畢業(yè)設計（論文）八路競賽搶答器的設計

1、天天空空 大大學學本科畢業(yè)（設計）論文本科畢業(yè)（設計）論文（ 2011 屆）屆）題目： 八路競賽搶答器的設計 教學院系 機械學院 專 業(yè) 機械設計制造及自動化 學生姓名 小王 指導教師 小張 評 閱 人 小李 二一一 年 六 月 五號 八路競賽搶答器的設計八路競賽搶答器的設計哦哦哦（天空大學 機械學院，馬街 牛莊 655428）摘摘 要：要：本文介紹了一種用常用數(shù)字集成電路設計的數(shù)碼顯示八路搶答器的電路組成、設計思路及功能。該搶答器除具有基本的搶答和顯示選手編號外功能外，還具有搶答定時報警，倒計時讀秒，讀選手編號，回答時限顯示與語音報警，計分系統(tǒng)功能。主持人通過時間預設開關預設供搶答的時間，系

2、統(tǒng)在搶答最后定時內，將完成自動倒計時顯示和讀秒。若在規(guī)定的時間內有人搶答，則計時將自動停止；若在規(guī)定的時間內無人搶答，則系統(tǒng)發(fā)出語音發(fā)響，提示工作人員本輪搶答無效，實現(xiàn)報警功能；若有人搶答，則時限回答電路立即顯示并立即開始倒計時，限時內回答問題有效，回答正確，通過主持人按鈕加分，回答錯誤，通過主持人按鈕減分。關鍵詞：關鍵詞：搶答器；設計；定時；倒計時讀秒；計分。 the design of the zhuhai vies to answer first competitionooo（ tiankong university transportation machinery and civil

3、engineering institute ， ） abstract: in this paper, the electric circuit and designing thought of an answering racer based on the common-used series of 74 ic with 8-wire is introduced, and its function is also described. the answering races function includes timing, counting, and alarming, besides th

4、e basic function of an answering racer. the host sets the provided time for the answering race through the time-setting switch, after this the system will count down the time automatically. if anybody answer the question on time, the counting of time will stop; if nobody answer the question on time,

5、 the alarm will give out some sound, helping the host know the race in this turn is of no use, so the function of alarming is achieved.key words：vies to answer first device; design; timing; countdown doumiao; scoring.目錄1 前言.11.1 搶答器的應用.11.2 無線搶答器.11.3 有線搶答器.21.2.2 電子搶答器.21.2.3 plc 搶答器.21.2.4 電腦搶答器.2

6、2 設計任務要求及系統(tǒng)功能簡介.42.1 基本功能.42.2 擴展功能.43 設計分析.53.1 基本設計分析.53.2 搶答設計分析.53.3 語音設計分析.63.4 定時設計分析.63.5 回答時限分析.63.6 計分系統(tǒng)分析.74 仿真軟件的介紹及仿真部分.84.1 multisim 仿真軟件.84.2 555 多諧振蕩器的仿真.114.2.1 555 定時器的原理.114.2.2 555 定時器的應用.124.2.3 555 構成的多諧振蕩器.144.2.4 555 多諧振蕩器的電阻電容計算.154.2.4 仿真部分及說面.165 實現(xiàn)的原理與單元電路圖.185.1 數(shù)字搶答器總體方框

7、圖.185.2 搶答電路.195.2.1 鎖存器 74ls279.205.2.2 鎖存器 74ls279 串電阻計算.205.2.3 編碼器 74ls148.215.2.4 編碼器 74ls148 前串電阻計算.225.2.4 搶答電路中發(fā)光二極管 d1 電阻計算.235.3 定時電路.235.3.1 計數(shù)器 74ls192.255.3.2 譯碼器 74ls248.275.3.3 定時電路發(fā)光二極管 d2 計算.285.4 回答時限電路.295.5 計分電路.305.5.1 計分電路原理圖.305.5.2 譯碼器 74ls138.315.6 語音和顯示電路.325.6.1 集成功率放大器 90

8、13.325.6.2 led 數(shù)碼顯示管.345.6.3 顯示電路電阻計算.365.7 時序控制電路.365.7.1 搶答電路的時序控制.365.7.2 語音系統(tǒng)的時序控制.385.7.3 回答時限的時序控制.385.7.4 計分電路的時序控制.386 語音電路設計.406.1 語音芯片的介紹.406.1.1 語音芯片的引腳功能表.406.1.2 語音芯片的語音編碼表.416.1.3 語音芯片的震蕩電阻選取.426.2 語音電路設計.436.2.1 搶答部分語音設計.436.2.2 定時部分語音設計.446.2.3 答對答錯語音設計.456.2.4 回答時限語音設計.466.3 音頻功率放大器

9、 lm386.476.3.1 lm386 工作原理.476.3.2 lm386 應用電路.476.4 擴音器的選擇.497 組裝與調試.507.1 單元電路檢查.507.1.1 搶答電路檢查.507.1.2 定時電路檢查.507.1.3 計分電路檢查.517.2 整機電路檢查與調試.517.2.1 總體圖.517.2.2 總體圖原理分析.517.2.3 總體圖檢查.52原件清單.53總結.55參 考 文 獻.56指導教師簡介.57致謝.581 前言1.1 搶答器的應用搶答器作為一種電子產(chǎn)品， 早已廣泛應用于各種智力和知識競賽場合。智力競賽是一種能鍛煉人的頭腦開發(fā)人的 iq 的一種大眾化游戲，也

