智力竞赛抢答器逻辑电路设计

1、电路设智力竞赛抢答器逻辑计1.1 设计背景 在许多比赛活动中，为了准确、公正、直观地判断出第 一抢答者，通常设置一台抢 答器，通过数显、灯光及音响等 多种手段指示出第一抢答者。 同时还可以设置记分、 犯 规及 奖励记录等多种功能。 该设计就是针对上述各种要求设计出 的供 6 名选手参赛使用的数字式竞赛抢答器。 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。经过布线、 焊接、调试等工作

2、后， 数字抢答器成形 。1.2 设计任务与要求1）设计一个至少可供 6 人进行的抢答器。（2）系统设置复位按钮，按动后，重新开始抢答。（3）抢答器开始时数码管无显示，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。显 示优先抢答者序号并且不出现其他抢答者的序号。（4）抢答器具有定时抢答功能， 且一次抢答的时间有主持人 设定，本抢答器的时间设定为 60 秒，当主持人启动“开始” 开关后，定时器开始减计时。当设定的时间到，而无人抢答 时，本次抢答无效，报警发出声音，并禁止抢答。（5）设定的抢答时间内，选手可以抢答，这时定时器停止 工作，显示器上显示选手的号码和抢答时间。并

3、保持到主持 人按复位键。2 总体设计方案2.1方案选择方案一采用74LS148尤先编码器分辨选手抢答的先后，并通 过RS锁存器74LS279锁存抢答者的编号，再经过74LS48芯片译 码驱动共阴极数码管显示。方案二采用CC4067乍为编码电路的核心元件，当有选手抢答时 输出四位相应的8421BC码即可同时供16位选手抢答。经 CC451七段译码器译码后驱动共阴极数码管显示，同时利用 CD406组成一个多谐振荡器，作为十进制计数器 CC4510勺CP 脉冲使其计数并与D触发器CD401完成自动锁存的功能。结论：与方案二相比，方案一使用的芯片少、电路简单 且同样能实现其功能，故选用方案一。2.2数

4、字抢答器总体方框图定时抢答器的总体框图如图1所示。其主要由主体电路 和扩展电路两部分组成。主体部分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。扩展电路完成定时 的抢答功能。秒脉图冲 屮示定时抢器的工作过程是：接通电示咯|节目支 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，定时器显示设定的时间，当主持持人宣布 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，定时器倒计时，当定时时 间到，却没有选手抢答时，输入电路被封锁，禁止选手超时 后抢答。当选手在定时时间内按动抢

5、答键时，抢答器要完成 下面几个工作：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，然后有译码显示电路显示编号；2. 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；3. 控制电路要使定时器停止工作，时间器上显示抢答时间， 并保持到主持人将系统清零为止，以便进行下一轮抢答。3系统详细设计+5v13| I I I I IJ14U 10也A2 M AOLI s3.1抢答器电路R S2qST?|1474LS2T9DI-nTOST_ 74L514817 E 1514 G 12 IIIDpJ510A巧Yex ys图2抢答电路参考电路如图所示。该电路完成两个功能：一是分辨出 选手按

6、键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示 电路显示编号； 二是禁止其他选手按键操作无效。 工作过程： 开关S置于"清除"端时，RS触发器的 端均为0,4个触发 器输出置0,使74LS148的=0,使之处于工作状态。当开 关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将 键按下时（如按下S5），74LS148的输出 经RS锁存后，1Q =1, =1, 74LS48处于工作状态，4 Q3 Q2 Q=101,经译码显示 为"5 "。此外，1Q=1,使74LS148 = 1,处于禁止状态， 封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，

7、74LS148的 此时由于仍为1Q=1,使=1,所以74LS148仍处于禁止状 态,确保不会出二次按键时输入信号,保证了抢答者的优先 性。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置 ？quot;清除" 然后再进行下一轮抢答。74LS148为8线3线优先编码器，3.2 定时电路图 3 定时电路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。可预置时间的电路选用十进制同步 加减计数器74LS192进行设计，具体电路如上图所示。3.3 报警电路由 555 定时器和三极管构成的报警电路如图所示。其中 555 构成多谐振荡

