多路数字定时抢答器设计方案

1 多路数字定时抢答器 设计方案 一、 多路数字定时抢答器 电路设计 答器的功能要求 同时供 8 人或 8 队参加比赛，它们的编号分别是 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是 来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。 答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在 时 蜂鸣报警器发声 提示。此外要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。 一次抢答的时间可由主持人设定（如 30s)。当节目主持人按下“开始”按钮后，要求定时器立即开始倒计时，并在 数码管 上显示。 答有效，定时器停止工作， 数码管 显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主 持人将系统清零为止。 没有选手抢答，则本次抢答无效，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” 。 答器的组成结构 抢答器的 总电路 框图如图 1所示， 由 主体电路和拓展电路两部分组成，主体电路完成基本的 抢答 功能，即开始抢答后，当选手按动抢答按钮时，能显示选手的编号，能同时封锁输入电路，禁止其他选手抢答 。 扩展电路完成定时抢答的功能。 如图所示定时抢答电路的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止功能工 作状态，编号显示器灭灯，定时显示器上显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时控制开关拨到“开始”的位置，2 抢答器处于工作状态，定时器倒计时。定时器时间到，却没有选手抢答时，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。当选手在定时时间内按动抢答按钮时，抢答器要完成以下三项工作： 由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号； 免其他选手再次进行抢答； 作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。当选手回答问题完毕时，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。 图 1 总电路框图 八 D 锁存器 优先 编码器 译码 电路 译码 显示 抢答 按钮 按钮 脉冲 产生电路 主持人 控制开关 定时 电路 译码 电路 显示 电路 集成单稳态 触发器 报警电路 3 二、 原理电路设计 答电路设计 抢答电路的功能有两个：一是能分辨选手按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按按钮操作无效。选用优先编码器 74 八 474码器与共阴极数码管等实现该电路，如图 2所示。 图 2 抢答电路仿真图及原理图 4 工作原理：一开始，主持人开关 ， 开关信号经过异或门连接 744答无效。当主持人将开关置于 1， 74能，当任意一个选手按下抢答按钮后， 73相应输入的输出端口被置低电平，低电平经过 74相后经过译码显示电路将对应的编号显示出来。由于此时 74作，根据其功能表可知其 出高电平，与开关信号经过异或门后锁存抢答信号，此时由于 开关信号同为高电平，因此使 ，再次将 74存，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出。这样，一轮抢答完成，当主持人将开关置于 0 时， 74出全为 1， ，使数码管灯全灭，并且 74待下一轮抢答的开始。 使用的 优先编码器 74 八 474引脚图和功能表如下所示： （ 1） 优先编码器 74引脚图和功能表 74八线 编码器由 8 个信号输入端， 3 个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。 输入使能端，低电平有效，当 低电平时，编码器处于工作状态； 输出使能端，只有在 ，且所有输入都为 1 时，输出为 0； 征编码器的工作状态，当且仅当 低电平，且输入至少有一各为有效电平时， 有效。因此，可根据 能扩展端的特点，对电路进行相应控制。编码器在抢答电路中功能是判断抢答者的编号。 它的引脚图如图 3所示，功能表如表 1所示。 图 3 745 表 1 74能表 （ 2） 八 4引脚图和功能表 74锁存器，它的引脚图如图 4所示，功能表如表 2所示。 由功能表可以看出锁存端 高变低时，输出端 8 位信息被锁存，直到 再次有效。 当三态门使能信号 态门导通，允许 7输出， 高电平时，输出悬空。