项目10 多路智力竞赛抢答器的设计

1、项目项目1010 多路智力竞赛抢答器的设计多路智力竞赛抢答器的设计 昆明冶金高等专科学校昆明冶金高等专科学校- -精品课程精品课程- -数字电子技术数字电子技术 数字电子技术应用数字电子技术应用 项目目标项目目标 项目项目10 10 多路智力竞赛抢答器的设计多路智力竞赛抢答器的设计 熟悉数字电路中编码器、锁存器和熟悉数字电路中编码器、锁存器和555定时器等的应用。定时器等的应用。 进一步熟悉译码、显示等单元电路的使用。进一步熟悉译码、显示等单元电路的使用。 学习电路系统的整机系统的整机调试方法。学习电路系统的整机系统的整机调试方法。 任务引入任务引入 项目项目10 多路智力竞赛抢答器的设计多路

2、智力竞赛抢答器的设计 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，要 求抢答器具有以下功能： 1）置一个控制开关供主持人使用，用于控制系统的复位和抢答开始。 2）抢答器具有数据锁存和显示功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮， 编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器发出音响 提示。同时封锁输入电路，禁止其它选手抢答。优先抢答选手的编号一直保 持到主持人将系统复位为止。 3）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。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， 同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5s左右。

3、 4）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。 5）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，系统短 暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示00。 任务分析任务分析 项目项目10 多路智力竞赛抢答器的设计多路智力竞赛抢答器的设计 抢答器总体结构由两大部分组成：主体电路和扩展电路。主体电路 完成基本的抢答功能，扩展电路完成定时抢答的功能。8路抢答器原理 框图如图10-1所示： 抢答按钮 优先 编码电路 锁存器译码电路显示电路 控制开关 主持人 控制电路声响电路 秒脉冲 产生电路

4、 定时电路译码电路显示电路 主体电路 扩展电路 图10-1 8路抢答器原理框图 任务任务1 1 抢答电路的设计抢答电路的设计 项目项目10多路智力竞赛抢答器的设计多路智力竞赛抢答器的设计 任务任务2 2 定时电路的设计定时电路的设计 任务任务3 3 声响声响电路和时序控制电路的设计电路和时序控制电路的设计 任务任务4 4 8 8路抢答器的设计路抢答器的设计 任务任务1 1 抢答电路的设计抢答电路的设计 1抢答电路器件的选择抢答电路器件的选择 抢答电路的功能有两个：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答 者的编号供显示译码器用；二是要使其它选手的按键操作无效。 根据功能分析，选用优先编码器74

5、LS148和RS锁存器74LS279来完成上述 功能，优先编码器74LS148在项目3中进行了介绍，这里介绍RS锁存器 74LS279，四 RS锁存器74LS279引脚如图10-2所示。 RS锁存器74LS279为四RS锁存器，共有 54/74279 和 54/74LS279 两种电 路结构型式，四个锁存器中具有2 个置位端，1Q4Q 为输出端，/2S、/4S 为 置位端（低电平有效），/1R/4R 为复位端（低电平有效）。74LS279 的输入输出关系见表10-1，/S的低电平是指/S1和/S2只要有一个为低电平， /S 的取值就为低电平；/S的高电平表示必须/S1和/S2均为高电平，/S的

6、取值 才为高电平。 任务任务1 1 抢答电路的设计抢答电路的设计 图10-2 四 RS锁存器74LS279引脚图 表10-1 74LS279输入输出关系表 R /S取值 取值输出端Q的值 低电平高电高电平 高电平低电平低电平 高电平高电平Q 被锁存在已建立的电平 低电平低电平不稳定的高电平状态。 R 任务任务1 1 抢答电路的设计抢答电路的设计 2抢答电路的设计抢答电路的设计 抢答电路的工作原理是：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1Q4Q全为低电平，于是74LS148的 /=0，显示器灭灯；74LS148的选通输入端=0，74LS148处于工作状态， 此时锁

7、存电路不工作，当主持人开关拨到“开始”位置时，优选编码 器和锁存器同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，等待输 入端输入信号，当有 选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输 出=010，=0，经RS锁存器后，/=1，Q4Q3Q2=101，经74LS48译码后， 显示器显示“5”。此时，=1，使74LS148处于禁止工作状态，封锁了其 它按键的输入。当按下的键松开后，74LS148的=1，但由于1Q维持高 电平不变，所以74LS148仍处于禁止工作状态，其它按键的输入信号不 会被接收，这就保证了抢答者的优胜性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

8、抢答电路复位，以 便进行下一轮抢答。 抢答电路的电路组成如图10-3所示。 任务任务1 1 抢答电路的设计抢答电路的设计 图10-3 抢答电路 任务任务2 2 定时电路的设计定时电路的设计 1.计数器芯片的选择计数器芯片的选择 节目主持人根据抢答题的难易程度，预先设定一次抢答的时间，并通 过预置的时间电路对计数器进行预置，开始后，计数器做减法计数，减至0 时，计时时间到。 选用十进制同步加减法可预置计数器74LS192进行设计，其芯片引脚 如图10-4所示。 图图10-4 74LS192芯片引脚图芯片引脚图 任务任务2 2 定时电路的设计定时电路的设计 十进制同步加减法可预置计数器74LS19

