16路競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、電子工程設(shè)計(jì)論文學(xué)校：洛陽(yáng)理工學(xué)院系別：電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：B110414學(xué)號(hào)：B11041426姓名：周俊林16路競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)用Protel對(duì)16路競(jìng)賽槍答器進(jìn)行設(shè)計(jì)，16路競(jìng)賽搶答器主要由鎖存器、優(yōu)先編碼器、同步可逆計(jì)數(shù)器、加法器、比較器、555定時(shí)器、數(shù)碼管等主要元件構(gòu)成。結(jié)果表明，該方法效果真實(shí)、準(zhǔn)確， 設(shè)計(jì)出的16路競(jìng)賽搶答器具有實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，成本低廉的特 點(diǎn)。競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)是工廠(chǎng)、學(xué)校和電視臺(tái)等單位舉辦各種智力競(jìng)賽 等娛樂(lè)活動(dòng)中經(jīng)常使用的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一。目前設(shè)計(jì)搶答器的方法 很多，采用EDAM以更加快速、靈活地設(shè)計(jì)出符合各種要求的搶答器。 其中,16路智力競(jìng)

2、賽搶答器設(shè)計(jì)方案中有些顯示器是從015顯示選手的編號(hào)，這不符合實(shí)際競(jìng)賽使用時(shí)對(duì)選手從116進(jìn)行編號(hào)的習(xí)憤，不利于實(shí)際推廣使用。以文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，對(duì)其核心電路進(jìn)行了改進(jìn)， 并基于Protel軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了 16路競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)，使得顯示 器上能從116正確顯示選手的編號(hào)。止匕外，還設(shè)計(jì)了搶答倒計(jì)時(shí)最 后5 s報(bào)警提示電路和計(jì)分器，計(jì)分器用于各參賽選手的加分和減分。 這種設(shè)計(jì)思路清晰，電路功能齊全，可滿(mǎn)足搶答器的實(shí)際使用要求。1.Protel 簡(jiǎn)介Protel是Altium 公司在80年代末推出的EDAa件，在電子行 業(yè)的CADt件中，它當(dāng)之無(wú)愧地排在眾多EDAa件的前面，是電子設(shè) 計(jì)者的首選軟件

3、，它較早就在國(guó)開(kāi)始使用，在國(guó)的普及率也最高，有 些高校的電子專(zhuān)業(yè)還專(zhuān)門(mén)開(kāi)設(shè)了課程來(lái)學(xué)習(xí)它，幾乎所有的電子公司都要用到它，許多大公司在招聘電子設(shè)計(jì)人才時(shí)在其條件欄上常會(huì)寫(xiě) 著要求會(huì)使用Protel。2總體設(shè)計(jì)思路2.1 16路搶答器的功能要求(1)同時(shí)供16名選手參加比賽。選手的編號(hào)為116,各用一個(gè) 搶答按鈕，按鈕的編號(hào)分別用16個(gè)按鈕S1S16表示，與選手的編 號(hào)相對(duì)應(yīng)。(2)給主持人設(shè)置一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制系統(tǒng)的清零和搶答的 開(kāi)始。(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。在主持人將系統(tǒng)復(fù)位發(fā)出搶答 指令后，若參賽者按搶答按鈕，則組別顯示電路顯示出搶答者的組別， 同時(shí)蜂鳴器發(fā)出“嘀”的報(bào)警音響。此

4、時(shí)電路具備自鎖存功能，使別 組的搶答開(kāi)關(guān)不起作用。(4)搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定 (如30 s)。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開(kāi)始”鍵后，定時(shí)器開(kāi)始減計(jì)數(shù)并顯示。 參賽選手在設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行搶答，搶答有效。如果定時(shí)時(shí)間已到，無(wú) 人搶答，本次搶答無(wú)效，蜂鳴器報(bào)警并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí) 搶答，定時(shí)顯示器上顯示“ 00”。(5)設(shè)置計(jì)分電路。每組在開(kāi)始時(shí)預(yù)置分?jǐn)?shù)(如100分)，搶答開(kāi) 始后由主持人控制，答對(duì)加分，答錯(cuò)減分。2. 2系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。圖1 慈體設(shè)計(jì)框圖3電路設(shè)計(jì)搶答器由搶答電路、定時(shí)電路、報(bào)警電路、時(shí)序控制電路和計(jì)分 電路五部分組成。3. 1搶答電路

5、搶答電路的主要作用是分辨出搶答者按鍵按下的先后，鎖存并顯示搶答者的，同時(shí)能使后搶答者的按鍵無(wú)效。搶答電路主要由優(yōu)先編 碼器74LS14& RS鎖存器74LS279,加法器74LS283,比較器74LS85, 譯碼器74LS48,集成了 4個(gè)與門(mén)的74LS08,三輸入端或門(mén)（CD4075）, 7段數(shù)碼管，S1S16十六個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)組成。工作過(guò)程為：當(dāng)主持人將開(kāi)關(guān)處于“清除”位置時(shí)，RS鎖存器的 端為0, 5個(gè)RS鎖存器的輸出Q全部置0,使74LS48的由=% 顯示器燈滅。與此同時(shí)優(yōu)先編碼器74LS148的選通輸入端亞一心使之 處于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存器不工作。當(dāng)主持人將控制開(kāi)關(guān)撥向“開(kāi)始”

