八路智力定时抢答器设计.doc

目录1 绪论12 设计方案22.1 设计方案的选择22.2 设计思想与设计原理42.3 单元电路的设计52.3.1抢答器部分电路设计52.3.2 报警电路设计92.3.3 定时电路设计102.3.4 秒脉冲设计122.3.5 控制部分电路132.4 总体设计153 设计结果的仿真验证183.1 部分电路的仿真183.2 总体电路的仿真194 设计方案的论证205 设计器件清单206 功能扩展227 设计体会22参考文献24 1 绪论智力竞赛是一种生动活泼的教育方式，而抢答就是智力竞赛中非常常见的一种答题方式。抢答能引起参赛者和观众的极大兴趣，并且能在极短的时间内，使人们迅速增加一些科学知识和生活常识。但是，在这类比赛中，对于谁先谁后抢答，在何时抢答，如何计算答题时间等等问题，若是仅凭主持人的主观判断，就很容易出现误判。所以，我们就需要一种具备自动锁存，置位，清零等功能智能抢答器来解决这些问题。在本次课程设计中，将主要设计一个供八人使用的定时抢答器。他要实现以下主要功能：（1）为8位参赛选手各提供一个抢答按钮，分别编号s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7；（2）主持人可以控制系统的清零与抢答开始；（3）抢答器要有数据锁存与显示的功能。抢答开始后，若有任何一名选手按动抢答按钮，则要显示其编号至系统被主持人清零，并且扬声器发生提示，同时其他人再按对应按钮无效；（4）抢答器要有自动定时功能，并且一次抢答时间由主持人任意设定。当主持人启动“开始”键后，定时器自动减计时，并在显示器上显示。同时扬声器上发出短暂声响；（5）参赛选手只有在设定时间内抢答方为有效抢答。若抢答有效，则定时器停止工作，并且显示抢答开始时间直到系统被清零；（6）若设定时间内无选手进行抢答（按对应按钮），则系统短暂报警，并且禁止选手超时抢答，定时器上显示00。数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。利用本次设计出的电路制造成的定时抢答器，即可轻松实现在8人或8个代表队之间进行的抢答比赛中进行控制，使得这一活动更加趣味、公平。2 设计方案2.1 设计方案的选择一般来说，要设计八路智力定时抢答器，可以有两种不同的方案来进行。其一是各路选手抢答后产生的高低电平直接经过优先编码电路，然后经过锁存器（cd4019）、译码电路到七段数码显示器同时，由秒脉冲产生电路产生的秒脉冲驱动定时电路工作，主持人开关通过控制电路来实现对整体电路的调节；本类定时抢答器的总体方框图如图1所示。 图1 方案1的总体设计框图同时，我们也可以将抢答按钮与锁存器相连，使得输入锁存器（74ls373）的是直接各位选手的高低电平，而非经过优先编码后的bcd码。然后经优先编码、译码电路后显示在数码管上；同时，由主持人开关及其他部分的线路通过门电路实现对抢答电路和定时电路的控制；本种方案的设计框图如图2所示：对比以上两图可知，第二种方案更为简便直观一些。他省去了用专门的芯片控制电路部分，仅用几个ttl门即可实现主持人对整个电路的控制，并且解决了方案1的中不足：如不易实现主持人、选手和定时器三部分的报警提示问题，还有用集成触发器来代替单稳态部分电路，用现有芯片来取代自己设计，既实现了预期功能，又减少了布线，使得错误产生的概率大大降低。综上所述，我们选择方案2来继续我们的设计。图2 方案2的总体设计电路图2.2 设计思想与设计原理它由抢答部分电路、定时部分电路、报警电路、秒脉冲产生电路几部分组成。抢答部分电路完成基本的抢答功能，即抢答开始后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。定时部分电路的主要功能是完成定时抢答，即主持人启动“开始”键后，定时器自动减计时，并在显示器上显示当前时间。赛选手只有在设定时间内抢答时定时器停止工作，并且显示抢答开始时间等。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到清零状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关置“开始状态。此时，抢答器处于工作状态，定时器开始倒计时，扬声器给出声响提示。若定时时间到，却没有选手抢答时。系统报警，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键位进行抢答时，抢答器要完成以下四项工作：1）.优先编码电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号；2）.