《八路智力抢答器》.doc

毕业设计题 目 八路智力抢答器 学生姓名 贾文宁 专 业 应用电子技术 学 号 0830302113639 指导教师 肖 军 2011 年 4 月 16 日八路智力抢答器摘要：在学校和企事业单位举行的简单的抢答活动，抢答器是必不可少的，但是有的抢答器存在超前犯规抢答的弊端。为解决这个问题，本文将设计一个具有计时和报警功能的八路数显抢答器，并在设计中通过EWB5.0软件的仿真调试，达到令人十分满意的设计效果。关键词：抢答器 计时 报警 仿真1Eight intelligence Responder Abstract: Responder is essential that be held in schools and enterprises of the answer in simple activities, but there is some problems that Responder with ahead of the drawbacks. To solve this problem, we will design eight digital Responder of timing and alarm features, and design simulation software by EWB5.0，debug the design to achieve very satisfactory results.Keywords: Responder Alarm timing simulation 目 录引言41 方案的简介42电路设计52.1抢答电路设计52.2 定时电路设计72.3 秒脉冲产生电路设计92.4 报警电路设计92.5 时序控制电路设计102.6 整机电路设计113 抢答器电路的仿真143.1秒脉冲产生电路的仿真143.2抢答电路的仿真153.3 定时电路的仿真15结 论17参考文献183引言随着我国经济和文化事业的发展，在很多公开竞争场合要求有公正的竞争裁决，诸如各种智力竞赛，因此出现了抢答器。抢答器一般是由很多电路组成的，线路复杂，可靠性不高，功能也比较简单，特别是当抢答路数很多时，实现起来就更为困难。传统普通抢答器主要存在以下缺陷：(1) 在一次抢答过程中，当出现超前违规抢答时，只能处理违规抢答信号，而对没有违规的有效抢答信号不能进行处理，因而使该次抢答过程变为无效。(2) 当有多个违规抢答时，普通抢答器或采用优先编码电路选择其中一个，或利用抢答电路电子元件的竞争选择其中一个。对于后者由于抢答电路制作完毕后电子元件被固定。各路抢答信号的竞争能力也被固定，因而本质上也有优先权，普通抢答器存在不公平性。(3)当有多个违规抢答时,普通抢答器只能抓住其中一个而出现漏洞。基于以上原因，本文设计了以集成芯片为核心的新型智能的抢答器，在保留了原始抢答器的基本功能的同时又增加一系列的实用功能并简化其电路结构。1 方案的简介本电路由主体电路和扩展电路组成，分别由集成编码器、计数器、触发器、定时器和必要的门电路等组成，其中主体电路的作用是完成主持人的控制系统清零与抢答开始功能以及完成参赛者的抢答并显示其编号的功能，扩展电路即控制电路，主要包括秒脉冲发生电路和定时电路。该抢答器实现了以上清零、抢答、数据锁存、自动计时等功能，可以保证8个参赛者或参赛队公平的抢答 。方案的总体框图如图1所示：该方案是将抢答按钮先直接与锁存器，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。八路抢答开关8D锁存器优先编码器七段译码器七段数码显示管秒脉冲发生器主持人控制开关减数器七段译码器七段数码显示管集成单稳态触发器报警电路图1 方案的总体设计框图2电路设计2.1抢答电路设计抢答电路的功能有两个：一是选手抢答后锁存器进行数据锁存，禁止其它选手抢答，二是抢答后的电平信号由优先编码器判断选手编号，并经译码器译码再由显示器显示该编号。电路是由八D锁存器、优先编码器74148和七段译码器7448和七段数码显示器组成。74LS373是常用的八D锁存器，它功能表如表1所示。表1. 芯片74LS373的功能表输出控制端OC使能端CD输出LHHHLHLLLLQ0HZ表可知，只有当使能端为高电平时才能将输入信号输出，同时锁存，且此时由功能输出控制端为低电平。74LS148是有八个输入端，三个输出端的优先编码器，它的功能是判断抢答选手的编号。74LS148的功能表如表2所示。表2 74LS148的功能表七段显示译码器7448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。七段显示译码器一般与七段共阴极数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路。表3 共阴极数码显示器的功能表十进制A3A2A1A0abcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111910011110011抢答器电路（图2.1原理是：当任意一个选手按下抢答按钮后，74LS373开始工作，与输入端对应的输出端为低电平，低电平经过74LS148编码后输出的是一组与输入对应的三位二进制数，再经过译码显示电路将对应的编号显示出来。编码器74LS148工作时输出使能端为高电平，将其连接到锁存器的控制端口，使其由低电平变为高电平，禁止它再工作，即使其他选手再按动按钮，也不会再有输出，也就是完成了锁存功能。图2.1抢答器电路图2.2 定时电路设计本次设计的要求中有一项是有定时抢答的功能，并且一次抢答的时间可以由主持人设定。这就要设计定时电路。定时电路是由两片74LS192、7448和共阴极显示器组成的。其中7448和共阴极显示器共同构成数码显示功能电路在前面的抢答电路中已经介绍过了。两片74LS192是构成两位十进制递减计数器，以实现定时功能。74LS192是具有置数和清零功能的同步十进制减计数器，其功能如表4所示： 表4 74192的功能表 由以上集成芯片设计的定时电路如图2.2所示。定时电路（图2的工作原理是：首先主持人根据题的难易程度来确定抢答时间，并通过74LS192的置数端将时间输入，抢答开始时主持人将清零开关置低电平，计数器开始递减计数至00，产生报警，计数器停止工作。