6、時(shí)，優(yōu)先編碼器和鎖存器同時(shí)處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端的信號(hào)輸入。對(duì)參加比賽的16名選手從116進(jìn) 行編號(hào)，同時(shí)需要用到2個(gè)顯示器，當(dāng)選手編號(hào)大于9時(shí)高位顯示器 顯示1,小于等于9時(shí)高位顯示器顯示0。預(yù)置比較器74LS85的字B 為8,即輸人端B3B2B1B陶1000,當(dāng)選手編號(hào)小于等于9時(shí)，即比 較器74LS85的字A小于等于8, A< B即丫人>琳出為0;當(dāng)選手編號(hào) 大于9時(shí)，即比較器74LS85的字A大于8, A>B即丫人>喻出為1, 與高位顯示器數(shù)字一致，所以可以直接用74LS85的YA>BW控制高位 顯示器的A0,高位顯示器的A3,

7、 A2, A1全部置0。再引入3個(gè)與門(mén) (74LS08)和1個(gè)三輸入端或門(mén)(CD4075), 3個(gè)與門(mén)的一端置011,另 一端與比較器的YA>沸連，或門(mén)的三輸入端分別與比較器的 YA> B, YA-B, YAvBffi連。當(dāng)選手編號(hào)大于9時(shí)，需要加7才能在顯示器上 正確顯示選手的編號(hào)，如當(dāng)16號(hào)選手優(yōu)先搶答時(shí)，選手編號(hào)大于 9, 比較器的A3A2A1A的1111, YA>B=1加法器的 A3A2A1A的1111, B3B2B1B的0111,通過(guò)加法器加0111,得到2進(jìn)制數(shù)值為“00010110', 兩個(gè)顯示器顯示為“ 16”，與選手實(shí)際編號(hào)一致。當(dāng)選手編號(hào)小于等 于

8、9時(shí)只用到低位顯示器，不能加 7,如當(dāng)1號(hào)選手優(yōu)先搶答時(shí)，選 手編號(hào)小于9,比較器的A3A2A1A陶0000, YA>B=0 YA<B=1 3個(gè) 與門(mén)輸出為0,或門(mén)輸出為1,加法器的A3A2A1A的0000, B3B2B1B0 為0001,通過(guò)加法器加0001,得到二進(jìn)制數(shù)值為“ 00000001”，兩 個(gè)顯示器顯示為“ 01”，與選手實(shí)際編號(hào)一致。當(dāng)選手按下的鍵松開(kāi)后，74LS148的跖為高電平，但由于ST端維 持高電平不變，所以74LS148仍然處于“禁止”工作狀態(tài)，其他按鍵 的輸入信號(hào)不會(huì)被接受，這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。如有再次搶答需由主持人將 S開(kāi)關(guān)重

9、新置“清除”，使搶答 電路復(fù)位，然后再進(jìn)行下一輪搶答。3. 2定時(shí)電路由節(jié)目主持人根據(jù)搶答題的難易程度， 設(shè)定一次搶答的時(shí)間，通 過(guò)預(yù)置時(shí)間電路對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路 提供。定時(shí)電路主要實(shí)現(xiàn)搶答倒計(jì)時(shí)，同時(shí)通過(guò)輸出接口與時(shí)序控制 電路相接，實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，當(dāng)無(wú)人搶答且時(shí)間到時(shí)報(bào)警?？深A(yù)置時(shí)間 的電路選用十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器 74LS192進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體電路如圖 1所示(電路包括555定時(shí)器，2塊74LS192計(jì)數(shù)器，2塊74LS48顯 示譯碼器)。采用555設(shè)計(jì)的秒脈沖產(chǎn)生電路，555定時(shí)器接成的多 諧振蕩器的振蕩頻率為：f=1 /T=1/(R1+2R2)Cln 2。采用

10、的電阻和電容值分別是： R1=82kQ, R2=33kQ, C1=10p F, 滿(mǎn)足上式，即得到的是秒脈沖。3. 3報(bào)警控制電路當(dāng)有選手搶答或者搶答時(shí)間已到，搶答電路和定時(shí)電路都要停止 工作，優(yōu)先編碼器要處于禁止工作狀態(tài)，74LS148的選通輸入端ST = 1, 所以可以利用74LS148的選通輸入端 來(lái)報(bào)警。為了避免因蜂鳴器分 流導(dǎo)致ST端電壓太低而不能使優(yōu)先編碼器處于禁止工作狀態(tài)，用一個(gè)與門(mén)74LS08來(lái)控制蜂鳴器，與門(mén)的兩個(gè)輸入端分別接 5 V電源和選 通輸入端 ，輸出端接蜂鳴器，如圖2所示。此外還設(shè)置了最后5s報(bào)警提示，即倒計(jì)時(shí)電路還剩最后 5s時(shí)會(huì)報(bào)警提示參賽選手離此次搶答結(jié)束還有