扬声器发出短暂声响提示，提醒节目主持人注意；3）.控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；4制电路要使定时器停止工作，定时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。当选手将问题）.控回答完毕，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。2.3 单元电路的设计在本次设计中，要进行以下几个单元电路的设计：第一，抢答部分电路；第二，秒脉冲产生电路；第三，定时部分电路；第四，报警部分电路；第五，时序控制电路等。以下的篇幅将对上述电路分别进行设计及原理阐述。2.3.1抢答器部分电路设计抢答部分电路的功能主要有两个：一是能分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用，并且经过译码，在数码显示器上显示出对应选手的编号；二是实现锁存，使其他选手的按键操作无效。本次设计选用八d锁存器74ls373、8-3优先编码器74ls148，译码器7448和七段数码显示器几个芯片完成上述功能。74ls373片内是8八个输出带三态门的d锁存器，其结构示意图如图2所示。当使能端g成高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为低，也即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。其结构原理如图2所示：图2 74ls373的结构原理图其功能表如表1所示表1. 芯片74ls373的功能表输出控制端oc使能端cd输出lhhhlhllllq0hz74ls148为8线3线优先编码器，即8个信号输入端，3个信号输出端。此外，还设置了输入使能端，输出使能端和优先编码工作状态标志。表2为其功能表表2 74ls148的功能真值表表3 7448功能表芯片7448为七段显示译码器，输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器该集成译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。其功能表如表3所示在这里，我们选用与7448对应的共阴极七段数码显示器。其功能表如表4所示表4 共阴极数码显示器的功能表十进制dcbaabcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111910011110011基于以上对各种芯片的原立及应用的介绍，我们设计出抢答器部分电路图如下图3所示其工作原理是：当任意一路抢答器按下按钮时，八d锁存器74ls373工作，与输入端相对应的输出端输出为低电平，则锁存器输出的低电平经8-3八位优先编码器74ls148编码输出的a0-a2为与输入信号相对应的三位二进制码，而优先编码器74ls48的输出使能端输出电平由低变高，输入到七段译码器7448。7448的输入二进制码在其最高位接地（置零）时，输出范围为十进制数0-7, 并与抢答按钮的编号一一对应，所以起到了我们预期的第一个功能，即分辨优先抢答者的编号，供译码显示电路用，并且经过译码，在数码显示器上显示出对应选手的编号；同时，在优先编码器工作时，其输出使能端为高电平，将其连接到锁存器74ls373的控制端口，使其有低电平变为高电平，锁存器停止工作，此时，其他选手再进行按键锁存器也不再有输出。从而实现了预期的第二个功能，即实现锁存，使其他选手的按键操作无效。图3 抢答部分电路2.3.2 报警电路设计由555定时器构成的报警电路如图4所示图4 报警部分电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率f=1.43/(r1+2*r2)*c1,其输出信号经三极管驱动扬声器。当输入端为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。2.3.3 定时电路设计节目主持人可根据抢答题的难以程度，来设定某一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用可由两片十进制同步加减计数器74ls192、译码器7448、气短数码显示管来进行设计。