声光智力竞赛抢答器的设计

第0页共25页摘要智力竞赛抢答器是一个供参赛组进行智力竞赛的装置，该装置由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存电路、译码电路将参赛组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记时功能，构成扩展电路。本文详细介绍了抢答器的设计方案、功能及在设计过程中所做的改进。关键词抢答电路；定时电路；报警电路；时序控制目录摘要.1第1章绪论.21.1设计任务.21.2课题目的与意义.31.3抢答器的组成框图.3第2章基本知识介绍.52.174LS148优先编码器.52.274LS279锁存器.62.2.174LS279芯片的功能.62.2.274LS279锁存器电路.72.3555定时器.72.3.1555定时器的基本功能.72.3.2555组成的基本电路及应用.92.4显示译码器74LS48.112.4.1发光二极管显示器.112.4.2译码驱动器.112.5芯片74LS192.13第3章电路设计.143.1抢答电路设计.143.2定时电路设计.153.3声音电路设计.163.4时序控制电路设计.17第章电路综合.184.1整机电路介绍.18I4.2电路仿真.184.2.1抢答电路的仿真.184.2.2定时电路的仿真.194.2.3声音电路仿真.194.3安装与调试应注意的问题.20总结.22致谢.23参考文献.24附录整机电路原理图.25第0页共25页第1章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，就很容易出现错误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。在本次设计中，将主要设计一个定时抢答器。他要实现以下主要功能：（1）主持人可以控制系统的清零与抢答开始；（2）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，并且扬声器发声提示，同时其他人再按对应按钮无效；（3）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；（4）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；（5）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。1.1设计任务1抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮表示。70S2设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。3抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声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主持人将系统清除为止。4抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。第1页共25页5参赛选手在设定的时间内进行抢答，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的时间，并保持到主持人将系统清除为止。6如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。1.2课题目的与意义随着社会经济的发展，人们对生活质量的追求越来越高。所开设的娱乐活动也是越来越多了，例如智力竞赛抢答，但是往往由于主持人和抢答者本人所造成的误差而导致活动的不公平性。作为一个当代大学生设计一款智力竞赛抢答器解决了在活动中的这一弊端。因此在这毕业之际设计抢答器，不仅让我巩固了所学知识并应用于实践，同时也让我觉得所学知识能贡献于社会，所读的这几年书是没有白念的。让我有了一个质地的飞跃。1.3抢答器的组成框图定时抢答器的总体框图如图1-1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，当选手按动抢答按钮时，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。扩展电路完成定时抢答功能。抢答按钮优先编码电路锁存器译码电路显示电路主持人控制开关控制电路报警电路秒脉冲产生电路定时电路译码电路显示电路主体电路扩展电路图1-1抢答器的组成框图第2页共25页图1-1所示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”，同时将控制开关拨到“开始”位置，扬声器给出声响提示，抢答器处于工作状态，定时器倒计时。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按钮时，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，并保持到主持人将系统清零为止。当选手将问题回答完毕时，主持人操作控制开关，使系统恢复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。第0页共25页第2章基本知识介绍2.174LS148优先编码器表2-1是74LS148电路的功能表，图2-1是8线-3线优先编码器74LS148的逻辑符号。表2-174LS148电路的功能表输入输出S0I12I34I56I72Y0SYEX1XX11111011111111111010000010001001100XX011010100011101110001111100100011111101100X01111111101000111111111110第1页共25页图2-174LS148的逻辑符号在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上的编码信号。不过在设计优先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时，只对其中优先权最高的一个进行编码。