八路数字抢答器设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页摘要本八路数字抢答器设计由主体电路与扩展电路两部分组成。当主持人按动开关时，抢答开始，抢答选手的抢答信号（或抢答按键信号）经过优先编码电路、锁存器、译码电路后将抢答选手的序号在显示器上显示。另外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显示实现倒计时功能。本抢答器结构简单，经济实用，适合在校园中各种竞赛中使用。关键字抢答电路；定时电路；报警电路；时序控制目录摘要1第1章绪论21.1抢答器的应用与分类21.2基本功能21.3扩展功能3第2章方案论证42.1方案一42.2方案二42.3方案比较选择52.4方案一的原理简述5第3章电路设计63.1具体电路设计63.1.1抢答电路设计63.1.2抢答电路原理图83.1.3定时电路设计103.1.4抢答器控制电路设计123.2整机电路原理图13第4章仿真分析144.1抢答电路的仿真144.2定时电路的仿真144.3报警电路144.4整个抢答器的仿真电路15结论17致谢18参考文献19第1页第1章绪论1.1抢答器的应用与分类在现在科技进步的世界里，无论工厂、学校和电视台所举办的节目都可能会有各种智力竞赛，当遇到抢答环节时，如果要求主持人自己去用肉眼观察那一个选手抢答的速度最快无疑会对比赛结果造成很大的影响，使比赛失去了公平和公正性，这时候我们想到了抢答记分器是必要设备。我中学参加过各种竞赛，我们经常遇到有抢答的环节，由于条件有限多数采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者。为了使这种不为了使这种不公平不发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。本论文是一种采用数字电路制作的多功能数字抢答器，它主要采用了74系列的常用集成电路，它除了具有基本的抢答功能之外，还具有定时报警的功能，和数字显示的功能，当抢答开始后，系统会自动倒计时，并且时间是可以预设的，期间有人抢答的话系统会停止计时，如果期间没人抢答，系统会有报警，提示抢答结束。抢答器一般是在单位团体的专业知识竞赛中使用，其主要功能大体可分为两种：1单一抢答功能抢答器，在竞赛中只起到抢答作用，可向主持和观众展示抢答成功的组别。2抢答、记分功能抢答器，在竞赛过程中有抢答功能，又可给竞赛选手加分和显示分数的抢答器。记分抢答器根据其配置又可分为：a、手翻牌记分抢答器：具备抢答功能，每个竞赛选手面前放置一个手翻记分器。b、电子记分抢答器：具备抢答功能，每个竞赛选手面前放置一个LED高亮度数码管，电子记分屏，所有加分功能统一由一个记分控制台控制加减分数，属于高档抢答器，常在大型企事业单位和电视台的智力竞赛活动中使用。1.2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第2页相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。2给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。3抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示选手的编号。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。1.3扩展功能1抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的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。2参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上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。3如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，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”。第3页第2章方案论证现在抢答器的种类很多，抢答器的设计方案也有很多种。常用的两种方案如下：2.1方案一工作原理为：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，定时器显示设定时间；主持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。定时器倒计时。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作“清除”和“开始”状态开关。其结构图如2-1所示。抢答按键优先编码器锁存器译码电路抢答显示主持人控制开关时序控制电路报警电路脉冲产生电路定时电路译码电路定时显示扩展电路主体电路图2-1抢答器的组成框图2.2方案二电路作为抢答信号的接收、保持和输出的基本电路，手动清零开关为抢答按钮开关。本抢答器可同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个开关S0S7表示。同时设置一个系统清除和抢答控制开关，该开关由裁判控制。此抢答器应具有数据锁存功能与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在数码管上显示，同时蜂鸣第4页器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到裁判将系统清零为止。其结构图如2-2所示。抢答按键优先编码器锁存器译码电路抢答显示主持人控制开关时序控制电路报警电路图2-2抢答器的组成框图2.3方案比较选择比较方案一和方案二可以看出，方案一比方案二多了定时与定时显示功能，并且增加了控制电路，使电路更加简单明了，避免了重复，控制起来更加方便。抢答器对参赛选手的动作的先后有很强的分辨力，即使先后只相差几毫秒，抢答器也能分辨出来，抢答器直接显示抢答选手的编号，并保持到主持人清零为止。通过对比，最终选择方案一。2.4方案一的原理简述定时抢答器的总体框图如图2-1所示，它由主体电路和扩展电路两部分组成。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。扩展电路完成控制、定时功能。