其中，两块74ls192实现减法计数，通过译码电路74ls48显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74192的预置数控制端实现预置数，由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的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的倒计时时间；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。74ls192是同步十进制可逆计数器，具备双时钟输入，同时具备清零和置位功能。其管脚图如图5所示：图5 74ls192管脚图其逻辑符号如图6所示：图6 74ls192管脚图其中，d0、d1、d2、d3置数并行数据输入；q0、q1、q2、q3计数数据输出；cr清零端；ld置数端；cpu 加法计数cp输入；cpd 减法计数cp输入；co进位输出端；bo借位输出端；其功能表如表5所示：表5 74ls192的功能表七段数码显示译码器7448的原理及功能如第一部分设计抢答电路时所述。根据以上原理，我们可以设计出定时部分电路图如图7所示图7 置数60的定时部分电路图 2.3.4 秒脉冲设计在本设计电路中，要进行准确计时，就必须为定时部分电路提供一个精确的输入脉冲。为了使数码显示器上显示的时间递减周期与日常时间对应，我们在此设计一个能够产生周期为1秒的脉冲电路，作为定时部分电路的脉冲。下面具体说明一下标准秒脉冲产生电路的原理。结合图8，图中电容c的放电时间和充电时间分别为 ，于是从ne555的3端输出的脉冲的频率为结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，我们选择的电阻值为r1=15k，r2=68k，c=10uf，代入到上式中即得，即秒脉冲。 图8 标准秒脉冲产生电路2.3.5 控制部分电路控制部分电路是本次设计的关键所在。有了抢答电路，有了定时电路，有了报警电路，有了脉冲产生电路，我们还需要一个能将以上各个电路连结起来发挥总体效应的控制电路。结合本次设计，控制电路要实现以下几个功能：首先，主持人将控制开关拨到开始位置时，抢答电路和定时电路进入正常抢答工作状态，并且扬声器要发声提示。此时，对应选手编号的显示器上无显示，而对应定时电路部分的显示器上则要显示主持人设定的时间并开始递减；其次，当任一选手或代表队按动抢答按钮时，扬声器要发声，并且抢答电路和定时电路停止工作。此时，抢答部分电路的显示器上显示对应选手或代表队的编号，而定时部分电路的显示器上则是显示选手按动按钮（即开始抢答）的时间；另外，当设定的抢答时间已经结束却无人抢答时，定时部分显示器上显示00，同时扬声器自动报警，表示此次抢答无效。此时，主持人可通过通过置位按钮将显示器上数据显示为设定的数据。这部分的控制电路比较简单。可通过几个门电路实现。另外就是对报警电路的控制，主要是对输入脉冲的脉宽即脉冲周期亦即扬声器的响声持续时间进行控制。在这里我们选用不可重复触发单稳态触发器74ls121。此触发器在进入暂稳态期间，若有触发脉冲作用，电路的工作状态不受其影响，只有当电路的暂稳态结束后，输入触发脉冲才会影响电路状态。电路的输出脉宽由r、c等参数决定。其引脚图如图8所示，逻辑符号如图9所示：免责声明：文档在线网（文档中国）中所有的文档资料均由文档在线网会员提供。文档在线网会对会员提供的文档资料进行筛选和编辑，但是并不声明或保证其内容的合法性、正确性或可靠性。该文档资料的版权属于提供者所有，有关版权的问题请直接与提供者联系。74ls121集成单稳态触发器有3个出发输入端，分别为a1、a2、b。其功能表如表7所示表6 74121功能表a1a2bqqlhlhlhlhllhhhlhhhhhhll单稳电路的定时取决于定时电阻和定时电容的数值。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若输出脉冲宽度较宽，而采用电解电容时，电容c的正极接在cext输入端。采用外接定时电阻时，9脚应悬空，电阻接在11、14脚之间。74121的输出脉冲宽度tw0.7rc通常r的数值范围为2k40 k，c的数值范围为10pf1000f。所以此部分电路图如图10所示：图11 74121构成的控制电路我们欲设计的抢答器中扬声器发声时间为0.5秒。所以令 tw=0.7*r*c=0.5，并取r=10k，则有c=71f ，此时，121单稳态触发器产生脉冲的脉宽为0.5s，激励扬声器发声时间为0.5s。到此时为止，我们的抢答部分电路，报警部分电路，定时部分电路，秒脉冲生成部分电路，控制部分电路都已设计完毕。2.4 总体设计经过以上分析，我们将各部分电路连接，并加以适当控制，即得到了八位定时抢答器的总体电路图。