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1、又讲理，又孝城南学院数字智力竞赛抢答器的设计1实习目的及要求1.1 课题背景及目的在现在科技进步的世界里，无论工厂、学校和电视台所举办的节目都可能会 有各种智力竞赛，当遇到抢答环节时，如果要求主持人自己去用肉眼观察那一个 选手抢答的速度最快无疑会对比赛结果造成很大的影响，使比赛失去了公平和公正性,这时候我们想到了抢答记分器是必要设备， 我中学参加过各种竞赛，我们经 常遇到有抢答的环节，由于条件有限多数采用让选手通过举答题板的方法判断选 手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性，所设计的抢答器通常由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一抢答者， 为了 使避免这种不公平
2、发生，只有靠电子产品的高准确性来保障抢答的公平性。本次实习是设计一种采用数字电路制作的可定时的八路数显抢答器，它主要采用了 74系列的常用集成电路，它除了具有基本的抢答功能之外，还具有定时 报警的功能，和数显的功能以及不同分值加减计分功能。当抢答未开始时，有人在主持人开始前按下开关，系统就会亮灯提示有人犯规，并显示齐序号。当抢答 开始后，系统会自动倒计时，并且时间是可以预设的，期间有人抢答的话系统会 停止计时，如果期间没人抢答，系统会有短暂的报警，提示抢答结束。1.2 设计任务及系统功能简介1.2.1 实习内容本次实习的内容是独立完成一个数字智力竞赛抢答器的设计， 采用电路仿真 设计软件完成竞
3、赛抢答器电路的设计及仿真调试， 在微机上仿真实现数字式竞赛 抢答器的设计。实习具体内容为：比赛中为了准确、公正、直观地判断出第一抢答者，所设计的抢答器通常 由数码显示、灯光、音响等多种手段指示出第一枪答者。同时还应设计记分、犯 规和奖惩记录等多种功能，见图1。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。第#页共17页讲理，又孝城南学院数字智力竞赛抢答器的设计2原理与电路设计2.1 数
4、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“清除和开始”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
5、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。第#页共17页乂沙理，义孝城南学院数字智力竞赛抢答器的设计数字智力竞赛抢答器的设计2沙理，义孝城南学院选用优先编码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：园总0a*z- I口皿乳gaMSIEmQa NSHWIW.号EETfh w OS7TQ114 WE 70。三111日量策二7言时EL一罂 XL/.,.-Ldl.1 3 s 5 r“ E I t st3ST _ru T口 口 口XI际 I.!一zRFGm mnI雯X出“-MP 七-d-d.-fl-A - L3 -匚
6、 z-a-elbfl图3 74LS148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（4殴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=O, 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17、16、15、14、13、12、Il、Io输入信号， 当有选手将键按下时（如按下 S5）, 74LS148的输出丫2丫1丫。=010, Yex=O,经RS锁 存器后，CTR=1 BI=1,此时74LS279处于
7、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隹持高电平不变，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。SN54/74LS148SN54/74LS748(TOP VIEW)OUTPUTSINPUTS OUTPUT*K/Vcc EO GS3210 AO词 同 pi
8、Z同77| rT| po fT1，11 11|EOGS3210|J r-C 4AO567ElA2 A1L Jj 一 XT1 |2 345 口84567 El A2 A1 GNDX7/7/INPUTSOUTPUTS图4 74LS148引脚图表1 74LS148的功能真值表输A输出五瓦腐S南瓦丽瓦百匕1X状乂K11111011r1111-in111100耳XXKKXX0000010旻XXKXX01001010现XXKX011010010我XXK0111011010盘XX0111110010为X01111111010每01111111100100111111111101用与非门RS触发器四种基本工作
9、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,第#页共17页1沙理，义孝城南学院数字智力竞赛抢答器的设计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。1R 1S11S2 1Q 2R 2S 2Q GNDInputsOutputSfNote 1)RQLLHHL HL HH (Note 2) HL Q。图5 RS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
10、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
11、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ti =R C In2 0.7R C ,t2 =(r3 R4) C In2 0.7(R3 R4) C于是从NE333的3端输出的脉冲的频率为工 11.43f =m,ti t2(R5 2R6)C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f%1Hz,即秒脉冲。图6可预置时间的定时电路第#页共17页乂沙理，义孝城南学院数字智力竞赛抢答器的设计表2 555定时器功能表R，Ui1Ui2UO
12、T的 工作 状态0XX0导通12、, Vcc31、， - Vcc31截止12/ Vcc31、一一 1.从 -Vcc 331截止12、, Vcc31、， 一 Vcc 30导通12、 .一, 2从2Vcc变化至卜2 Vcc331w - Vcc30导通2.2.3报警器电路36 .时Ml*冲LT 图7标准秒脉冲产生电路25V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f0 = 1.43/ ( R5 + 2R6) C3(2-1)T=1/ fo(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，当第#页共17页PR为高电平时，多谐振荡器工作，
13、反之，电路停振工讲理，义孝城南学院数字智力竞赛抢答器的设计/沙理，士孝城南笔辱 V WVM5现 LM955THICDtfU1445 r2.5 V48 U15i；Xi2NI74图也报警电路EUZEF300kHi第#页共17页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