当 74作地址锁存器时，应使 低电平，此时锁存使能端 C 为高电平时，输出 7 状态与输入端 7状态相同；当 C 发生负的跳变时，输入端 7 数据锁入 7。 图 4 74脚图 表 2 746 （ 3） 74七段显示译码器 74以驱动共阴极显示器。 消隐输入端（低电平有效） /脉冲消隐输出端（低电平有效）， 灯测试输入端（低电平有效），脉冲消隐输入端（低电平有效），当 0时， a 引脚图如图 5所示。 图 5 74 （ 4） 共阴极数码管的引脚图 共阴数码管由 74码器 输出高电平 驱动，以显示已抢答选手的编号。引脚图如图 6所示。 图 5 共阴数码管引脚图 7 脉冲 电路设计 设计一个秒脉冲电路为下面的定时电路 提供 用 的是 作脉冲产生电路 ， 如图 6所示为用 图 7为用 定时电路的要求是需要产生 周期为一秒 冲信号 ，所以频率 需要设计的 是 产生频率为 1图中电容 7) 5+3， 7 以 端输出的频率为： f=1/(t1+ (3 所以可知应 采用电阻和电容值分别 为 :5 4 0足上式，即得到的是秒脉冲，该电路中，电容 图 6 秒脉冲电路图 8 图 7 产生秒脉冲信号仿真 时电路设计 抢答过程中有时间限制，需设计倒计时电路即定时电路 ， 选用十进制同步加 /减计数器 74数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供 ， 倒计时电路的实现主要依靠74所需的 55振荡电路提供 。 74具有置数和清零功能的同步十进制减计数器 。 74脚图和功能表如图 8 和表 3，设计的定时电路如图 9。 740， 电平有效），电平有效） 。 图 8 74脚图 表 3 749 图 9 定时电路 定时电路 实现的基本功能： （ 1） 主持人将控制开关拨到“开始”位置时，定时器电路进入正常抢答工作状态 即开始进行倒计时 。 （ 2） 当参赛选手按动抢答 按钮 时，定时器电路停止工作 并且锁存抢答时刻剩余时间 。 （ 3） 当设计的抢答时间到，无人抢答时，定时电路停止工作 即显示 00。 定时电路的工作原理 ： 74有预置数功能，通过 74置数端主持人根据需求将初始时间输入，抢答开始前开关 S 置低电位， 74于清零锁存状态，当主持人将开关置于高电平此时，由秒脉冲电路产生的秒脉冲信号进入 74芯片由预置数进入减计数转态，若没有选手抢答，一直减计数，当计数至 00 时触发报警 电路蜂鸣器产生报警信号 ，同时计数高位 止了秒脉冲信号进入计数器，计数器停止工作。若计时期间有人抢答， 74 4输入由高电平变成低电平，同样使减计数器停止计时，显示器上显示此刻剩余 时间。 10 警 电路设计 由于设计 要求 电路中添加报警电路，即 可 用 555定时器是一种集模拟 、 数字于一体的中规模集成单路，其应用极为广泛 。 集成单稳态触发器74收到高电平时 ， 会 使其产生单个周期为 动报警电路发出声响，即实现了 蜂鸣报警器发声 提示的功能 。 555 芯片的引脚图如图 10，报警电路的设计电路图如图 11。 图 10 555引脚图 图 11 报警电路 11 体电路设计 通过设计完成多路数字抢答器的仿真和制作，实现了 8人抢答、主持人控制电路的正常工作、定时电路的定时功能、秒脉冲电路的产生脉冲信号功能、报警电路的报警功能、抢答后的锁存功能等。先设计出各分电路图并使各部分功能可以单独实现，再通过使用仿真软件 后设计出总的电路图，并实现所要求设计的所有功能。设计的总电路图如图 12 所示。下面是多路数字抢答器功能的实现过程的描述及实现的原理和方式： 8个选手分别对应 8 个 抢答按钮 答后显示器上显示的分 别是 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7。主持人按下复位开始按键 对整个电路进行“清零” ，输出低电平，分为 3路 ：一路低电平输出到计数器 74L 端，而 也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据 ；另 一路与 74 异或后变为高电平输出到 74E，此时锁存器不锁存数据，所以抢答部分 数码管 无显示 即处于消隐状态 ，实现了清零，同时， 高电平变成低电平，与清零端异或后输出 0，使 74是与集成单稳态触发器 74连，因为是低电平所以没有报警信号。 主持人通过时间预设开关预设抢答时间， 此设定可以通过调节输入两片 743、 高低电平来进行（例如要设定时间为 20秒 ,就将十位的 743、 、 0、 1、 0，而将各位的 743、 ）。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，此高电平有三路方向：一路输出到集成单稳态触发器 74其产生单个周期为 脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了 蜂鸣报警器发声 提示的功能；另一路输出到 74 ，使其处于高电平而 根据秒脉冲电路信号 开始减计数；还有一路与 号（此时为 0）异或后将高电平输入 ，使八 D 锁存器 74于传输状态，此 时任何选手抢答有效。 