数字智力竞赛抢答器的设计实习报告Word格式文档下载.doc
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组别显示(LED)
窄脉冲形成
组别锁定
组别信号鉴别
稳压电源
图1数字智力竞赛抢答器(自动记分)原理
定时器
犯规电路
音频信号发生器
预置
记分电路
加分(主持人)
减分(主持人)
1.2.2实习要求
(1)抢答器可供四组使用,组别键(信)号可以锁存;
抢答指示用发光二极管(LED)。
(2)记分部分独立(不受组别信号控制),至少用2位二组数码管指示,步进有10分、5分两种选择,并且具有预置、递增、递减功能。
(3)要求性能可靠、操作简便。
2原理与电路设计
2.1数字抢答器总体方框图
如图2所示为总体方框图。
其工作原理为:
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,编号显示器灭灯,犯规提前抢答在主持人开始后显示犯规选手编号,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,扬声器给出声响提示。
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"
状态开关,如图2所示。
图2设计框图
2.2单元电路设计
2.2.1抢答器电路
原理图如下:
抢答电路的功能有两个:
一是能分辨出选手按键的的先后,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74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能,其电路组成如图3所示:
图374LS148的原理图
其工作原理是:
当主持人控制开关处于“清零”位置时,RS触发器的R端为低电平,输出端(4Q~1Q)全部为低电平。
于是74LS48的BI=0,显示器灭灯4LS148的选通输入端ST=0,74LS148处于工作状态,此时锁存电路不工作。
当主持人将开关拨到开始位置时,优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态,既抢答器处于等待工作状态,等待输入端I7、I6、I5、I4、I3、I2、I1、I0输入信号,当有选手将键按下时(如按下S5),74LS148的输出Y2Y1Y0=010,YEX=0,经RS锁存器后,CTR=1,BI=1,此时74LS279处于工作状态,经74LS48译码后,显示器显示出“5”。
此外,CTR=1,使74LS148的ST端为高电平,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YEX
高电平,但由于CTR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仍不会被接受。
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,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474LS148引脚图
表174LS148的功能真值表
用与非门RS触发器四种基本工作状态:
对于用与非门构成SR触发器有:
当S、R都无效时,次态与现态保持一致,即具有保持功能(注:
低电平有效,所以这里S和R均为S非与R非);
当S和R都效时,此时,次态则会出现不定状态,所以具有不定的特性;
当在S和R中,S有效则次态会置1,所以此时具有置1的特性;
当在S和R中,R有效则次态置0,此时具有置0的特性。
图5RS触发器原理图
2.2.2定时器电路
原理及设计:
该部分主要由555定时器秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192减法计数电路、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6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。
74192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,BI/RBO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7具体讲一下标准秒脉冲产生电路的原理。
结合图7,图中电容C的放电时间和充电时间分别为
,
于是从NE333的3端输出的脉冲的频率为
,
结合我们的实际经验及考虑到元器件的成本,我们选择的电阻值为R3=15K,R4=68K,C=10uF,代入到上式中即得,即秒脉冲。
图6可预置时间的定时电路
表2555定时器功能表
R’
ui1
ui2
uO
T的工作状态
×
导通
1
<
截止
从<
变化到>
>
从>
变化到<
图7标准秒脉冲产生电路
2.2.3报警器电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图8示。
其中NE555构成多谐振荡器,振荡频率
=1.43/[(R5+2R6)C3](2-1)
T=1/(2-2)
其输出信号经三极管推动扬声器。
PR为时序控制电路输出的控制信号,当PR为高电平时,多谐振荡器工作,反之,电路停振。
图8报警电路
2.2.4时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键,它要完成以下两项功能:
(1)主持人在开始前,有人抢答,则提示犯规,数码管锁存犯规选手编号。
(2)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,扬声器发出开始抢答信号。
(3)当设定的抢答时间到,无人抢答时,扬声器自动报警,表示此次抢答无效。
集成单稳态触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间(其功能表见表3),具体原理如下:
主要由555时钟电路(用于控制报警声音频率)、蜂鸣器即相关的延时电路和控制电路组成。
单稳态触发器74121通过信号BI、BO、Z控制报警与否和报警时间,555时钟电路产生脉冲时钟。
图6中,4、5脚接与门,在规定的时间有人抢答时,BI由1跳变到0,74121有状态2(见表3状态编码),即Q输出暂态高电平,蜂鸣器连续发声报警,持续时间为=4.3秒;
如果在规定时间内无人抢答,BO由1跳变到0,74121有状态1,Q输出暂态高电平,蜂鸣器连续发声报警持续时间为
结合图8所示报警电路,分析计算如下:
(2-3)
取=100uF,=51K,。
有=4.3秒。
图9时序控制电路
表374121功能表
输入
输出
状态编码
A1
A2
B
Q
/Q
L
d
H
↓
暂态高电平
暂态低电平
2
↑
3调试与仿真
3.1电路的调试
3.1.1单元电路调试
(1)抢答器电路
把主持人的控制开关设置为“准备”位置,用万用表检查RS触发器的端为低电平,输出端(4Q~1Q)全部为低电平。
于是74LS48的4端/BI/RBO=0,显示器灭灯;
74LS148的5端/ST=0,74LS148处于工作状态,此时锁存电路不工作。
然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置,优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态,给8路抢答端口给上低电平的输入信号,如当有选手将抢答按键按下时(如按下),74LS148的输出=010,=0,经RS锁存器后,74279的输出1Q,即CTR=1,/BI/RBO=1,74LS279处于工作状态,输出端4Q3Q2Q=101,=0,经RS锁存器后,出“5”。
此外,CTR=1,使74LS148仍处于禁止工作状态,其它按键的输入信号不会被接收。
(2)定时器电路
用示波器检查555的输出波形是否为1Hz的方波信号,对555的外围电路进行调整达到要求为止。
给74LS192的数据输入端设定一次抢答的时间,如35秒(00110101)的八位数据。
观察显示器的显示时间是否进行减计数。
有问题按原理进行修改。
(3)时序控制及报警电路
①主持人在开始前,有人抢答,则提示犯规,数码管锁存犯规选手编号。
②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,扬声器发出开始抢答信号
③当设定的抢答时间到,无人抢答时,扬声器自动报警,表示此次抢答无效。
3.1.2整体电路调试
(1)开始时,主持人将控制开关接地,抢答电路部分锁存器74LS279的状态输出全为0,74LS48的灭灯输入与锁存器74LS279的Q1相接,故抢答电路无显示(清除);
与此同时,在计时电路部分,减法计数器74LS192的预置数端为0,将事先的预置数送入减法计数器中。
当主持人按键弹起时,计数器开始计数工作,抢答开始。
(2)在没有人按键且抢答时间没到时,计数器BO2输出为1,74148的5端,即=0,而优先编码器和计数器都正常工作;
(3)当在规定时间有人按下抢答按键时,/YEX输出为“0”,CTR=1,/ST=1,优先编码器停止工作,此后选手的抢答无效,电路将按键者的编号显示在LED上;
同时,CTR=1,计数部分的计数脉冲=0,计数器停止工作,此时的倒计时时间记录并显示在LED上;
74148的/Ys端由1跳变到0,74121有状态2,即Q输出暂态高
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