图2-1所示的定时抢答器的工作过程是：接通电源时，节目主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器显示设定的时间，当节目主持人宣布抢答题目后，说一声“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，定时器开始倒计时。当定时时间到，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其编号；2扬声器发出声响，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控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到第5页主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕，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。第6页第3章电路设计3.1具体电路设计3.1.1抢答电路设计由于是8路抢答器，所以优先编码器我选的是8线3线的74LS148，其管脚图如3-1所示。图3-174LS148管脚图74LS148为8线3线优先编码器，在电路中起优先判断的作用，其工作原理如下：该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。此外，电路还设置了输入使能端，输出使能端YS和优先编码工作状态标志。当=0时，编码器工作；而当EXYSTEXY=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。当为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑EXY0）时，优先编码工作状态标志为0。表明编码器处于工作状态，否则为1。由功能ST表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，Y2Y1Y0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由的状态加以区别，当1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时STSTY2Y1Y0=111为非编码输出；0时，Y2Y1Y0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。YS只有在为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它EXY可与另一片同样器件的连接，以便组成更多输入端的优先编码器。EX第7页锁存器选的是74LS279，它是由四个RS触发器组成的，其管脚图如3-2所示。4572311510914Q01Q23CPDUBOLDCR3D2D06图3-274LS279管脚图数码显示器件中的液晶数码管价格较高，驱动较复杂，并且仅能工作于有外界光线的场合，所以使用较少。大多情况下使用的是LED数码管。平时使用较多的LED数码有单字和双字之分。LED数码管尺寸有大有小，一般小的数码管，每个数字笔画为一个发光二极管，而尺寸较大的数码管一个笔画可能是多个发光二极管串接而成的，这时一般无法直接用译码驱动器直接驱动（其输出高电平一般为3V左右）因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成7段字型数码管所要求的代码。我们把能够将计算机输出的BCD码换成7段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”。选用的是74LS48，其管脚图如图3-3所示。图3-374LS48管脚图七段显示译码器在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成，如图3-4所示。下面对显示器和译码驱动器分别进行介绍。数码显示器是用来显示数字、文字或符号的器件，现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。第8页图3-4数字显示电路组成框图74LS48七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。74LS48有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO，74LS48的功能现简要说明如下：1灭灯输入BI/RBOBI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入ag均为0，所以字形熄灭。2试灯输入LT当LT0时，BI/RBO是输出端，且RBO1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出ag均为1，显示字形8。该输入端常用于检查74LS48本身及显示器的好坏。3动态灭零输入RBI当LT1，RBI0且输入代码DCBA0000时，各段输出ag均为低电平，与BCD码相应的字形熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。4动态灭零输出RBOBI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT1且RBI0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT1且RBI1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。3.1.2抢答电路原理图抢答电路的功能有两个：一是能分辨选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按键操作无效。选用优先编码器74LS148和DFF锁存器可以完成上述功能，其电路原理如图3-5所示。其工作原理是：当主持人控制开关处于“清除”位置时，RS触发器的端为低电平，输出端（4Q1Q）全部为R低电平。于是74LS48的输出=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端BI=0，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人开关拨到“开始”位ST第9页置时，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输入端70输入信号，当有选手将按键按下时(如按下S5)，74LSl48的输出I=010，=0，经RS锁存器后，CIR=l，74LS279处于工作状态，012YEX4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器显示出“5”。