在抢答时间限制内，若有任何一位 选手 按键 抢答 时， 八 4作，与输入端相对应的输出端 7输出 相对应的 低电平， 此时 锁存器输出的八位电平经 8 3八位优先编码器 742 4相后成为与输入信号相对应的三位二进制码， 此时将使得 74管脚 15（ 输出 由 电 低平变成高电平 ，输出到 744码后输出到七段共阴数码管上， 数码管 显示对应的 选手 编号。 而12 此时， 74 输出 为 高电平， 主持人控制的 开关 出也输出高电平，二者经过异或门 后 输出低电平，输出到锁存器 7474现锁存 功能，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； 740 段输出高电平输出到集成单稳态触发器 74输入端，使其产生单个周期为 脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了 蜂鸣报警器 发声提示的功能； 74S 端输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为 0，使得计数器 74入， 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的功能；若没有选手按动按钮，则 74744I/得信号经 74 若到定时部分计数器倒计时到 00 还无选手按动按钮的话，十位 74借位输出端输出低电平，将此输出低电平输入到单稳态触发器 74端口，蜂鸣报警器 发声提示 ，即实现无人抢答时抢答时间结束的提示功能。 图 12 总电路图 仿真图 13 三、 仿真 软件 次课程设计使用的仿真软件是 可以很好地将设计出来的电路仿真出来，方便于对设计的各部分功能及总电路功能的检验，并且成功的模拟出多路数字抢答器的各种功能要求。在这次数电课设中，自学了 且使用 仅学会了新的仿真软件的使用，而且还方便了课程设计的进行，自己在使用 是都能及时得以解决。下面对仿真软件 简介 司出版的 不仅具有其它 能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 世界上著名的 具 (仿真软件 )，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、 计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、 2/16/18/24/30/8086 和 2010 年又增加了 列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持 能特点 些功能是： 原理布图、 动或人工布线、 路仿真。 14 四、 课程设计小结 数字电子技术基础是非常重要的专业基础课，本次课程设计是在学完数字电 子技术基础这门课程之后进行的，是对所学的理论知识的一次检测。本次课程设计不仅使自己对数字电子技术这门课程所学的的理论知识有更好的了解，而且也锻炼了自己对理论知识的应用能力，提高自己的设计能力，做到学以致用。 本次课程设计的题目是多路数字抢答器的仿真设计和制作，需要实现 8人抢答、定时、报警等功能，并运用各种芯片来实现电路的搭建，运用仿真软件来仿真模拟抢答器的这些基本功能。在进行设计的过程中，首先要做的就是弄清楚课程设计的要求，认真分析各部分功能的实现要求及原理，要理清思路再进行各部分电路的搭建和实现，当每部分功能都得以实现后再将这些分电路合成整个总的电路，这样可以避免问题的出现，同时也方便于检查电路的问题。在焊接实物之前，应该先通过仿真软件进行仿真，当仿真成功即各部分功能都可以实现后再进行实物焊接。 在完成本 次课程设计的过程中，更好地了解了各种芯片的功能，并且根据各芯片的功能来设计所需的电路，利用各芯片的不同功能来完成整个电路的设计，同时也是对所学的数电的理论知识进行了很好的巩固，在设计过程中，遇到没学过的芯片就自己上网搜索并理解芯片功能，学到了很多新的东西。另外，还自学了仿真软件 运用的过程中虽然也会有不熟练的问题，但是还是很好地运用了 以，算是又学会了不少新的东西。当然，在课程设计中也会遇到很多的问题，需要耐心去调试并找出问题所在，这样可以学到更多的东西。 参考文献 1数字电子技术基础 伍时和 吴友宇 清华大学出版社 2童师白，华成英 三版 . 北京 :高等教育版社， 2001 3吕思忠，施齐云 哈尔滨：工程大学出版社， 4曹汉房 . 陈耀奎编 . 数字技术教程 . 北京 : 电子工业出版社， 1995 5谢自美 验测试 第三版 华中科技大学出版社， 2006 15 附录一：元器 件清单 序号 型号 名称 数量 备注 1 74 D 锁存器 1 工作电压 5V 2 74先编码器 1 工作电压 5V 3 74段译码显示器 3 工作电压 5V 4 / 共阴极七段数码显示管