如图11所示：其工作原理是：八位选手编号分别为0、1、2、3、4、5、6、7，对应按钮分别为s0、s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7；首先主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74ls192的d、c、b、a四个管脚的高低电平来进行（例如要设定时间为60s,就将十位的192的d、c、b、a分别置位为0、0，而将各位的192的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，此高电平分为三路：一路输出到集成单稳态触发器74ls121的输入端，使其产生单个周期为0.5s的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；另一路输出到74ls192的ld端，使其处于高电平而开始减计数；还有一路输出到锁存器的c端；若没有选手安东按钮，则74ls373输出全为高电平，74ls148也输出高电平，e0端输出低电平至7448的灭灯输入/端，使得信号经7448到显示器上时无显示；当任意一路（设1）抢答器按下按钮时，八d锁存器74ls373工作，与输入端相对应的输出端（1）输出高电平，则锁存器输出的八位电平经83八位优先编码器74ls148编码输出的a0a2成为与输入信号相对应的三位二进制码，而74ls148的管脚15（e0）的输出电平由低变高，输出到七段译码显示器74ls48的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的编号（1）。此时，7448的ri/rbo端输出高电平，开关出也输出高电平，二者经过与非门输出低电平，经过与门还是低电平输出到锁存器373的c端，起到所存功能，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；同时，由于74ls148的e0段输出高电平输出到集成单稳态触发器74ls121的输入端，使其产生单个周期为0.5s的脉冲，驱动报警电路发出声响，即实现了发声提示的功能；同时，74ls148的gs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，使得无脉冲抵达计数器192的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的功能；当选手回答完问题后，主持人将开关置于“清零”的位置，输出低电平，也是分为三路：一路与74148的e0端（高）与非后变为高电平输出到373的使能端c，使得锁存器不再锁存数据，此时，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192的ld端，而cr端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据；若在定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，两片74ls192的借位输出端都输出高电平，二者相与后输出高电平到单稳态触发器74121的b端口，使其产生周期为0.5s的脉冲刺激报警电路发声提示；综上可见，本次设计的八位定时抢答器实现了所有预定的功能，是一次成功的设计。3 设计结果的仿真验证按照总体电路图在仿真软件ewb上一一选择芯片并进行连接，然后启动开关观察。下面，我们分两部分对设计出的电路进行ewb仿真。我们将各部分电路在ewb上连接好后，为各个电阻和电容选取适当值，为各个开关设置好适当的键盘打开数值（例如，为某一开关设为1连接，则启动ewb仿真按钮后，在键盘上按1则此开关就由断开状态变为连接状态）然后打开ewb的开关，即可根据显示器上显示的数字以及小灯泡的亮灭情况来判断电路设计是否成功。3.1部分电路的仿真按照各部分电路图在ewb上练好后，开始仿真。因限于篇幅，我将抢答部分和定时部分电路的仿真现象的图形都放在各部分的电路图上。具体现象是：1）.抢答部分 闭合s0s7开关，则显示器上显示对应数字；2）.定时部分 若设初值为60，则显示器上数字由60开始随秒倒计数；3）.报警部分 在输入端接入高电平后，小灯泡闪了一下，表明有短暂的电流流过，即有脉冲输入；4）.秒脉冲部分 在555的四脚接入高电平，则有脉冲输出，用示波器仿真得到波形；因为ewb尚没有芯片74ls121和扬声器，我们就无法将以上而单元进行仿真。但由于74ls121的功能比较明确，连线也比较简单，出错的几率不大，所以可以在仿真时去掉这一块。同时，扬声器可以一个灯泡代替。