智力競賽搶答器邏輯電路設(shè)計(jì)

1、電路設(shè)智力競賽搶答器邏輯計(jì)1.1 設(shè)計(jì)背景 在許多比賽活動(dòng)中，為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第 一搶答者，通常設(shè)置一臺(tái)搶 答器，通過數(shù)顯、燈光及音響等 多種手段指示出第一搶答者。 同時(shí)還可以設(shè)置記分、 犯 規(guī)及 獎(jiǎng)勵(lì)記錄等多種功能。 該設(shè)計(jì)就是針對(duì)上述各種要求設(shè)計(jì)出 的供 6 名選手參賽使用的數(shù)字式競賽搶答器。 數(shù)字搶答器由 主體電路與擴(kuò)展電路組成。 優(yōu)先編碼電路、鎖存器、 譯碼電路 將參賽隊(duì)的輸入信號(hào)在顯示器上輸出；用控制電路和主持 人開關(guān)啟動(dòng)報(bào)警電路，以上兩部分組成主體電路。通過定時(shí) 電路和譯碼電路將秒脈沖產(chǎn)生的信號(hào)在顯示器 上輸出實(shí)現(xiàn) 計(jì)時(shí)功能， 構(gòu)成擴(kuò)展電路。經(jīng)過布線、 焊接、調(diào)試等工作

2、后， 數(shù)字搶答器成形 。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1）設(shè)計(jì)一個(gè)至少可供 6 人進(jìn)行的搶答器。（2）系統(tǒng)設(shè)置復(fù)位按鈕，按動(dòng)后，重新開始搶答。（3）搶答器開始時(shí)數(shù)碼管無顯示，選手搶答實(shí)行優(yōu)先鎖存， 優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。顯 示優(yōu)先搶答者序號(hào)并且不出現(xiàn)其他搶答者的序號(hào)。（4）搶答器具有定時(shí)搶答功能， 且一次搶答的時(shí)間有主持人 設(shè)定，本搶答器的時(shí)間設(shè)定為 60 秒，當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始” 開關(guān)后，定時(shí)器開始減計(jì)時(shí)。當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到，而無人搶答 時(shí)，本次搶答無效，報(bào)警發(fā)出聲音，并禁止搶答。（5）設(shè)定的搶答時(shí)間內(nèi)，選手可以搶答，這時(shí)定時(shí)器停止 工作，顯示器上顯示選手的號(hào)碼和搶答時(shí)間。并

3、保持到主持 人按復(fù)位鍵。2 總體設(shè)計(jì)方案2.1方案選擇方案一采用74LS148尤先編碼器分辨選手搶答的先后，并通 過RS鎖存器74LS279鎖存搶答者的編號(hào)，再經(jīng)過74LS48芯片譯 碼驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示。方案二采用CC4067乍為編碼電路的核心元件，當(dāng)有選手搶答時(shí) 輸出四位相應(yīng)的8421BC碼即可同時(shí)供16位選手搶答。經(jīng) CC451七段譯碼器譯碼后驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示，同時(shí)利用 CD406組成一個(gè)多諧振蕩器，作為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 CC4510勺CP 脈沖使其計(jì)數(shù)并與D觸發(fā)器CD401完成自動(dòng)鎖存的功能。結(jié)論：與方案二相比，方案一使用的芯片少、電路簡單 且同樣能實(shí)現(xiàn)其功能，故選用方案一。2.2數(shù)

4、字搶答器總體方框圖定時(shí)搶答器的總體框圖如圖1所示。其主要由主體電路 和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體部分完成基本的搶答功能，即 開始搶答后，當(dāng)選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，能顯示選手的編號(hào)。同 時(shí)能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時(shí) 的搶答功能。秒脈圖沖 屮示定時(shí)搶器的工作過程是：接通電示咯|節(jié)目支 持人將開關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)， 編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定的時(shí)間，當(dāng)主持持人宣布 搶答題目后，說一聲“搶答開始”，同時(shí)將控制開關(guān)撥到“開始”位置，搶答器處于工作狀態(tài)，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí) 間到，卻沒有選手搶答時(shí)，輸入電路被封鎖，禁止選手超時(shí) 后搶答。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶

5、答鍵時(shí)，搶答器要完成 下面幾個(gè)工作：1優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號(hào)，并由鎖存器進(jìn)行 鎖存，然后有譯碼顯示電路顯示編號(hào)；2. 制電路要對(duì)輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次進(jìn) 行搶答；3. 控制電路要使定時(shí)器停止工作，時(shí)間器上顯示搶答時(shí)間， 并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止，以便進(jìn)行下一輪搶答。3系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)+5v13| I I I I IJ14U 10也A2 M AOLI s3.1搶答器電路R S2qST?|1474LS2T9DI-nTOST_ 74L514817 E 1514 G 12 IIIDpJ510A巧Yex ys圖2搶答電路參考電路如圖所示。該電路完成兩個(gè)功能：一是分辨出 選手按