此外，CIR=1，使74LSl48的端为高电平，74LSl48处于禁止工作状态，封锁了其它按键的输入。当按下的键松ST开后，74LS48的为高电平，但由于CIR维持高电平不变，所以74LSl48仍处于禁EX止工作状态，其它按键的输入信号不会被接收。这就保证了抢答者的优先性以及抢答电路的准确性。当优先抢答者回答完问题后，由主持人操作控制开关S，使抢答电路复位，以便进行下一轮抢答。图3-5抢答电路第10页3.1.3定时电路设计倒计时电路我选用的是74LS192，74LS192的清除端是异步的。当清除端（CR）为高电平时，不管时钟端（CPD、CPU）状态如何，即可完成清除功能。74LS192的预置是异步的。当置入控制端（PL）为低电平时，不管时钟CP的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输入端（P0P3）相一致的状态。192的计数是同步的，靠CPD、CPU同时加在4个触发器上而实现。在CPD、CPU上升沿作用下Q0Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当进行加计数或减计数时可分别利CPD或CPU，此时另一个时钟应为高电平。当计数上溢出时，进位输出端（TCU）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPU低电平部分的低电平脉冲；当计数下溢出时，错位输出端（TCD）输出一个低电平脉冲，其宽度为CPD低电平部分的低电平脉冲。当把TCD和TCU分别连接后一级的CPD、CPU，即可进行级联。其管脚图如3-6所示。图3-674LS192管脚图秒脉冲电路我用的是555定时器组成的其原理图如图3-7所示。图3-7555构成多谐振荡器图3-8多谐振荡器的波形图由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和DcVc31第11页之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图3-8所示。Vc输出信号的时间参数是：21wtTCRtw)(7.02112其中，为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。5551wtVc3c322wt电路要求R1与R2均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。所以其倒计时定电路如图3-9所示。图3-9可预置时间的倒计时电路由555时基芯片和晶体管构成的报警电路如图3-10所示。在图3-10中，555时基芯片构成多谐振荡器，振荡频率为：，其输CRCRf)2(69.012ln)(120出信号经晶体管推动扬声器RL。555的第4脚输入控制信号PR，当PR为高电平时多谐振荡器工作，反之电路停振。第12页图3-10报警电路3.1.4抢答器控制电路设计抢答器控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：1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。2当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。3当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。a）抢答时序控制b）报警时序控制图3-11时序控制参考电路根据上述功能要求，时序控制参考电路如图3-11所示。在图3-11（a）中与门G1的作用是控制时钟信号CP的通过与封锁，与非门G2的作用是控制优先编码器74LS148的输入使能端。其控制过程是：当主持人控制S从“清零”位置切换到“开始”位置时，来自图3-5中74LS279的输出CTR=0，经过G3反相，A=1，则使非门G1开门，从555第3脚送来的时钟信号CP能够加到倒计时计数器的CPD端，计数器第13页74LS192进行“减1”计数，在设置的时间未完毕时，来自图3-9中的74LS192的借位端，与非门G2的输出电平，使74LS148处于正常的工作状态，从而实现上述功能（2）的要求。当选手在倒计时的时间内按动抢答按键时，CTR=1，经过G3反相后，使得A=0，于是G1关门，CP信号被封锁，倒计时电路处于“保持”状态，与非门G2的输出电平，74LS148处于禁止工作状态，从而实现上述功能（1）的要求。当倒计时设定的时间到来时，来自74LS192的借位端，经与非门G2反相后，则74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答，此时与门G1处于关门状态，封锁CP信号，使倒计时电路为“00”状态，从而实现上述功能（3）的要求。图3-5中的74LS121用于控制报警电路及发声的时间。3.2整机电路原理图经过上面抢答电路的设计、定时电路的设计、报警电路的设计、抢答器控制电路设计和显示电路的设计后，把几个电路设计经过分析、综合，连接起来就形成了整机电路。其电路原理如下图3-12所示：图3.12整机电路图第14页第4章仿真分析4.1抢答电路的仿真由前面的设计在仿真软件中找出元器件：电阻、开关、74LS148、74LS279、74LS48、晶体显示管、5V电源和地线。在按照抢答器电路设计的图排好，并把线连好。如图4-1。图4-1抢答电路仿真图4.2定时电路的仿真也是由前面的设计图来找出元器件：电阻、电容、与非门、开关、555定时器、74LS149、74LS48、晶体显示管、5V电源和地线。在按设计的定时电路图连好线，如图4-2。4.3报警电路由于在EWB中没有找到74LS121，就无法按前面设计的报警电路来在仿真中实现，故而我就在仿真中根据是在显示“00”是报警的，就另外练了一个简单的电路，当显示“00”是灯亮，如图4-3。第15页图4-2定时电路仿真图图4-3报警电路仿真图4.4整个抢答器的仿真电路这个整个仿真电路就是把前面的三个电路仿真综合起来就是了，不过在整个电路综合中还是出现了很多问题，就是倒计时和抢答器不同步，如：有人抢答了，而倒计时还在计时；倒计时完了，而还可以抢答等。不过还在不懈的努力下完成了。如图4-4。第16页图4-4整机电路仿真图第17页结论本设计主要针对在一些不是很大的场合使用的抢答竞赛，它设计简单。本设计具有定时、抢答、显示