1编码输入70I从8线-3线优先编码器74LS148的功能表可以看出，输入信号在时表示发出0S编码信号，故逻辑符号输入端上面均有“-”号，这表示编码输入低电平有效。70I从功能表中看出，的优先权最高，而的优先权最低。只要，就对进行编7I07I7I码，而不管其它输入信号为何种状态。2编码输出端、2Y10从功能表可以看出，74LS148编码器的编码输出是反码。比如，对编码，应当输0I出000，而电路输出的是111；对编码，应当是101，而电路输出为010，这点请读5I者注意。为此，、上面都有“-”号，这表示输出为反码。2Y103选通输入端S只有在时，编码器才处于工作状态；而在时，编码器处于静止状态，所1S有输出端均被封锁为高电平。4选通输出端和扩展输出端SYEXY第2页共25页和是为扩展编码器功能而设置的。SYEX从功能表可以看出，只有当所有编码输入端都是1（即没有编码输入），并且时，才为0。可见，表示“电路工作，但无编码输入”。0S0SY从功能表还可以看出，只要任何一个编码输入端有0，且，则为0。因此，SEXY表示“电路工作，且有编码输入”。EXY2.274LS279锁存器2.2.174LS279芯片的功能其管脚图2-2如下图所示：74LS279内部是由4个基本RS触发器组成的。当有一个人优先抢答后其它的就不能抢答了。其它的虽然有电平输入，但是输入的电平保持原态不变。74LS279内部的4个基本RS触发器的R输入端为高电平有效。图2-2管脚图2.2.274LS279锁存器电路锁存器参考电路如图2-3所示。图中R端接主持人控制开关，抢答前，控制开关使锁存器输出为零。、分别与编码器的输出端、和工作状态标1S234S2A10志GS联接，当有抢答开关按下，编码器输出相应的二进制代码，经锁存器保持抢答信息。编码器工作状态标志GS使锁存器输出为“1”，联接到编码器74LS148的输入0Q01234567891011213141516GNDVC1R1S11S21Q2R2S2Q3R3S2R4S3Q3S14QQ0Q1Q2Q3S0S1S2S3RRRR74L9+5VRESTSTAR控制开关10KABCA21A0GSBI/RO第3页共25页使能端，封锁其它路输入，同时接译码电路74LS48的控制端，当其为高电SRBOI/平时，译码器工作，当其为低电平时，字型全“灭”。、与译码显示电路的输1Q23入端相连，控制开关为主持人所设，S打向RESET端复位后才可以抢答。图2-374LS279锁存器参考电路2.3555定时器2.3.1555定时器的基本功能555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。555定时器原理图及引线排列分别如图2-4与2-5所示。其功能见表2-2。定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给和提供参考电平2/3和1/3。和的输出端控制RS触发器1A2CVC1A2状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3时，触发器复位，3脚输出V为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3时，触发器置位，3C脚输出高电平，放电管截止。4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则；正常工作时4接为高电平。0V5脚为控制端，平时输入2/3作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，C即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通常接0.01F电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。第4页共25页图2-4555定时器内部框图图2-5555定时器引脚排列表2-2555定时器的功能表2.3.2555组成的基本电路及应用1构成单稳态触发器电路如图2-6所示，接通电源电容C充电（至2/3Vcc）RS触发器置第5页共25页0，T导通，C放电，此时电路处于稳定状态。当2加入1000PF，只要满足的重复周期大于，电路即可工作，I0pt实现较精确的定时。图2-6单稳态触发器2多谐振荡器电路如图2-7所示，电路无稳态，仅存在两个暂稳态，亦不需外加触发信号，即可产生振荡（振荡过程自行分析）。电容C在1/3Vcc-2/3Vcc之间充电和放电。555电路要求R1与R2均应大于或等于1k，使R1+R2应小于或等于3.3M。图2-7多谐振荡器3密特触发器第6页共25页电路如图2-8所示。Vs为正弦波，经D半波整流到555定时器的2脚和6脚，当上升到2/3Vcc时，从10；下降到1/3Vcc时，又从01。电路的电压传输iV0Vi0V特性如图2-1所示。回差电压：V=1/3Vcc（2-1）图2-8施密特触发器图2-9电压传输特性2.4显示译码器74LS482.4.1发光二极管显示器8段发光二极管数码显示器BS201/202（共阴极）和BS211/212（共阳极）的等效电路如图2-10所示。其中，BS201和BS211每段的最大驱动电流约10mA，BS202和BS212每段的最大驱动电流约15mA。第7页共25页驱动共阴极显示器的译码器输出为高电平有效，如74LS48、CC4511；而驱动共阳极显示器的译码器输出为低电平有效，如74LS46、74LS47等。a）共阳极LEDb)共阴极LED图2-10发光二极管显示器2.4.2译码驱动器74LS48为BCD-7段译码器，74LS48用来驱动共阴极的发光二极管显示器。74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻（可以直接与显示器相连接）。74LS48的功能表如表2-3所示，其中为8421BCD码输入端，ag7段译码输出端。