11、5s的時(shí)間。用兩個(gè)比較器0174LS85, 一個(gè)比較器的輸入端 A3A2A1A0ffl在十位計(jì)數(shù)器74LS192的 Q3Q2Q1Q0,預(yù)置十位比較器 74LS85的輸入端B3B2B1B的0000, 當(dāng)Q3Q2Q1Q0= 0000A=B,十位比較器的 YA=Bt出為1;另一個(gè)比 較器的輸入端 A3A2A1A0ffl在個(gè)位計(jì)數(shù)器74LS192的Q3Q2Q1Q0,預(yù) 置個(gè)位比較器74LS85的輸入端B3B2B1BM 0101,當(dāng)Q3Q2Q1Q0=01 時(shí)A=B個(gè)位比較器的YA=Bt出為1。兩個(gè)比較器的輸出端 YA=B 別接在與門(mén)74LS08的兩個(gè)輸入端上，與門(mén)的輸出端接蜂鳴器。當(dāng)?shù)?計(jì)時(shí)電路倒計(jì)到0

12、5 s時(shí)，與門(mén)的輸出端輸出為1,蜂鳴器就會(huì)報(bào)警 提示。3. 4時(shí)序控制電路時(shí)序控制電路如圖3所示。時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 其工作原理是：主持人控制開(kāi)關(guān)從“清除”位置撥到“開(kāi)始”位置時(shí)， 來(lái)自3.1中的74LS279的輸出CTR=0經(jīng)74LS04反相輸出1,則時(shí)鐘 信號(hào)CP能夠加到74LS192的CPD寸鐘輸入端，定時(shí)電路進(jìn)行遞減計(jì) 時(shí)。同時(shí)，在定時(shí)時(shí)間未到時(shí)，則74LS192的借位輸出端為1, 74LS00與非門(mén)的輸出京二K使74LS148處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí) 間按動(dòng)搶答鍵時(shí)，CTR=1經(jīng)74LS04反相輸出0,封鎖CP信號(hào)，定 時(shí)器處于保持工作狀態(tài)；同時(shí)，74LS00的

13、輸出為1, 74LS148處于禁 止工作狀態(tài)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，則74LS192的借位輸出端為0,扉=1,74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進(jìn)行搶答。同時(shí)，74LS11輸出為0,封鎖CP信號(hào)，使定時(shí)電路保持00狀態(tài)不變。當(dāng)=1時(shí)就會(huì) 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警3. 5計(jì)分電路設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)分器，用于各參賽選手的加分和減分，電路由十進(jìn)制 同步可逆計(jì)數(shù)器74LS192, 7段顯示譯碼器74LS48, 7段數(shù)碼管、2 輸入端4與門(mén)74LS08,按鈕開(kāi)關(guān)，電阻等組成（見(jiàn)圖4）。當(dāng)某參賽選 手回答問(wèn)題結(jié)束后，主持人做出正確與錯(cuò)誤的判斷，并宣布所加減的 分?jǐn)?shù)值，根據(jù)計(jì)分值的多少按相應(yīng)的按鍵。加分值小于10時(shí)按個(gè)位加分

14、鍵，減分值小于10時(shí)按個(gè)位減分鍵；加分值在10100分之間 按十位加分鍵，減分值在10100分之間按十位減分鍵；加分值在 100分以上按百位加分鍵，減分值在100分以上按百位減分鍵。記分 電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)位用于累加總分。按下清零按鈕，各位數(shù)值歸零。 此外，電子記分電路還可單獨(dú)用于藍(lán)球、排球、乒乓球等體育比賽項(xiàng) 目的記分器，具有廣泛推廣使用價(jià)值。由于開(kāi)關(guān)按鈕是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí)，會(huì)有抖 動(dòng)，使開(kāi)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中不可能像數(shù)字系統(tǒng)所期望的那樣產(chǎn)生干凈的 數(shù)字信號(hào)輸出，因此可以采用防斗開(kāi)關(guān)來(lái)替代按鈕開(kāi)關(guān)獲取穩(wěn)定的脈 沖，輸入到計(jì)數(shù)器脈沖輸入端使計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。4電路制作與調(diào)試根據(jù)需求選擇電路的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行組合，完成系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì) 與PC股計(jì)，運(yùn)用Protel軟件制作PCBfe,或者用面包板，按照裝 配圖或原理圖進(jìn)行器件裝配，裝配好之后進(jìn)行電路的調(diào)試。5結(jié)語(yǔ)利用Protel對(duì)16路競(jìng)賽搶答器的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該電路設(shè)計(jì)合理，具有比較可靠的工作方式和更強(qiáng)的適用性， 達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和要求。所設(shè)計(jì)的搶答器電路采用組合邏輯和時(shí)序邏 輯電