计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。图2.2时间的定时电路图2.3 秒脉冲产生电路设计为了准确地计时，设计中不能缺少秒脉冲产生电路，即能产生周期为一秒的脉冲的电路。如图2.3所示为用555设计的秒脉冲产生电路，因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。图中电容的充放电时间分别是：t1=R2C1ln20.7R2C.t2=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C. 所以555的3端输出的频率为： f=1/(t1+t2)1.43/(2R1+R2)C 我们采用的电阻和电容值分别是:R1=15K，R2=64K，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲 图 2.3 秒脉冲产生电路2.4 报警电路设计报警电路是由555定时器组成的，电路如图2.4所示图中555定时器用来构成多谐振荡器，震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。也就是说需要报警时只需控制输入端就可以了。 图2.4报警电路图2.5 时序控制电路设计控制电路包括控制扬声器发声时间的部分电路和将以上各个部分电路连接起来的电路因为扬声器的发声时间要控制在0.5秒，所以要控制报警电路的输入脉冲的脉宽，也就是脉冲周期。可以选用不可重复触发单稳态触发器74LS121，它的功能表如表5所示。 表5 74121的功能表由功能表可知，当三个输入端的状态不变时输出是低电平，低电平接至报警电路的输入端是不会有报警信号的，只有当输入端有上升延或是下降延（具体如表）时，输出端才会有单次脉冲，将高电平接至报警电路时就会产生报警信号了。这部分控制电路的电路图如图2.5所示: 图2.5控制部分电路图图中的电阻和电容的值可以决定脉冲宽度： Tw0.7RC。要求报警时间为0.5秒，所以我们选择电阻R=10 k，电容C=71F 。2.6 整机电路设计各部分电路都已经的设计完毕，现在介绍一下总体电路。在部分电路图上已经表示出了它们之间的联系。相同编号的输出端和输入端是要连接在一起的，例如，输出端1要接输入端1，输出端2要接输入端2，依此类推，把各个电路连接起来就是总体电路图了。开关K是主持人控制的，开始时接高电平，清零时接低电平。同时还有主持人的置数开关和选手的抢答开关，分别在定时电路和抢答电路中。图中“1”表示要接高电平+5V,“0”表示接低电平，即接地。下面介绍本次设计的抢答器的使用原理。首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是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”的位置，输出低电平，分为三路：一路与74LS148的E0端与非后变为高电平输出到74373的使能端C，此时锁存器不锁存数据，所以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；三是与集成单稳态触发器74LS121相连，因为是低电平所以没有报警信号。接下来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的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192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，此高电平有三路方向：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；当任意一个选手抢答时，例如2号抢答时，八D锁存器74LS373工作，与输入端相对应的输出端2Q输出低电平，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A2A0成为与输入信号相对应的三位二进制码001，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，74LS48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74LS373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74LS192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；若没有选手按动按钮，则74LS373输出全为高电平，74LS148也输出高电平，E0端输出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示；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74LS192的借位输出端输出高电平，将此输出高电平输入到单稳态触发器74LS121的B端口，使其产生周期为0.5s的脉冲刺激报警路发声提示；综上所述，这次设计的电路完全可以实现要求中的所有功能。下图是整机图:3 抢答器电路的仿真 为检验试验设计的正确与否，要EWB5.0按电路图选择芯片并连线进行仿真，通过仿真图上数码显示管的显示数字或者示波器上的波形等可观察的现象来判断部分电路是否正确。下面介绍各部分电路的仿真。3.1秒脉冲产生电路的仿真图3.1 555秒脉冲产生电路仿真图 图 3.2 555秒脉冲产生电路产生的脉冲波如图3.1是秒脉冲产生电路的仿真图，图3.2是按动仿真开关后示波器上显示的秒脉冲图由图可知按照电路图可以产生波形，所以这部分电路也是正确的。3.2抢答电路的仿真按照前面的电路图，在MULTISIM软件上选择对应的芯片74LS148和四输入的数码显示管，连接电路。因为无法演示动态的抢答过程，所以假设第一个抢答的是3号选手，则代表三号的按钮S3接低电平，其它按钮都接高电平。得到如图3.3所示的仿真图。因为图中显示管上显示的是3，所以可得抢答电路的设计是成功的。图3.3抢答电路的仿真图3.3 定时电路的仿真同上，先按照电路图在MULTISIM软件上选择对应的芯片74LS192和四输入端的数码显示管，按图连接电路，各个控制端接能使定时电路正