0123A表2-374LS48功能表输入输出功能或数字LTRBI3210RBOIabcdefg显示字形灭灯试灯动态灭零xx0x10xxxxxxxx00000(输入)10000000011111110000000灭灯8灭灯第8页共25页0123456789101112131415111x1x1x1x1x1x1x1x1x1x1x1x1x1x1x0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111111111111111111111111100110000110110111110010110011101101100111111110000111111111110110001101001100101000111001011001111100000000123456789注：是一个特殊端，有时用作输入，有时用作输出。RBOI/各使能端功能简介如下：灯测试输入使能端。当=0时，译码器各段输出均为高电平，显示器各段LTLT全亮，因此，=0可用来检查74LS48和显示器的好坏。：动态灭零输入使能端。在=1的前提下，当=0且输入RBIRBI=0000时，译码器各段输出全为低电平，显示器各段全灭，而当输入数据为0123A非零数码时，译码器和显示器正常译码和显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。：静态灭灯输入使能端，只要=0，不论输入为何种电平，译码器BIBI0123A各段输出全为低电平，显示器灭灯（此时为输入使能）。RO/RBO：动态灭零输出端。在不使用功能时，为输出使能（其功能是只IBI/有在译码器实现动态灭零时RBO=0，其它时候RBO=1）。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的RBO接到相邻低位的，实现小数位的零消隐是将低位的RBO接到相邻高位的。RBIRI2.5芯片74LS19274LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如图2-11所示第9页共25页a）引脚排列b）逻辑符号图2-1174LS192的引脚排列及逻辑符号图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出PLUCPDCPUTC端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，DTCQ0、Q1、Q2、Q3为数据端。其功能如表2-4所示。表2-474LS192的功能表输入输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加计数011减计数第10页共25页第3章电路设计3.1抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，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钮操作无效。选用优先译码器74LS148和锁存器74LS279可以完成上述功能，其电路组成如图3-1所示。图3-1抢答电路工作原理是：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，R输出端（4Q1Q）全部为低电平。于是74LS48的=0，显示器灭灯；74LS148的选BI通输出端，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。当主持人开关拨到0ST“开始”位置时，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，等待输入端输入信号，当有选手将按钮按下时（如按下S5），74LS148的70I第11页共25页输出=010，=0经RS锁存器后，CTR=1，74LS279处于工作状态，012YEX1BI4Q3Q2Q=101，经74LS48译码后，显示器上显示出“5”。此外，CTR=1，使74LS148的端为高电平，74LS148处于禁止工作状态，封锁其他按钮的输入。当按下的按钮ST松开后，74LS148的为高电平，但由于CTR维持高电平不变，所以74LS148仍处EXY于禁止工作状态，其他按钮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。3.2定时电路设计该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、74LS192十进制同步加减计数器、74LS48译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。具体电路如图3-2所示。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。74LS192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DPY-7-SEG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，BO2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。下面结合图3-2具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。图中电容C的放电时间和充电时间分别为：（3-1）CRt.7021（3-2）Int).()(212于是从NE555的3端输出的脉冲的频率为（3-3）CRtf)(43.1212第12页共25页结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本，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。ZHf1图3-2可预置时间的定时电路3.3声音电路设计由555定时器和三极管构成的报警电路如图3-3所示。其中，555构成多谐振荡器，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作；反之，电路停振。图3-3报警电路第13页共25页3.4时序控制电路设计时序控制电路抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能。