10、起到娛樂的作用。現(xiàn)在智力競賽越來越被多數(shù)人喜愛和娛樂，像中央衛(wèi)視的三星智力快車、金蘋果、幸運 50 等等多檔智力競賽節(jié)目都擁有大批的忠實觀眾。許多娛樂場所或者學校，電視臺等單位有時候會舉辦各種智力競賽, 所以搶答記分器是必要設備，在人少時，一般用四路搶答器，但人較多就需要用到八路或者八路以上的搶答器了。在舉行的各種競賽中我們經(jīng)?？吹接袚尨鸬沫h(huán)節(jié)，舉辦方多數(shù)采用讓選手通過舉答題板或者舉手的方法判斷選手的答題權，這種方式在一定程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性，在競賽、文體娛樂活動（搶答活動）中，搶答器能較準確、公正、直觀地判斷出優(yōu)先搶答者。 在一些地方舉行的各種智力競賽游戲中我們經(jīng)常

11、看到有搶答的環(huán)節(jié)，舉辦方大多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法或者是舉手的方式判斷選手的答題權，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性。因此為解決這個問題，本論文采用了常用數(shù)字集成電路，ap8842 語音芯片，555 時機電路，制作了一個低成本能滿足學校等需要的八路數(shù)顯智力競賽搶答器。在市場上可能有很多的八路數(shù)顯智力競賽搶答器，但是本論文將提供一種新的八 路數(shù)顯智力競賽搶答器設計方案。1.2 無線搶答器無線搶答器功能與有線搶答器譯碼顯示部分相同，二者的差異就是取消了有線搶答器的搶答按鈕與搶答主控機的連線（沒有了搶答總線和搶答分線） ，擺脫有線系統(tǒng)安裝的布線麻煩，不受競賽場地的限制。

12、無線搶答器的通訊直線距離在一定范圍內，超過一定范圍，信號輸入就無效了，根據(jù)無線編碼器的輸入端口， 一臺主機可連接多達多組無線搶答器。 采用高頻段多信道高速通信。無線搶答器的編碼和有線搶答器的區(qū)別是：前者利用無線編碼器對信號進行編碼。1.3 有線搶答器1.2.2 電子搶答器 有線搶答器種類有好幾類別，可分為電子搶答器，plc 搶答器，電腦搶答器。電子搶答器可以分為用 ttl 系列集成電路和用單片機制作的搶答器， ttl 類別的主要就利用優(yōu)先編碼器，鎖存器，計數(shù)器，定時器等來完成搶答功能。 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算

13、機所需要的大部分部件，用單片機來完成搶答功能就比 ttl 簡單多了，省去了單獨的編碼，鎖存，定時等。如圖 1-1 所示。是電子搶答器基本控制。圖 1-1 電子搶答器1.2.3 plc 搶答器 plc 搶答器不是很實用，市場上基本看不著之類的搶答器，一般就用作學生實習之類的用途，不具備和電子電腦搶答器的競爭。1.2.4 電腦搶答器電腦搶答器又稱局域網(wǎng)搶答器，也有無線和有線兩種分別。無線電腦搶答器的構成是由：主機和搶答器專用的軟件和無線按鈕。無線電腦搶答器利用電腦和投影儀，可以把搶答氣氛活躍起來，一般多使用于電臺等大型的活動。有線電腦搶答器也是由主機和電腦配合起來，電腦在和投影儀配合起來，利用專門

14、研發(fā)的配套的搶答器軟件，可以十分完美的表現(xiàn)搶答的氣氛。 點按哦搶答器分硬件和軟件，可以根據(jù)需要對軟件進行修改實現(xiàn)，題目的錄入，或者系統(tǒng)的修改，是搶答器中功能和實用最好的，花樣非常多，如圖 1-2 和圖 1-3 所示。圖 1-2 電腦搶答器圖 1-3 電腦搶答器2 設計任務要求及系統(tǒng)功能簡介2.1 基本功能（1）八路智力搶答器可以同時供 8 名選手或 8 個代表隊比賽，他們的編號分別是1，2，3，4，5，6，7，8。（2）設置一個系統(tǒng)清除和搶答開始控制開關，一對答對答錯提示開關，一個計分系統(tǒng)清零開關，這些開關由節(jié)目主持人控制。（3）搶答器具有鎖存與顯示功能。即主持人將開關置于開始位置后，揚聲器立

15、即提示開始搶答，若有選手按動按鈕，發(fā)光二極管閃亮，數(shù)碼顯示管顯示選手編號。選手搶答實行優(yōu)先原則，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到節(jié)目主持人將系統(tǒng)清除為止。2.2 擴展功能（1）搶答器具有定時與讀秒搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設定，一般為30 秒，當主持人啟動開始鍵后，當顯示只有 10 秒，還無人搶答時，開始用語音進行倒計時 10 秒讀秒，然后時間到，開始報警。讀秒過程中如果有選手搶答，立即終止讀秒。（2）參賽選手在設定的時間內進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，同時音響讀出相應編號，搶答后回答時限電路系統(tǒng)立即開始倒計時 30 秒，限時內回答，如回答正確，通