9、2的逻辑功能见表10-2。 表10-2 74LS192功能表 任务任务2 2 定时电路的设计定时电路的设计 2定时电路的设计定时电路的设计 计数的时钟由秒脉冲电路提供（可参考项目9获得秒脉冲），显示译码 器选用74LS48芯片，设计定时电路如图10-5所示。 图10-5 定时电路电路图 任务任务3 3 声响电路和时序控制电路的设计声响电路和时序控制电路的设计 1声响电路的设计声响电路的设计 由555定时器和晶体管构成的声响电路如图10-6所示，其中555构成多 谐振荡器，其输出信号经晶体管推动扬声器。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。 图图10-6 声响电路图

10、声响电路图 任务任务3 3 声响电路和时序控制电路的设计声响电路和时序控制电路的设计 2.时序控制电路的设计时序控制电路的设计 时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能： 1）主持人将控制开关拨到）主持人将控制开关拨到“开始开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定位置时，扬声器发声，抢答电路和定 时电路进入正常抢答工作状态。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禁止工作。 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。 抢答与定时电路的时序控制电

11、路如图10-7所示，图中门G1的作用是控制时钟信号 CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端。其工作原理是：主持人 控制开关从“清除”位置拨到“开始”位置时，来自于74LS279的输出1Q=0，经G3反 相，G3输出为1，则从秒脉冲电路输出端来的CP能够加到十进制同步加减法可预置计 数器74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时在定时时间未到之前， 来自74LS279的借位输出控制端=1，门G2的输出=0，使74LS148处于正常状态，从而 实现功能1）的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q=1，经G3反相，G3输出 为0，封锁CP信号，定时器处于

12、保持工作状态。同时，门G2的输出=1，74LS148处于 禁止工作状态，从而实现功能2）的要求。当定时时间到，来自74LS192的 =0，=1， 74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时，门G1处于关门状态，封锁CP 信号，使定时器保持00状态不变，从而实现功能3）的要求。 任务任务3 3 声响电路和时序控制电路的设计声响电路和时序控制电路的设计 图10-8是声响电路的时序控制电路，74LS121为单稳态集成触发器，用于控 制声响电路及声响的时间。主持人将控制开关拨到“清除”位置时，B=0，触 发器输出Q=0，声响电路停止工作。主持人控制开关从“清除”位置拨到“开 始”位置时，B

13、=1，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时，由1变为 0，触发器触发进入暂稳态，Q端输出一正脉冲，声响电路工作，扬声器发出声 响信号，声响的时间持续t0.7R11C3 =0.7*100000*10*10-6=0.7s。当定时时间到，又由1变为0，触发器再次触发，扬 声器又发出声响信号。 任务任务4 84 8路抢答器的设计路抢答器的设计 1抢答器的工作过程抢答器的工作过程 回顾抢答器的设计要求，我们可以知道抢答器的工作过程是：接通电源 后，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节目后， 发出“抢答开始”指令

14、，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。当计时时间到，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4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，避免其它选项手再次进行抢答。 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，主持人操作控 制开关，使系统回复到禁止工作状态，

15、以便进行下一轮抢答。 任务任务4 84 8路抢答器的设计路抢答器的设计 2整机电路设计整机电路设计 经过以上各单元电路的设计，可得到抢答器的整机电 路，如图10-8所示。电路元器件清单： 74LS148 1片 4LLS279 2片 74LS48 3片 74LS192 2片 74LS74 1片 74LS20 1片 CD4060 1片 74LS00 1片 74LS04 1片 74LS121 1片 共阴极数码管3只 任务任务4 84 8路抢答器的设计路抢答器的设计 时 间 预 置 开 关时 间 预 置 开 关 P R S 17R 2R R 1 C 1 1 0uF 3C 11R 1 00K 74LS

16、20 74LS 00 & 1 74LS 04 & C P 74LS 74 1H z Q Q D C P 32768H z 22M C 2 3 20pF 20pF 1 4Q C D 4060 R 2H z 秒 信 号 电 路 0 1 b c D P a a e f gf f g a d g edc ecd 74LS 48 b b ADBC LT R B I B I/R B O RS 1Q SRRSSR + 5V YE X0YY21Y I01I2I3I4I5I6I7I 10K *8 74LS 148 S01S2S3S4S5S6SS7 + 5V S T 74LS 279 开 始清 除 S 510 +

17、 5V 10K 主 持 人 控 制 开 关 2Q3Q4Q + 5V B I/R B O R B I LT CBDA b b 74LS 48 d ce cde g d a gf fg f e a a D P c b 74LS 192 LD 1Q2Q3QQ0 DC P C PU RD0DD3D2D1 + 5V + 5V+ 5V + 5V 1D2D3DD0DR UC P C PD 0QQ3Q2Q1 LD 74LS 192 b c D P a a e f gf f g a d g edc ecd 74LS 48 b b ADBC LT R B I B I/R B O + 5V + 5V 9 013 +

18、 5V R12 15K 68K 13R C4 0 .1uF 1K 14R R155 10 5 10 16R 1V 0 .1uF 5C T H T L D RV cc V o + 1A 2A B e xtR/Ce xt e xt C Q 74LS 121 R310R 2B O B O1 1Q E XY B O2 N E 555 项目小结项目小结 1抢答器是在竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确、公正、直观 地判断出率先抢答者的机器。通过抢答者的指示灯显示、数码显示和警示显 示等手段指示出抢答过程中抢答速度最快的抢答者，并显示出抢答成绩。 通过本项目的学习，可以进一步巩固中规模电路的设计与实现