8、器, 振荡频率 fo = 1 43（ RI2R2） C, 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 4 报警电路3.4 时序控制电路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： 主持人将控制开关拨到 " 开始"位置时，扬声器发声， 抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。 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。 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。图 5 抢答电路和定时电路停止工作根据上面的功能要求， 设计的时序控制电路如上图所示。

9、图中，门G1的作用是控制时钟信号 CR的放行与禁止，门G2 的作用是控制74LS148勺输人使能端。图11、4的工作原理是： 主持人控制开关从 " 清除" 位置拨到 "开始 "位置时，来自于图 11、2中的74LS279勺输出1Q=0,经G3反相，A = 1,则时钟 信号CR能够加到74LS192的CPD寸钟输入端，定时电路进行递 减计时。同时，在定时时间未到时，则 " 定时到信号 " 为 1 ， 门G2的输出=0，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功 能的要求。 当选手在定时时间内按动抢答键时， 1Q= 1，经 G3反相，A

10、 = 0, 封锁CP信号，定时器处于保持工作状态； 同时，门G2的输出=1，74LS148处于禁止工作状态，从而实 现功能的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为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，使定时电路保持00状态不变， 从而实现功能的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报 警电路及发声的时间。3.5相关元器件的介绍该设计用到较多集成电路电路芯片，在此给出其管脚图 和部分功能介绍。74LS279RS锁存器，当R=1, S=0时，输出为；当R=1S=1 时，锁存器具有保持功能，将输出一直保持为

11、1,达到锁存 的目的。表1 174LS279锁存器功能3.5.2 74LS148下图为 绍，ST为使能端， 当无输入时， YEX=Q其功能真表 2 74LS148输入输出SiS2RQQQ1Q1QX11XQ1Q11Q没改变11174LS148的功能介控制芯片的工作；YEX=1有输入时, 值表如下：功能表输出输入IN 0 INi IN 2 IN 3 IN 4 IN 5 IN 6 IN 7Y2 Y1 Yo1X X X X X X X X1 111101 1 1 1 1 1 11 111100X X X X X X 00 00010X X X X X X 00 001110X X X X X 0 1

12、10 10010X X X X 0 1 10 101110X X X 0 1 1 11 001010X1X01111110010X01111111010100111111110111译码器图6 74LS48译码器管脚分布图原理说明：开关S置于"清零"端时，RS触发器的输入端F均为0,4 个触发器输出置0,使74LS279中 BI/RBO = 0 , AAAA=OOOO,使之处于锁存状态。74LS279不工作，输出全为 0。当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有 选手将键按下时（如按下S5）, 74LS148的输出 经RS锁存后， 1Q=1,

13、%=1,74LS48处于工作状态，4 Q3 Q2 Q=101，即 74LS279 输入端 AAAA=0101 , 经 74LS279后输出 YgYfYeYdYcYbYa=110110经译码显示为"5"。3.5.4 555 定时器555定时器是一种多用途的数字/模拟混合集成电路，具 有开关特性，可以构成各种单元脉冲电路图 7 555 定时器引脚图4 系统仿真与测试4 .1 Protues 的基本操作方法 元件选用：打开元件库栏，移动鼠标到需要的元件图形 上，按下左键，将元件符号拖拽到工作区。元件的移动、旋转、反转、复制和删除：用鼠标单击元 件符号选定，用相应的菜单、工具栏，或

14、单击右键激活弹出 菜单，选定需要的动作。元器件参数设置：双击元件，设定相应的参数。 导线的连接：要包括导线的连接、弯曲导线的调整、导 线颜色的改变及连接点的使用。连接：鼠标指向一元件的端点，出现小圆后，按下左键 并拖拽导线到另一个元件的端点， 出现小圆后松开鼠标左键。删除和改动：选定该导线，单击鼠标右键，在弹出菜单中选 delete 。或者用鼠标将导线的端点拖拽离开它与 元件的连接点。4.2 仿真步骤（ 1）根据自己所画好的电路图， 在 protues 元器件库选 择相应的元器件。（2）用导线将元器件按图连接好。（3）将元器件相应参数设置好。（4）进行电路仿真，根据仿真修改相应的参数。4.3