16、過主持人開關，計分系統(tǒng)加上 10 分；回答錯誤，減掉 10 分（3）如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，定時顯示器上顯示 00，語音系統(tǒng)提示時間到，并報警時間到，禁止搶答。3 3 設計分析設計分析3.1 基本設計分析 搶答器具有搶答，鎖存、定時、顯示和語音報警功能。即當搶答開始后，選手搶答按動按鈕，鎖存器鎖存相應的選手編碼，這里需要用到編碼器。同時用 led 數(shù)碼管把選手的編碼顯示出來，并且開始搶答時間的倒計時，同時用 led 數(shù)碼管把選手的所剩搶答時間顯示出來。此處需要譯碼器和數(shù)碼顯示管。而在選手按鍵搶答以及搶答時間倒計時到時的時候都有報警以提醒主

17、持人和選手，這里需要擴音器和，語音輸出芯片。搶答時間一般設定 30 秒。接通電源后，主持人將開關撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設定時間；主持人將開關置“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。兩組計數(shù)器同時開始倒計時。選手在定時時間內搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再操作“清除”和“開始”狀態(tài)開關。搶答器電路設計方案有四個，1 用無線編碼芯片設計、2 用單片機設計、3 用可編程控制器 plc 完成的，4 用 74ls 系列芯片完成。前三個不利于設計和

18、制作。在一些些實際競賽的場合，只要滿足顯示搶答有效和有效組別即可，而起用不到多少以前“電子電工學”中學到的知識，為了兼容兩者，用 74ls 系列芯片來實現(xiàn)此簡易搶答器的功能。這是一個顯示方式簡單、價格低廉、經(jīng)濟實用的搶答器。在要求不高的場合，能完全符合需要。而且與我們學完的電子電工聯(lián)系緊密，能將我們所學知識用于實際，對鞏固所學知識有重要意義。3.2 搶答設計分析 對搶答器的設計第一步需要用到編碼器，對8個選手的輸出信息進行編碼，編碼器一般可分為兩類，第一類是二十進制編碼器，輸入的是0到9十個數(shù)碼，輸出的是對應的二進制代碼。簡稱 bcd 碼。但這樣的編碼器每次只允許一個輸入端有信號，如果出現(xiàn)兩個

19、或者兩個以上的信號輸入就會出錯，亂碼，顯示錯誤等問題，例如輸入號與號，會可能出現(xiàn)號選手的編碼。所以一定的用優(yōu)先編碼器。 3 4 7 優(yōu)先編碼器允許同時在幾個輸入端有輸入信號，編碼器按輸入信號排定的優(yōu)先順序，只對同時輸入的幾個信號中優(yōu)先權最高的一個進行編碼。在優(yōu)先編碼器電路中允許同時輸入兩個以上編碼信號，優(yōu)先編碼器只按優(yōu)先級高的輸入信號編碼，優(yōu)先級低的信號則不起作用。3.3 語音設計分析 部分簡單八路智力搶答器的設計，其語音部分基本都用 555 定時器來實現(xiàn)的，其優(yōu)點是簡單，缺點是語音系統(tǒng)簡單，沒有讀秒，復雜語音提示功能。有選手按動按鈕后會讀不出選手編號的，而起沒有 10 秒倒計時功能，但是語音

20、芯片可以實現(xiàn)這樣的功能。設計中需要設計到搶答提示語音，選手編號語音讀出，倒計時讀秒，搶答過時報警，回答時限報警，答對答錯提示語音的設計。3.4 定時設計分析 當主持人將開關置于開始位置時，需要有一個定時器能夠在一定時間內允許搶答者可以搶答，但過了主持人預置的時間，搶答將為無效，參照了一些搶答電路，一般都用秒脈沖產(chǎn)生電路，用脈沖來觸動計數(shù)器，實現(xiàn)定時功能。秒脈沖有許多的選擇，可以用單機片來實現(xiàn)，可以用 32768hz 晶體諧振器，原理：在石英晶體的兩個極板上加一個電場，晶片會產(chǎn)生機械變形，對極板施加機械力使其變形，又會在極板上產(chǎn)生相應的電荷，這叫壓電效應。如果在兩個極板上加上交變的電壓，晶片便會

21、產(chǎn)生機械變形震蕩，同時這種機械震蕩還會產(chǎn)生交變的電場（比較的微小），但是當外加交變的電壓的頻率與晶片固有的頻率（由其形狀和尺寸決定）相等時，機械振動的幅度會加劇，產(chǎn)生交變電場也增大。叫做壓電諧波。配上 hc4060 電路實現(xiàn)，hc 代表 cmos 電路，以絕緣柵場效應晶體管為開關元件的計數(shù)/分頻器，但有些復雜，也可以用高頻石英鐘電路來實現(xiàn)，現(xiàn)在市場上較難買到 5512f 集成電路塊了，555 定時器也可以完成秒脈沖的任務，電路簡單，簡單容易。3.5 回答時限分析當有選手搶答成功后，應該立即觸動回答時限部分的計數(shù)器，限時為 30 秒，當過了 30 秒，語音系統(tǒng)立即被觸動，發(fā)出語音提示，提示限時玩

