8路智力竞赛抢答器数电课程设计报告.docx
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8路智力竞赛抢答器数电课程设计报告
数字抢答器的设计
姓名 李永宏
学号201401910034
年级14自动化
专业自动化
系 (院)机械与材料工程学院
指导教师王丹
1设计任务与要求……………………………………………………1
1.1基本功能.....................................................1
1.2扩展功能.....................................................1
2设计原理……………………………………………………………..1
3电路设计…………………………………………….........................2
3.1抢答电路......................................................2
3.2定时电路......................................................6
3.3相关逻辑电路..................................................8
4元器件的使用列表.............................................................................10
5仿真结果……………………………………………………………11
6设计体会……………………………………………………………11
参考资料………………………………………………………………12
8路智力竞赛抢答器
1设计任务与要求
1.1基本功能
(1)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,其编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7,各用一个抢答按钮,按钮的编号与选手的编号相对应,分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。
(2)给节目主持人设置一个控制开关,用来控制系统的清零(编号显示数码管灭灯)和抢答的开始。
(3)抢答器具有数据锁存和显示功能。
抢答开始,若有选手按动抢答按钮,编号立即锁存,并在LED数码管上显示选手的编号,同时扬声器发出音响提示此外.要封锁输人电路,禁止其他选手抢答,并将优先抢答选手的编号—直保持到主持人将系统清零为止。
1.2扩展功能
(1)抢答器具有定时抢答功能,且一次抢答的时间长度可以由主持人设定(如30s)。
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音响,音响持续时间为0.5s左右。
(2)参赛选手在设定的时间内抢答,抢答有效;有效抢答结束定时器停止工作.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。
(3)如果定时抢答的时间已到,却没有选手抢答,本次抢答无效,系统短暂报警,并封锁输入电路,禁止选手超时后做无效抢答,时间显示器上显示00。
2设计原理
定时抢答器的总体框图如图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;扩展电路完成定时抢答的功能。
图1-1定时器总体框图
图1所示的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,扬声器发出音响提示,抢答器处于工作状态,定时器倒计时开始。
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,禁止选手在超时后抢答。
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,然后由译码电路显示编号;
扬声器发出短暂音响,提醒节目主持人注意。
(2)控制电路要对输人编码电路进行封锁,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,时间显示器上显示剩余抢答时间.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,以便进行下—轮抢答。
3电路设计
3.1抢答电路
抢答电路的功能有两个:
—是能分辨选手按键的先后,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。
方案一:
选用优先编码器74LS148和八D锁存器74LS573(或74LS373)可以完成上述功能。
通过74LS573可以一次性锁存八个信号输入的功能,将八个抢答的信号送给它2~9的八个输入管脚,再将它19~12的八个管脚接74LS148的优先编码信号输入的八个管脚,最后通过优先编码器的GS端经相应门电路处理后接锁存器的锁存端进行锁存。
74LS573管脚与功能如图3-1所示。
图3-174LS573管脚与功能
方案二:
选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279可以完成上述功能,其电路组成如图3-2所示。
图3-2抢答器电路
其工作原理是:
当主持人的控制开关处于“清除”位置时,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
=0,显示器灭灯;74LS48的选通输入端
=0,74LS48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,即抢答器处于等待工作状态,等待输入端
