多路智力竞赛抢答器的设计

一、课程设计题目：多路智力竞赛抢答器的设计二、设计目的:随着各种智力竞赛越来越多，在答题的过程中一般要分为必答和抢答两种。必答有时间的限制，到时间要警告。而抢答则要求参赛者做好充分的准备，等主持人说完题目，参赛者开始抢答，谁先按钮，就由这个参赛者答题，但是很难确认谁先按的，因此使用抢答器来完成这一功能是很有必要的。本设计是一个可供八个人抢答的多路抢答器。可以显示优先抢者的序号，并同时有音响提示。并具有倒计时功能。当锁定时间到了的时候会有音响提示。当一次抢答完毕，可由主持人按复位键重新开始下一次抢答。三、设计要求:掌握抢答器的工作原理及其设计方法。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，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号和选手的编号相对应，分别是S0-S7。（2）给节目主持人设计一个开关，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的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管行显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。此外，要封存输入电路，禁止其他选手抢答。优先抢答选手的编号一致保持到主持人将系统清零为止。2.扩展功能（1）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（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声响，声响持续时间0.5S左右。（2）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。（3）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，时间显示器上显示00。四、设计原理及其框图：数字抢答器工作原理为：接通电源后，主持人将开关置“开始”状态，抢答器工作，定时器倒计时。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。具体的说，就是当抢答按钮按下后，信号通过优先编码电路，从而封锁其它抢答通道信号，通过译码电路后由7段数码管显示。并且，优先编码电路受扩展电路中的定时信号控制，当倒计时为0，则锁上抢答电路，停止抢答。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“开始”状态开关。在扩展电路中，秒脉冲产生的电路通过定时电路控制抢答时间，并且，通过译码电路后由7段显示器显示。该显示采用的是倒计时显示，当倒计时结束后，则产生控制信号锁上抢答通路。同时，若有抢答信号，则锁上倒计时电路。时间显示在7段数码管上。总体框图如下：单元电路设计和所用的元器件的选择（包括器件的引脚结构图）1.抢答电路此部分电路主要完成的功能是实现8路选手抢答并进行锁存，同时有数码显示使用优先编码器74LS148和锁存器74LS279来完成。该电路主要完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路采用七段数字数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效。工作过程：开关S置于清除端时，RS触发器的R、S端均为0，4个触发器输出置0，使74LS148的优先编码工作标志端＝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，当有选手将抢答按键按下时（如按下S5），74LS148的输出经RS锁存后，CTR=1,RBO=1,七段显示电路74LS48处于工作状态，4Q3Q2Q=101,经译码显示为“5”。此外，CTR＝1，使74LS148优先编码工作标志端＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开时，74LS148的此时由于仍为CTR＝1，使优先编码工作标志端＝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。只要有一组选手先按下抢答器，就会将编码器锁死，不再对其他组进行编码。通过74LS48译码器使抢答组别数字显示0-7。如有再次抢答需由主持人将S开关重新置“清除”然后再进行下一轮抢答。抢答电路图U3A74LS279D1Q141Q27~1S12~1S23~1R11~1S36~1R25U3B74LS279D2Q192Q213~2S111~2S212~2R110~2S315~2R214VCC5VR910k¦¸J9Key=SpaceU474LS148DA09A110A211GS143445562312017867EI12EO13R110k¦¸R210k¦¸R310k¦¸R410k¦¸R510k¦¸R610k¦¸R710k¦¸R810k¦¸J0Key=AJ1Key=BJ2Key=CJ3Key=DJ4Key=EJ5Key=FJ6Key=GJ7Key=HVCC5VU5A74LS00DU274LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U1ABCDEFGCKR12180¦¸RPACK774LS148引脚图74LS148真值表如下图：74LS148的输入端和输出端低电平有效。0I~7I是输入信号，2Y~0Y为三位二进制编码输出信号，SI＝1时，编码器禁止编码，当SI＝0时，允许编码。SY是技能输出端，只有在SI＝0，而0I~7I均无编码输入信号时为0。EXY为优先编码输出端，在SI＝0而0I~7I的其中之一有信号时，EXY＝0。0I~7I各输入端的优先顺序为：7I级别最高，0I级别最低。如果7I＝0（有信号），则其它输入端即使有输入信号，均不起作用，此时输出只按7I编码，2Y1Y0Y＝000。输入输出sI0I1I2I3I4I5I6I7I2Y1Y0YEXYsY1XXXXXXXX11111011111111111100XXXXXXX0000010XXXXXX01001010XXXXX011010010XXXX0111011010XXX01111100010XX011111101010X0111111110010011111111110174LS279真值表RSQn+1状态××Qn保持00不允许010清0101置111Qn保持二进制译码器是将输入的二进制代码的各种状态按特定含义翻译成对应输出信号的电路。也称为变量译码器。若输入端有n位，代码组合就有2n个，当然可译出2n个输出信号。字符显示器：分段式显示是将字符由分布在同一平面上的若干段发光笔划组成。电子计算器，数字万用表等显示器都是显示分段式数字。而LED数码显示器是最常见的。通常有红、绿、黄等颜色。LED的死区电压较高，工作电压大约1.5~3V，驱动电流为几十毫安。74LS47译码驱动器输出是低电平有效，所以配接的数码管须采用共阳极接法；而74LS48译码驱动器输出是高电平有效，所以，配接的数码管须采用共阴极接法。2.倒计时电路该部分主要由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、74LS48D译码电路和2个7段数码管即相关电路组成。完成的功能是当主持人按下开始抢答按钮后，进行30s倒计时。当有人抢答时，计时停止。两块74LS192实现减法计数，通过译码电74LS48D显示到数码管上，其时钟信号由时钟产生电路提供。74LS192的预置数控制端实现预置数30s，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，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。倒计时电路图U5A74LS00DU1074LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U1174LS192DA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14VCC5VA1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5VR1015k¦¸R1164k¦¸C1100nFC210nFU674LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U774LS48DA7B1C2D6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14~LT3~RBI5~BI/RBO4U8ABCDEFGCKU9ABCDEFGCKR13180¦¸RPACK7R14180¦¸RPACK7U12A74LS11DU13A74LS04D(1)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。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=R2×C1×ln2≈0.7R2×C.t2=(R1+R2)×C×ln2≈0.7(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=15KΩ，R2=64KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲(2)显示电路设计七段显示译码器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十进制DCBAabcdefg00000111111010001011000020010110110130011111100140100011001150101101101160110001111170111111000074LS192引脚图8100011111119100111100113、报警电路该报警电路由555定时器、十进制计数器74LS160、三极管和扬声器构成。由555组成的多谐波振荡器产生脉冲，经三极管推动扬声器发声。由十进制计数器74LS160来计算脉冲个数，当脉冲数达到预置数时产生的高电平经三极管驱动扬声器发声。555的RST端不需要时置低电位。报警电路图图附2-6共阴数码管引脚图图附2-7555定时器引脚图图附2-574LS48引脚图总体电路设计抢答器的使用原理。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，分为两路：一路与74LS279的R端相连,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。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，此高电平有两路方向：一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；一路输出到74LS192的R端。当任意一个选手抢答时，例如7号抢答时，八位优先编码器74LS148编码输出的A2～A0成为与输入信号相对应的三位二进制码000，作用于RS触发器74LS279的S端，输出端分别为1111，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7。此时，74LS48的RI/RBO端输出高电平加一非门与74LS192的借位输出端BO也输出高电平同时加与非门，高电平作用于74LS148的选通输入端EI，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，74LS48的RI/RBO端经非门输出电平由高变低，与秒脉