22、，禁止回答，回答失敗，主持人按下開關也提示回答失敗，當 30 秒之內回答正確，主持人按下開關，幾分系統(tǒng)則加一百分，但是在沒有選手搶答的時候，此處顯示器應該是熄滅的，一旦有人搶答，此處顯示器立即顯示 30 秒的字樣，并立即開始減計數(shù)。3.6 計分系統(tǒng)分析當有選手搶答成功后，而且回答正確后，主持人需要按動開關，開關的信號應該和答對選手的搶答信號與上，輸入到選手前面的計數(shù)器上，實現(xiàn) 10 分的加上。而且做到分值不會加錯，只會加到相應回答選手的前的顯示器上，例如 5 號選手回答了，不會加錯了 6 號選手計分顯示器上，只會加到 5 號選手計分器上；回答錯誤時，系統(tǒng)減掉 10 分，系統(tǒng)最低底線是 0 分，

23、一旦選手分值為 0 分時，不進行減分。4 4 仿真軟件的介紹及仿真部分仿真軟件的介紹及仿真部分4.1 multisim 仿真軟件 如圖 4-1 所示，multisim 本是加拿大圖像交互技術公司（interactive image technoligics 簡稱 iit 公司)推出的以 windows 為基礎的仿真工具，被美國 ni 公司收購后，圖 4-1 multisim 仿真軟件更名為 ni multisim ，而 v10.0 是其（即 ni，national instruments）最新推出的multisim 最新版本。目前美國 ni 公司的 ewb 的包含有電路仿真設計的模塊multi

24、sim、pcb 設計軟件 ultiboard、布線引擎 ultiroute 及通信電路分析與設計模塊commsim 4 個部分，能完成從電路的仿真設計到電路版圖生成的全過程。multisim、ultiboard、ultiroute 及 commsim 4 個部分相互獨立，可以分別使用。 multisim、ultiboard、ultiroute 及 commsim 4個部分有增強專業(yè)版（power professional） 、專業(yè)版（professional） 、個人版（personal） 、教育版（education） 、學生版（student）和演示版（demo）等多個版本，各版本的功能和

25、價格有著明顯的差異。 ni multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件” 、 “軟件即儀器” 。ni multisim 10是一個原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。 如圖4-2所示， ni multisim 10的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可以從生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品使用手冊中查到，因此也很方便的在工程設計中使用。 圖 4-2 multisim 的元器件庫如圖 4-3 所示，ni multisim 10 的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用

26、表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉換器、失真儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡分析儀等。ni multisim 10 具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、 時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設計人員分析電路的性能。 圖 4-3 multisim 中的虛擬測試儀器儀表 ni multisim 10 可以設計、測試和演示各種電子電路，包括電工學、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及微控制器和接口電路等?？?/p>

27、以對被仿真的電路中的元器件設置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。在進行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點的所有數(shù)據(jù)，列出被仿真電路的所有元器件清單，以及存儲測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具體數(shù)據(jù)等。 ni multisim 10 有豐富的 help 功能，其 help 系統(tǒng)不僅包括軟件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解說，help 中這種元器件功能解說有利于使用ewb 進行 cai 教學。另外，ni multisim10 還提供了與國內外流行的印刷電路板設計自動化軟件 protel 及電路仿真軟件 pspice 之間的文件接口，也能通過 w

28、indows的剪貼板把電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進行編輯排版。支持 vhdl 和 verilog hdl語言的電路仿真與設計。 利用 ni multisim 10 可以實現(xiàn)計算機仿真設計與虛擬實驗，與傳統(tǒng)的電子電路設計與實驗方法相比，具有如下特點：設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便；設計和實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設計與實驗；可方便地對電路參數(shù)進行測試和分析；可直接打印輸出實驗數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實驗中不消耗實際的元器件，實驗所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高；設計和實驗成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使。ni

29、 multisim 10 易學易用，便于電子信息、通信工程、自動化、電氣控制類專業(yè)學生自學、便于開展綜合性的設計和實驗，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開發(fā)和創(chuàng)新的能力。4.2 555 多諧振蕩器的仿真4.2.1 555 定時器的原理555 定時器是一種應用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路的使用靈活、方便，外圍電路簡單；只需少量的阻容元件就可以構成單穩(wěn)、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器。被廣泛地用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型（ne555、ne556 等）和 cmos 型（c7555、c7556）兩種，結構和原理基本相同。它們的特點各自是：雙極型的功耗大，但帶負載能力強，電源電壓范圍

30、大致為 516v，最大輸出電流可達 200ma；可以直接驅動小電機、喇叭、繼電器等負載；單極型（cmos）的功耗極小，輸入阻抗高，電源范圍為 318v，最大負載電流小于 4ma。555 定時器的電路功能圖如圖4-4輸入分壓器輸入電壓比較器一電壓比較器一基本rs觸發(fā)器緩沖器放電三極管回路圖 4-4 定時器的電路功能圖定時器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制 rs 觸發(fā)器和放電晶體管q 的狀態(tài)。下圖 4-5 為 555 定時器的原理圖。&r4100gndg1r25k+g2g4rd-+u2a32g3+uicui1&r15kr35kui2uouovccq11&-+u1a3