1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。2当参赛选手按动抢答键时，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。根据上面的功能要求以及图3-1和图3-2，设计的时序控制电路如图3-4所示。图中，门G1的作用是控制时钟信号CP的放行和禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端。图3-4a)所示电路的工作原理是：主持人控制开关从“清除”位置拨ST到“开始”位置时，来自图3-1的74LS279的输出CTR=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减。同时，在定时时间未到时，来自图3-2所示74LS192的借位输出端，门G212BO的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能（1）的要求。当选手在ST定时时间内按动抢答按钮时，CTR=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功1ST能（2）的要求。当定时时间到了，来自74LS192的，74LS148处于禁12BOST止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能（3）的要求。74LS121用于控制报警电路及发声的时间。第14页共25页a）抢答与定时电路的时序控制电路b）报警电路的时序控制电路图3-4时序控制电路第15页共25页第章电路综合4.1整机电路介绍经过以上各单元电路的设计，可以得到定时抢答器的整机电路，如图4-1所示。U1、U2、U5、U9、U11组成了抢答电路，U3、U4、U6、U7、U8、U9、组成了定时电路，U10、U13组成了报警电路，U12为报警电路的时序控制电路。图4-1整机电路4.2电路仿真4.2.1抢答电路的仿真主持人的控制开关为0，参赛选手的抢答按钮为18。分别用键盘上的08号键与其一一对应来进行控制，当把图画完整后就按EWB的运行开关，如果主持人把开关打在清除端则显示器上始终显示0，如果主持人把开关打在开始端则显示器显示选手所对应的号数，其仿真图如图4-2所示。01012123341526374EI5EO15A0917A26GS14U174LS481R11Q4S21232R52Q7S63R103Q9S132124R144Q13S5U274LS79D015Q03112D210Q263937UP5TCU12DN4D3PL1MR4U374LS192D015Q03112D210Q263937UP5TCU12DN4D3PL1MR4U47LS192A7QA13B1B2C2QC1D6D0BI/RBO4QE9I5F15LT3QG4U574LS48A7QA13B1B2C2QC1D6D0BI/RBO4QE9I5F15LT3QG4U674LS48A7QA13B1B2C2QC1D6D0BI/RBO4QE9I5F15LT3QG4U74LS48R4DC7Q3GND1VC8TR2TH6CV5U85R10kR210k234567891RPRESPACK-812U9:A74LS04121312U10:A74LS1C1uFC21nF+5vBO2BO2+5VR310k+5V123U1:A74LS0+5VBO234U9:B74LS04CTRSW1-PDTCTRCX10RX/C1RINT9A1324B5Q6Q1U127412R410kC31uF+5vPRSYEXBO2R4DC7Q3GND1VC8TR2TH6CV5U135R610kR710kR810kC41nFQ12N71R910kC51uFR01kLS1PEAKRCTRP第16页共25页图4-2抢答电路仿真4.2.2定时电路的仿真先在EWB中画好定时电路部分的电路图，再按下EWB软件中的仿真运行开关，则可见显示器上从预置的时间30秒开始倒计时，其仿真图如图4-3所示。图4-3定时电路仿真4.2.3声音电路仿真当输入的控制信号为高电平时电路才能仿出波形，且波的频率，否则不能。ZHf1第17页共25页声音电路的仿真电路图与波形图分别为图4-4图4-5所示。图4-4声音电路仿真图4-5声音电路波形4.3安装与调试应注意的问题在EWB中找74LS这些芯片的时候没有写LS比如：74LS48就只写成7448。在画图时要注意各个引脚的连接，因为在软件中引脚的标号与芯片的逻辑图的标号是不一样的。在调试的时候一定要记得是不是有哪个开关应该打开还是关闭，否则就始终要不到自己所需要的结果。此设计中不足就是抢答部分的译码只能显示17而不能显示8这个数字，还有就第18页共25页是不能听到报警的声音，只能观看它的波形。第19页共25页总结实用抢答器的这一产品是各种竞赛活动中不可缺少的设备，在国内外都是比较有用的，而它的发展也是比较快的，从一开始的光具有抢答锁定功能的一个电路，到现在的具有倒计时、定时、自动（或手动）复位、报警（即声响提示，有的以音乐的方式来体现）、屏幕显示、按键发光等多种功能的技术合并，这就可以说明其多种功用及发展的快速。我所设计的抢答器主要介绍了它的功能有那些，设计它的目的与意义是什么，画出了它的设计框图。在第2章中介绍了基本元器件的功能，这些元器件是74LS148、74LS279、74LS48、74LS192、555定时器。第3章介绍了抢答器的设计部分，其中介绍了抢答部分、定时部分、声音部分、时序控制部分。并在论文中有相应的设计图，更能让人们具有一目了然的效果，第4章则是仿真部分，仿真就是为了能很好的说明我设思路的正确性。在这次设计中，我觉得比较成功的是能实现声光显示，这样能比较公平的让抢答者进行抢答，但是它也有不足的地方，那就是扬声器容易坏掉，可能好多的时候不能发声。第20页共25页致谢在此次设计中，我得到过老师和同学的帮助与支持。尤其是我的指导老师。在他紧张而又繁忙的工作之中，还要抽出一定的时间为我们申报设计课题，并且不断的为我进行指导，也正是有王老师的耐心指导，我此次的设计才能够顺利并按时的完成，在这里我深深的对他表示感谢。在这里请接受我诚挚的谢意！谢谢您们！第21页共25页参考文献1邱寄帆，唐程山