、···、
输人信号。
当有选手将键按下时(如按下S5,74LS148的输出
=000,
=0,经RS锁存器后,CTR=1,B=1,74LS279处于工作状态;4Q3Q2Q=101,经74LS48译码,显示器显示“5”。
此外,CTR=1,使74LS148的
端为高电平.74LSl48处于禁止工作状态,封锁了其他按键的输人。
当选手按下的键松开后,74LS148的
为高电平;但由于CTR维持高电平不变,所以,74LS148仍处于禁止工作状态,其他按键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。
最终方案:
经过对比以上两种抢答电路,我们最终选择实验室有所有现成芯片方案二(在最后的方案里对方案二也进行了修改)。
抢答与按键电路如图3-3和图3-4所示。
为了连线方便,图中使用了大量的网络标号,如“RBO”、“A0”、“A1”、“A2”等。
完整电路原理图请看附录。
图3-3抢答电路
通过ProteusISIS7.8仿真得图3-2的抢答电路未能实现所需的抢答要求。
主要为74LS279的最右边个RS触发器输出Q端接74LS148的
时,在电路工作状态主持人控制开关不能实现“清零”后再“开始”让抢答电路继续工作。
经过改进得如上图3-3完成了抢答电路要求。
RBO从图3-9中产生。
图3-4抢答按键电路
图3-4中的8个按钮现实中用1个八位拨码开关代替,简化材料的同时又更加贴近真实抢答过程中选手会一直按着按钮的这种情况的模拟。
如果电路中再增加一个74LS83到优先编码器与显示译码器之间,实现二进制码的加一操作可以使数码管从1~8数码的显示可更加贴近真实抢答中的显示内容,同时可以去掉图3-4中的与门。
本电路中的与门为对抢答时“0”信号的特殊处理,避免抢答时“0”号按钮按下而数码管中不显示“0”的情况。
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3-1所示。
表3-174LS148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数码显示器相连,共同构成四输入端的数码显示电路。
共阴极数码显示器的功能表如表3-2所示
表3-2共阴极数码显示器的功能表
十进制
A3
A2
A1
A0
a
b
c
d
e
f
g
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
2
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
3
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
4
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
5
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
7
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
3.2定时电路
节目主持人根据抢答题的难易程度,设定一次抢答的时间长度,通过预置时间电路对计数器进行预置。
主持人按键电路如图3-7所示。
现选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计,计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供,具体电路如图3-5与图3-6所示。
图3-5定时器减计数电路
在现实调试中两个74LS192的第5管脚同时接5V高电平才能使计数器正常减计数。
不然会发生无法借位的情况。
图3-5中74LS192输入所用的“0”、“1”的逻辑开关,在实际电路中使用一侧接地的拨码开关代替。
拨码开关导通时,输入为“0”;拨码开关断开时,输入为“1”(TTL悬空的输入默认为高电平)。
表3-474LS192的功能表
图3-6定时器1秒脉冲发生电路
555定时器构成一个多谐振荡器,产生一个周期接近1秒方波信号从第3管脚输出。
而接一个与非门是为了对方波信号整型。
555定时器的振荡频率计算公式为:
图3-6中R11=15K,R12=68K,C2=10uF带入公式得:
由以上计算得555电路产生的方波周期约为1秒。
图3-7主持人按键与抢答指示灯电路
由于光比声音在空气中的速度快,而每个抢答按钮与提示开始抢答的信号距离不一定相等,所以图3-7的电路中使用LED的熄灭模拟主持人按下按钮后提示选手开始抢答的现象。
即图3-7中D3灯灭时,选手开始抢答,同时图3-5中数码管显示每秒减一个数字,直到显示为零。
3.3相关逻辑电路
逻辑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SW1拨到图3-7显示的状态为定时器减计数电路置数,也是抢答器总复位状态。
当控制开关SW1拨到另一个位置时,抢答电路和定时电路进人正常工作状态。
(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前面所有电路,设计的逻辑控制电路如图3-9所示。
图3-9相关逻辑控制电路
图3-9中,U2:
B、U2:
C、U2:
D的三个与非门通过反演律组成一个或门(5、9脚悬空即为高电平)。
U12:
C、U12:
D、U16:
A的功能与前面相同。
反演规则:
i.变换时应保持原函数运算顺序不变。
ii.变换运算符号的优先顺序,遵循“先进行括号里的运算变换,再进行逻辑乘的运算变换,最后进行逻辑加的运算变换”。
iii.不属于单个变量上的非号应保留不变。
当74LS279输出的A0、A1
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