31、2圖 4-5 555 定時器的原理圖腳為直接復位輸入端：當接低電平時，無論輸入的狀態(tài)如何，輸出 uo 都是為低電平；工作是應接為高電平，或者直接接電源 vcc。所以，如需要復位，該腳必須接低電平。低電平有效（1）當腳懸空（通常通過一個小瓷片電容接地，以避免由于干擾而導致電路誤操作）此時 u1a、u2a 電壓比較器的比較電壓分別為 2vcc/3 和 vcc/3，當比較器 g1輸出低電平，g2輸出高電平，rs 觸發(fā)器被置 “0” ，三極管 q 導通，輸出為低電平；（2）當比較器 g1輸出高電平，g2輸出低電平，rs 觸發(fā)器被置 “1” ，三極管 q 截止，輸出為高電平；（3）當比較器 g1輸出高電

32、平，g2輸出高電平，rs 觸發(fā)器維持原狀態(tài)，三極輸出和三極管均保持原來的狀態(tài)不變；如果腳加一個外加電壓（其值小于 vcc）兩個比較器的參考電壓也將隨之變化，從而影響電路的工作狀態(tài)。4.2.2 555 定時器的應用555 定時器在外圍接少量的阻容元件就可靈活地構成各種應用極廣的電路，其中由 555 構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器是這些電路的核心。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點：（1）電路只有一個穩(wěn)態(tài)，一個暫穩(wěn)態(tài)；（2）在外加的觸發(fā)信號作用下，電路由穩(wěn)態(tài)立即翻轉到暫穩(wěn)態(tài)；（3）電路處于暫穩(wěn)態(tài)的時間取決于外接的 rc 延時環(huán)節(jié)的作用，隨后電路自動回到穩(wěn)態(tài)，工作原理圖為圖 4-6。c1r

33、25kr15k1-+u1a32&q1gndg1&uir4100-+u2a32g4g3r35k+vccuorg2c&圖 4-6 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作原理圖工作原理：工作原理：（1）如圖 4-7 電源接通后，電源通過 r 對 c 充電，當 vc 上升到 2vcc/3 時，觸發(fā)器復位，q 導通，電容放電，電路輸出為低電平；進入穩(wěn)態(tài)（2）當輸入端加入一個觸發(fā)信號（uivcc /3） ，觸發(fā)器翻轉，輸出為高電平，q 截止，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。此后，電源通過 r 對 c 充電，當 vc 上升到 2vcc/3 時，觸發(fā)器復位，q 導通，電容放電，電路輸出為低電平；電路自動回到穩(wěn)態(tài)。57c10

34、.01ufc+vcc4623ic1r8ne555uiuo10ui0tucuo02vcc/3ttui圖 4-7 由 555 定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的電原理簡圖及工作波形多諧振蕩器：555 定時器構成的多諧振蕩器如圖 4-8。555 集成定時器是一種將模擬功能與數(shù)字功能結合在一起的多用途的集成器件。用它加上少量阻容元件，就能方便地構成多諧振蕩器、單穩(wěn)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器，因而在定時、檢測、控制和報警等許多方面有著廣泛的應用。555 定時器有雙極型和 cmos 型兩類，雙極型具有較大的帶負載能力，而 cmos型具有功耗低，輸入阻抗大，電源范圍廣等特點。這兩類定時器的型號有多種，但結構、工作原理

35、和邏輯功能基本相似，而外部引腳排列幾乎相同。4.2.3 555 構成的多諧振蕩器對計數(shù)器而言，必須又脈沖的輸入，因此必須在 tw 期間產(chǎn)生脈沖，多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，該電路在接通電源后無需外接觸發(fā)信號就能產(chǎn)生一定頻率和振幅的矩形脈沖波或方波。這正符合設計要求。在此選用 555 定時器構成的多諧振蕩器，如圖 4-8 所示，表 4-9 為 555 定時器的功能表。u202555_virtualgnddisoutrstvccthrcontrir20415kr20768kr203650c202100nfc20110ufd2r20650%vcc5vvss0v圖 4-8 555 定時器構成的多諧振

36、蕩器輸入輸出thtrreoutv 狀態(tài)xx00導通vcc32vcc3110導通vcc32vcc3111截止vcc311保持原狀態(tài)保持原狀態(tài)表 4-9 555 定時器的功能表4.2.4 555 多諧振蕩器的電阻電容計算此處 555 秒脈沖，多諧振蕩器要求輸出頻率為 1hz，周期為 1 秒的秒脈沖，占空比要求：%55r2rrrq2121555 秒脈沖充電時間為：）（211rr7 . 0tp （4-1） 555 秒脈沖放電時間為：cr7 . 0tp22 （4-2）一個周期就為；cr2r0.7t21）（ （4-3）29rr%55r2rrrq212121 秒）（1cr2r0.7t21假定f1010uf1

37、0c6-由上面三個等式可以算出k5 .67rk3 .14r21；選取 e24 系列電阻得，k68rk15r21；此時秒，基本符合要求。）（057. 1f10101510.7cr2r0.7t5-3214.2.4 仿真部分及說面 仿真圖如圖 4-10 所示，接通電源后，如圖 4-2-3 所示電容被充電，vcc 上201c升，當 vcc 上升到vcc 時，觸發(fā)器復位，此時為低電平；電容通過通過 r2320v201c放電，使 vcc 下降。當 vcc 下降到vcc 時，觸發(fā)器又復位，翻轉為高電平。電310v容放電所需要的時間為：tp1=rpcin2=0.7r2c，當放電結束時，vcc 將通過201c3