15、仿真结果及分析总体电路图 8 电路总体仿真图抢答电路图9 抢答电路仿真图定时器图10 定时电路仿真图仿真开始图11 仿真开始电路仿真倒计时图12 仿真倒计时中选手抢答，显示选手位置，定时器停止工作图13 抢答定时5 安装与调试5.1 安装为了方便，选择用面包板来实现所设计的系统，面包板 是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元 器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路 的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电 路的组装、调试和训练。安装分立元件时，为了便于看到其极性和标志，将元件 引脚理直后， 在需要的地方折弯。 为了防止裸露的引线短路， 必须使用带套管的导

16、线，一般需剪断元件引脚，因为这样， 元件才会插得稳且牢固，但是为了防止插错时要二次使用， 故引脚不宜剪得过短。一般不要插入引脚直径 0.8mm 的元 器件，以免破坏插座内部接触片的弹性。对多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐，引脚 不能弯曲，所有的引脚应稍向外偏，这样能使引角与插孔可 靠接触。要根据电路图确定元器件在面包板上的排列方式， 目的是走线方便。为了能够正确布线并便于查线，所有集成 电路的插入方向要保持一致，不能为了临时走线方便或缩短 导线长度而把集成电路倒插。根据信号流程的顺序，采用边安装边调试的方法。元器 件安装之后，先连接电源线和地线。为了查线方便，连线尽 量采用不同颜色。例

17、如：正电源一般采用红色绝缘皮导线， 而负电源及接地一般采用黑色绝缘皮导线。 不通电检查 电路安装完毕后，不要急于通电，应首先 认真检查接线是否正确， 包括多线、少线、错线等，尤其是 电源线不能接错或接反，以免通电后烧坏电路或元器 件。查 线的方式有两种：一种是按照设计电路接线图检查安装电路， 在安装好的电路中 按电路图一一对照检查连线；另一种方法 是按实际线路，对照电路原理图按两个元件接 线端之间的连 线去向检查。无论哪种方法，在检查中都要对已经检查过的 连线做标记， 使用万用表检查连线很有帮助。 直观检查 ：连线检查完毕后，直观检查电源，元器 件接线端之间有无短路，连线 处有无接触不良。 通

18、电检查 ：把经过准确测量的电源电压加入电路，电源接通之后不要急于测量数据和观察结果，首先要观察有 无异常现象，包括有无冒烟、有无异常气味、触摸元件是 否 有发烫现象、电源是否短路等。如果出现异常，应立即切断 电源，排除故障后可重新 通电。 分块调试：包括测试和调整两个方面。测试是在安装后对电路的参数及工作状态进行测量；调整则是在测试的基础上对电路的结构或参数进行修正，使之满足设计要求。为了使测试能够顺利进行，设计的电路图上应标出 各点的电位值，以及其他参考数值。调试过程中我们不能单 凭感觉和印象，要始终借助仪器观察， 测试之前要熟悉各种仪器的使用方法，并仔细加以检 查，避免由于仪器使用不当 或

19、出现故障而作出错误判断。 测试仪器和被测电路应具有良好的共地，只有使仪器 和电路之间建立一个公共地 参考点，测试的结果才是准确 调试过程中，发现器件或接线有问题需要更换或修改时，应关断电源，待更换完 毕认真检查后方可重新通电。 调试过程中， 不但要认真观察和检测， 还要认真记录。 包括记录观察的现象、测量的数据间关系，必要时在记录中应附加说明，尤其是 那些和设计不符合的现象更是要注意。6 收获与体会这一次课程设计，它加深与巩固了我们所学的专业基础 课程，例如数电和模电，并将其综合运用，提高了我们综合 运用知识的能力还有就是将理论运用于实践，另一方面，培 养了我们对专业知识学习的趣；同时也提高了我们分析问题 的能力。这次课程设计的设计流程我采用分块的设计顺序，优化 了设计流程使之更符合逻辑性。但是需要注意的是，在其中 每个环节必须认真进行，如果某模块电路没有设计好，或者 存在错误，则总的电路必然会受到影响，所以在设计时应该 考虑到实际情况。有时候会因为一个极小的疏忽而导致整个 电路无法运行，例如，在仿真过程中由于我忘记接地导致输 出老是不对。另外，该课程设计也要求我具备扎实的理论知 识，刚开始由于理论知识掌握的不牢靠，在进行仿真设计时 也一度使我碰壁，浪费了很多时间，最后不得不捧着书本， 再把一些学的