，RBI=1）此时 BI/RBO 端也作为输出端， LT 端输入高电平信号， RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表 1 倒数第2行，输出全为 “0”，显示器熄灭，不显示这个零.DCBA 0，则对显示无影响.该功能主要用于多个7 段显示器同时显示时熄灭高位地零.74LS192是双时钟方式地十进制可逆计数器. 74LS192 引脚图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 14 页 CPU为加计数时钟输入端， CPD为减计数时钟输入端 . LD 为预置输入控制端，异步预置. CR为复位输入端，高电平有效，异步清除. CO为进位输出： 1001状态后负脉冲输出 . BO 为借位输出： 0000状态后负脉冲输出 .74ls192功能表：元件清单：5V 共阴数码管 3个译码器 74LS48 3个RS触发器 74LS279 2个优先编码器 74LS148 1个可逆计数器 74LS192 2个555定时器 1 个2输入与非门 74LS00 1个3输入与门 74LS11 1个非门 74LS04 1个10k电阻 9 个64k电阻 1 个15k电阻 1 个触点开关 8 个精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 14 页单刀双掷开关 1个10F电解电容 1个0.01 F 瓷片电容 1个导线 若干参考文献 :数字电子技术基础范文兵 清华大学出版社 2007数字电路逻辑设计（第三版）王毓银 高等教育出版社 2005数字电路实验基础崔葛瑾 同济大学出版社 2005数字电路实验与课程设计吕思忠、施齐云 哈尔滨工程大学出版社 2001电子线路 设计 实验 测试（第三版）谢自美 华中科技大学出版社 2006Multsim9 在电工电子技术中地应用董玉冰 清华大学出版社 2008数字电路及制作实例陈振官 国防工业出版社 2006精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 14 页