38、cr200、rp21向電容器充電，vc 由vcc 上升到vcc 所需時 tph=(r1+rp)201c3132in2=0.7(r200+rp21)c，當 vc 上升到vcc 時，觸發(fā)器又翻轉，如此周而復始，在輸32出端就得到一個周期性的矩形波。從上可知，多諧振蕩器的周期（脈沖）為：t=tp1+tph=0.7(r200+2rp21)c。通過確定 r1、rp、c 的值就知道脈沖的周期。在 tw 期間內通過的脈沖波的數(shù)目就是計數(shù)器的計數(shù)。通過如上就可實現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生，電路圖可設計穩(wěn)定的周期脈沖。下面的仿真圖是在 12 個周期內的仿真，12 秒內出現(xiàn)了12 個脈沖。 圖 4-10 仿真圖5 5 實現(xiàn)的原

39、理與單元電路圖實現(xiàn)的原理與單元電路圖5.1 數(shù)字搶答器總體方框圖如圖 5-1 所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關置與鎖存器 s 位置，宣布開始，第一二組定時器同時開始倒計時，揚聲器同時給出“開始搶答”語音提示。選手在定時時間內 20 秒前搶答時，顯示器顯示選手編號，通過時序控制揚聲器不在進行 10 秒倒計時讀秒提示；選手在定時時間內 20 秒到30 秒之間搶答，顯示器也顯示選手編號，揚聲器也讀出搶答編號，而起期間揚聲器給出 10 秒倒計時讀秒提示，一旦有人搶答，輸出信號立即觸動語音芯片，不在讀秒報警，此時定時電路 3 被觸動，立即顯示 30 秒字樣，并立即開始減計數(shù)。30

40、 秒內回答問題有效，回答對，計分系統(tǒng)加上 10 分，回答錯或者不答不加分。若 30 秒后無人搶答，30 秒內無回答，語音給出報警聲，鎖定編碼器，不許在輸入信號，直到主持人將開關撥到清除后，又開始的位置，進行下一輪搶答。圖 5-1 設計總體框圖5.2 搶答電路設計搶答器電路如圖 5-2 所示，電路選用優(yōu)先編碼器 74ls148 ，鎖存器 74ls297 ，譯碼器 74ls248 來完成。該電路主要完成三個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號（顯示電路采用七段數(shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效；三是語音提示搶答開始。r127510 123

41、45678u10474ls148na0a1a2gsd3d4d5d2d1d0d7d6eieou101a74ls279n1q11q21s11s21r11s31r2u102a74ls279n1q11q21s11s21r11s31r2u102b74ls279n1q11q21s11s21r11s31r2sw102sw103sw104sw109u105a74ls279n1q11q21s11s21r11s31r2r12610k r12510k u103b74ls279n1q11q21s11s21r11s31r2u103a74ls279n1q11q21s11s21r11s31r2u101b74ls279n1q

42、11q21s11s21r11s31r2sw101sw108sw105sw106sw107gnd0vu109ap8842s7irpsbts4s3vdds2s1vpps6s8out1vout1vout2vssout2out3countoscs5d1aavcc14.5vr128270k u110a b c d e f gcar14510k vccvccq335q336q333q334q321q322q337r140100 r141100 r142100 r136100 r137100 r138100 r139100 u107a7b1c2d6oa13od10oe9of15oc11ob12og14lt3

43、rbi5bi/rbo4vccr14310k r14410k r14610k u113a7410nu112a74ls04nr101r11610k16r117r12410k8r129r13510k7u105b74ls279n1q11q21s11s21r11s31r2主 主主 主vcc5vgndgndgndvcc1vcc74ls247n圖 5-2 搶答電路工作過程為：主持人將開關置于清除端時，rs 觸發(fā)器的 r、端為 0，s 端為1，輸出低電平，此時 2 個觸發(fā)器 4 個輸出端為 0，此時 顯示器熄滅。觸發(fā)器介紹如下。5.2.1 鎖存器 74ls27974ls279 74ls279 是一種數(shù)字 rs

44、 鎖存器，如表 5-3 當 s 為低電平， r 為高電平時，輸出端 q 為高電平。當 s 為高電平， r 為低電平時，q 為低電平。當 s 和 r 均為高電平時，q 被鎖存在已建立的電平。當 s 和 r 均為低電平時，q 為不穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。 引出端符號 1q1，1q2 為輸出端 ，1s11s3 是置位端（低電平有效） ，1r11r2 是復位端（低電平有效） 。 表 5-3 74ls279 功能真值表 當 rs 鎖存器輸出端全為 0 時，a 信號反饋使 74ls148 的優(yōu)先編碼器使能輸入端0，使之處于工作狀態(tài)。5.2.2 鎖存器 74ls27974ls279 串電阻計算串電阻計算 74ls

45、279 在搶答選手和主持人控制開關前，作為消隱開關，略去電平的波動。ttl 芯片參數(shù)：輸入高電平 2v 時輸入電流 20ua；輸入低電平 0.8v，輸入電流0.4ma。1r 端端輸入高電平時(min)ihcc4/u-vrihi）（ （5-1）k5 .37a41002. 04v3i4u-vrma02. 0iv2u3-minihihccmaxminihih）（）（；2r 端輸入為低電平時輸入輸出srqhhq0lhhhllll ililcci /u-vr）（ （5-2）k5 .10a104 . 0v2 . 4iu-vrma4 . 0iv8 . 0u3-ililccminilil；之間取值為k5 .3