仿真现象如下图13所示：图13 秒脉冲部分仿真现象3.2 总体电路的仿真按照电路图连接好电路后。此时，三个显示器上均无数字显示。将主持人控制的开关从0拨到1，则可以看到灯泡变亮（即为扬声器发声），同时，定时部分电路工作，开始从设定的数据倒计时（60、59、58、57.）。若倒计时至零还没有选手对应的按钮按下的话，最终定时部分的显示器上显示00并且灯泡变亮（即为扬声器发声）;若在倒计时的过程中，有一个选手（例如1）对应的按钮按下的话，则有三个现象产生：第一，抢答部分的显示器上显示对应出对应的编号（1），灯泡再次变亮，同时定时部分的显示器上的数据停止计数不再变化（52）,此时，若有其他选手再次按动对应按钮，则显示器上无反应，仍旧是第一个抢答选手对应的编号（1）然后，将主持人的开关从1拨到0，则可以看到抢答部分的显示器上无显示，而对应定时部分的显示器上则显示主持人设定的初始时间（60s）。以上仿真是在没有芯片74ls121和扬声器的情况下进行的。若按照电路图连接，具备了上述两个器件，则会在每次灯亮的时候，变为具有一定时间的响声。以上事实说明，本次八路智能抢答器的设计是成功的。4 设计方案的论证本次设计实验结束，我们从以下几个方面进行论证：第一，经济性，第二，实用性，第三，设计意义首先，从经济性方面拉看，我本次选取了众多的74系列芯片，既有简单的门电路，如74ls00与非门，74ls04非门等等，也有复杂一点的中等规模集成电路，如74ls192十进制可逆计数器，74ls373八d锁存器等等，这些芯片与cd系列、max系列等等相比，在能满足需要的同时，却便宜许多；其次，从实用性来看，本次设计完全起到了一个八人抢答器所应具备的所有功能，同时做适当处理后也可适用于八人以下的比赛。完全可以用于学校、工厂以及电视台等等机构举办的各种抢答智力竞赛中去；再次，从设计意义上来看，本次设计对于锻炼我们的水平，提高我们的动手能力有很大的作用。本次用到的74系列芯片大多数都在我们的数字电子技术基础一书中学过，所以设计起来难度就大大降低，增加了本次设计的趣味性与实用性，同时，对巩固我们在课堂所学的知识有重要意义。5 设计器件清单表8 元器件清单序号编号名称数量说明174ls373八d锁存器1片工作电压5v274ls1488线3线优先编码器1片工作电压5v374ls48七段显示译码器3片工作电压5v474ls192十进制可逆计数器2片工作电压5v574ls121非重触发单稳态触发器1片工作电压5v6ne555单稳态触发器2片工作电压5v774ls00与非门1片工作电压5v874ls08与门1片工作电压5v974ls04非门1片工作电压5v109013三极管1个用于报警电路11r110k1只连接121的11脚与地12r268k2只连接555的6与7管脚13r315k2只连接555的7与8管脚14r4100k1只连接555的3与三极管15r550k1只连三极管发射极与地16c171uf1只连121的10与11脚17c210uf2只连555的2脚与地18c30.01uf2只连555的5与1脚19c4100uf1只用于发声电路20s0s7弹片开关8只供选手答题21s8单刀双置开关1只供主持人控制电路22speaker蜂鸣器1只8，6v23dpy_7-seg共阴极七段数码显示管3片显示选手编号和计时6 功能扩展本次设计的八位定时抢答器已可以完全起到一个八人抢答器所应具备的所有功能，同时做适当处理后也可适用于八人以下的比赛。完全可以用于学校、工厂以及电视台等等机构举办的各种抢答智力竞赛中去。但在现实生活中，为了满足比赛的种种规则，例如超前抢答者扣分等等，我们这里虽然能够避免超前抢答带来的各种影响，但是却无法知道是哪位选手超前抢答。还有主持人说“开始”并不能与按“开始”按钮同步，所以也在客观上对抢答选手造成了一定的影响。所以，要是能设计一个电路，让二者同步，就是一个很好的解决方法，也能使比赛更公平，更合理。在本次设计的基础上，我经过思考，想到了以下两个解决方案，随不一定正确适用，但还是可以带来启发思考。首先，另设一个与抢答部分电路类似的电路，但使它能正常工作，不受主持人开关限制，两个锁存器74ls373的八根输入端分别对应相连，即可实现显示超前抢答者编号的功能；其次，可以设计声控装置，在主持人说开始时，系统自动完成清零并开始计时的功能。 当然还有其他很多类似的功能可供我们去思考和设计，但由于时间和条件有限，很多思想和观点也仅仅只限于想象，却无法进行实践操作。但不能否认，正是这样种种的扩展功能才使我们的智力竞赛变得更有趣，更合理，更激动人心。7 设计体会经过为期一周的课程设计，我感觉很累，但同时也收获颇丰。从课程设计题目公布