46、7rk5 .10r3 查的 ttl 芯片每門消耗最大功率為 2mw/門rup2ccmax （5-3）k5 .12w1025v/2r-3r 新的取值為（10.5-10.55%）=9.975k（12.5+12.55%）=13.125k在 e24 系列電阻中選取電阻為 10k 當主持人開關 s 置于開始時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將搶答按鍵按下時（如按下 s1），輸出信號為 a2a1a0 為 110，其真值表圖 6-2-2。.5.2.3 編碼器 74ls14874ls148 是一種優(yōu)先編碼器，如表 5-4，在這里，普通編碼器無法應用，會出現(xiàn)亂碼，或者無法顯示等問題，無法對幾個按鈕的同時響應做

47、出反映，像電梯控制系統(tǒng)在這種情況下就出出現(xiàn)差錯，這是不允許的，于是就出現(xiàn)了優(yōu)先編碼器。先說一下它的基本原理，它允許同時輸入兩個以上編碼信號。不過在設計優(yōu)先編碼器時已經(jīng)將所有的輸入信號按優(yōu)先順序排了隊，當幾個輸入信號同時出現(xiàn)時，只對其中優(yōu)先權最高的一個進行編碼，如圖 5-2-3 真值表，74ls148 有 9 個輸入端和 5 個輸出端，d0d7 為輸入信號，ei 為能使輸入端，輸入為高電平時禁止編碼，為 0 時可以編碼，a2,a1,a0 為三位二進制編碼輸出信號，eo 是使能輸出端，gs 為片優(yōu)先編碼輸出端。無信號輸出時 gs 輸出為高電平，有信號輸出時則反之。在 d0d7 輸入中，輸入 d7

48、優(yōu)先級最高，其余依次為：d6,d5,d4,d3,d2,d1,d0 等級排列。從上面的的功能表中可以得出，當某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級別高的輸入端沒有低電平輸入時，輸出端才輸出相應該輸入端的代碼。例如：d5=0 且 d6=d7=1(d6、d7優(yōu)先級別高于 d5) 則此時輸出代碼 010 。表 5-4 74ls148 功能真值表當有選手按下 s1 時，此時輸出端 gs 有信號輸出變?yōu)?0，經(jīng)過 rs 鎖存器后，分別為：001 和 1,001 輸入譯碼器 74ls247 的 cba 端口，d 端口輸入的是 0，具體請看電路圖，此時顯示 1，揚聲器同時給出語音提示“1 號選手搶答成功，請回答

49、相關題目”同時 gs 信號反饋給 ei 端，封鎖了其他選手的輸入，當 1 號選手按鍵松開后 74ls14 8 此時所有輸出為 1，主此人控制開關也為 1，rs 鎖存器將保持在原來建立的電平，即顯示器顯示一號選手不變化，反饋端輸出 1 使編碼器禁止編號不變化，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將 s 開關重新置“清除”然后再進行下一輪搶答。其中連接主此人開關和選選手開關的 5 個 74ls279 鎖存器作為消隱功能使用，因為觸點和開關在按下去和起來的時候會不會穩(wěn)固的連接，輸出將可能出現(xiàn)一些波動，如果因為這個波動，應該輸出一個高電平，但輸出了一個低電平，就出

50、洋相了，此處消隱電路斷絕了這樣的情況，不在敘述。5.2.4 編碼器 74ls148 前串電阻計算（1）輸入為高電平時 ）（minccmax8/ )v(rihihiu （5-4）k75.188150a1002. 083vi8u-vrma02. 0iv2u3-minihihccmaxminihih）（）（，輸入輸出eid0d1d2d3d4d5d6d7a2a1a0gseo1xxxxxxxx11111011111111111100 xxxxxxx0000010 xxxxxx01001100 xxxxx011010100 xxxx0111011100 xxx01111100100 xx011111101

51、100 x01111111101000111111111110（2）輸入為低電平時 ililiu/ )v(rccmin （5-5）k5 .10a104 . 0v2 . 4iurma4 . 0iv8 . 0u3-ililminililccv；3 查的 ttl 芯片每門消耗最大功率為 2mw/門rup2ccmax （5-6）k5 .12w1025v/2r-3優(yōu)先編碼器 74ls148 前串電阻應該為 10k5.2.4 搶答電路中發(fā)光二極管 d1 電阻計算 選取 530ag7c 系列，5mm 超高亮綠色發(fā)光二極管作為搶答信號指示。輸入電壓為 2v 到 2.6v 之間，輸入電流為 10ma 到 20m

52、a 之間。 010/ )(irivroh （5-7）350a1020v2-v7 . 2iri-vr3-010oh選取 e24 系列的電阻 360。5.3 定時電路原理及設計：該部分主要由 555 定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進制同步加減計數(shù)器 74ls192 減法計數(shù)電路、74ls248 譯碼器和 2 個 7 段數(shù)碼管即相關電路組成，電路圖為 5-5 所示。當主持人將開關置于清楚位置時，load 預置輸入控制端輸入為 0，雖然 555 秒賣出任然開始脈沖，但不進行減計數(shù)，顯示器顯示剛開始設 30秒，第二個聯(lián)級計數(shù)器也一樣不進行減計數(shù)，不會觸動語音芯片；當主持人將開關置于開始位置時，load 預置輸

53、入控制端輸入為 1，兩對聯(lián)級計數(shù)器立即開始減計數(shù)，當?shù)谝宦?lián)級計數(shù)器顯示只有 10 秒時，但還無人搶答時，第二聯(lián)級計數(shù)器輸出觸動語音芯片，開始倒計時 10 秒讀秒，10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，然后提示時間到，開始報警，讀秒過程中如果有選手搶答，立即終止讀秒；參賽選手在設定的時間內進行搶答，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，同時音響讀出相應編號，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，定時器上顯示 00，語音系統(tǒng)提示時間到，并報警時間到，禁止搶答，時序控制將在下面講。u210a b c

54、d e f gcau206a b c d e f gcau202555_virtualgnddisoutrstvccthrcontrir20415kr20768kr203650c202100nfc20110ufd2r20650%u20374ls192nabcdupqaqbqcqddownloadbococlru20974ls192nabcdupqaqbqcqddownloadbococlru21274ls192nabcdupqaqbqcqddownloadbococlru212ap8842s7irpsbts4s3vdds2s1vpps6s8out1vout1vout2vssout2out3co

55、untoscs5gnd0vr208270k u174ls192nabcdupqaqbqcqddownloadbococlrsw110sw112q205q206q203q204q201q202q207q213q214q211q212q209q210q208r229100 r230100 r231100 r232100 r233100 r234100 r235100 r236100 r225100 r226100 r227100 r228100 r223100 r224100 u207a7b1c2d6oa13od10oe9of15oc11ob12og14lt3rbi5bi/rbo4u204a7b1

56、c2d6oa13od10oe9of15oc11ob12og14lt3rbi5bi/rbo4vccvccu213a74ls04nu214a7408ju205a7410nr209r22215k14u208a7400n主 主主 主主 主 主主 主 主 主aei主 主 主 主vcc5vvcc14.5vgnd0vvccvccgndgndvcc174ls247n74ls247n圖 5-5 可以預置時間的定時電路5.3.1 計數(shù)器 74ls192表 5-6 為計數(shù)器 74ls192 的真值表，555 秒脈沖輸出信號會觸動計數(shù)器的減計數(shù)端口，從而實現(xiàn)計數(shù)的功能，具體功能如下。表 5-6 計數(shù)器 74ls192

57、 的功能真值表74ls192 為可預置的十進制同步加/減計數(shù)器，如表 5-7，74ls192 的清除端是異步的。當清除端（ctr）為高電平時，不管時鐘端（up、down）狀態(tài)如何，即可完成清除功能。load 為預置輸入控制端，異步預置，當此端為低電平時，不進行加減計數(shù)，輸出 qa，qb，qc，qd 與與數(shù)據(jù)預置端一致。 up、down 分別為加減計數(shù)端，使用加減計數(shù)功能時，另一端必須接電源。bo 為非同步借位輸出端，co 為非同步進位輸出端，都是低電平有效。74ls192計數(shù)是同步的，靠 up、down 同時加在 4 個觸發(fā)器上而實現(xiàn)。在 up、down 上升沿作用下 qaqd 同時變化，從而

58、消除了異步計數(shù)器中出現(xiàn)的計數(shù)尖峰。當進行加計數(shù)或減計數(shù)時可分別利用 cpd 或 cpu，此時另一個時鐘應為高電平。 當計數(shù)上溢出時，進位輸出端（co）輸出一個低電平脈沖，其寬度為 cpu 低電平部分的低電平脈沖；當計數(shù)下溢出時，借位位輸出端（bo）輸出一個低電平脈沖其寬度為 cpd 低電平部分的低電平脈沖。 兩塊 74ls192 實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路 74ls248 顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。74192 的數(shù)據(jù)預設端實現(xiàn)預置數(shù)，由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度，設定一次搶答的時間，通過預置時間電路對計數(shù)器進行預置，輸入輸出ctrlodaupdowndcbaqdqcqb

59、qa1xxxxxxx000000xxdcbadcba011xxxx加計數(shù)011xxxx減計數(shù)計數(shù)器的時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陽極七段數(shù)碼顯示管上，當有人搶答時，停止計數(shù)并顯示此時的倒計時時間；如果沒有人搶答，且倒計時時間到時， 輸出低電平到時序控制電路，控制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。表 5-7 譯碼器 74ls248 功能真值表5.3.2 譯碼器 74ls248計數(shù)器的輸出端經(jīng)過譯碼器 74ls248 后，輸入顯示器顯示出來，搶答部分也采用了 74ls248 譯碼器，如上表 5-7 所示為 74ls248 的真值表。74ls248

60、 可以實現(xiàn) 7段顯示譯碼器基本功能的輸入（dcba）和輸出（oaog）共 7 個端口外，74ls247還引入了試燈輸入端（lt）和滅燈輸入端（bi） ，以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態(tài)滅零輸出（bi/rbo）端。 由表 5-7 真值表可獲知 74ls248 所具有的輸入輸出顯示能十進制數(shù)ltrbibidcbaoaobocodoeofog試燈0 x1xxxx01111118滅燈xx0 xxxx1000000全滅滅 010100001000000滅 0011100001111110011x100010110000121x100101101101231x100111111001341x101000110011451x1010110