6、鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示 電路顯示編號(hào)； 二是禁止其他選手按鍵操作無效。 工作過程： 開關(guān)S置于"清除"端時(shí)，RS觸發(fā)器的 端均為0,4個(gè)觸發(fā) 器輸出置0,使74LS148的=0,使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開 關(guān)S置于"開始"時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將 鍵按下時(shí)（如按下S5），74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后，1Q =1, =1, 74LS48處于工作狀態(tài)，4 Q3 Q2 Q=101,經(jīng)譯碼顯示 為"5 "。此外，1Q=1,使74LS148 = 1,處于禁止?fàn)顟B(tài)， 封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時(shí)，

7、74LS148的 此時(shí)由于仍為1Q=1,使=1,所以74LS148仍處于禁止?fàn)?態(tài),確保不會(huì)出二次按鍵時(shí)輸入信號(hào),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(guān)重新置 ？quot;清除" 然后再進(jìn)行下一輪搶答。74LS148為8線3線優(yōu)先編碼器，3.2 定時(shí)電路圖 3 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?？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)，具體電路如上圖所示。3.3 報(bào)警電路由 555 定時(shí)器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路如圖所示。其中 555 構(gòu)成多諧振蕩

8、器, 振蕩頻率 fo = 1 43（ RI2R2） C, 其輸出信號(hào)經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器。PR為控制信號(hào)，當(dāng)PR為 高電平時(shí),多諧振蕩器工作,反之,電路停振。圖 4 報(bào)警電路3.4 時(shí)序控制電路時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下三項(xiàng) 功能： 主持人將控制開關(guān)撥到 " 開始"位置時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲， 搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)。 當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和 定時(shí)電路停止工作。 當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到，無人搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同 時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。圖 5 搶答電路和定時(shí)電路停止工作根據(jù)上面的功能要求， 設(shè)計(jì)的時(shí)序控制電路如上圖所示。

9、圖中，門G1的作用是控制時(shí)鐘信號(hào) CR的放行與禁止，門G2 的作用是控制74LS148勺輸人使能端。圖11、4的工作原理是： 主持人控制開關(guān)從 " 清除" 位置撥到 "開始 "位置時(shí)，來自于圖 11、2中的74LS279勺輸出1Q=0,經(jīng)G3反相，A = 1,則時(shí)鐘 信號(hào)CR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 " 定時(shí)到信號(hào) " 為 1 ， 門G2的輸出=0，使74LS148處于正常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)功 能的要求。 當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí)， 1Q= 1，經(jīng) G3反相，A

10、 = 0, 封鎖CP信號(hào)，定時(shí)器處于保持工作狀態(tài)； 同時(shí)，門G2的輸出=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，從而實(shí) 現(xiàn)功能的要求。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，則"定時(shí)到信號(hào)"為0, =1， 74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進(jìn)行搶答。同時(shí)，門G1處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖CP信號(hào)，使定時(shí)電路保持00狀態(tài)不變， 從而實(shí)現(xiàn)功能的要求。集成單穩(wěn)觸發(fā)器74LS121用于控制報(bào) 警電路及發(fā)聲的時(shí)間。3.5相關(guān)元器件的介紹該設(shè)計(jì)用到較多集成電路電路芯片，在此給出其管腳圖 和部分功能介紹。74LS279RS鎖存器，當(dāng)R=1, S=0時(shí)，輸出為；當(dāng)R=1S=1 時(shí)，鎖存器具有保持功能，將輸出一直保持為

11、1,達(dá)到鎖存 的目的。表1 174LS279鎖存器功能3.5.2 74LS148下圖為 紹，ST為使能端， 當(dāng)無輸入時(shí)， YEX=Q其功能真表 2 74LS148輸入輸出SiS2RQQQ1Q1QX11XQ1Q11Q沒改變11174LS148的功能介控制芯片的工作；YEX=1有輸入時(shí), 值表如下：功能表輸出輸入IN 0 INi IN 2 IN 3 IN 4 IN 5 IN 6 IN 7Y2 Y1 Yo1X X X X X X X X1 111101 1 1 1 1 1 11 111100X X X X X X 00 00010X X X X X X 00 001110X X X X X 0 1

12、10 10010X X X X 0 1 10 101110X X X 0 1 1 11 001010X1X01111110010X01111111010100111111110111譯碼器圖6 74LS48譯碼器管腳分布圖原理說明：開關(guān)S置于"清零"端時(shí)，RS觸發(fā)器的輸入端F均為0,4 個(gè)觸發(fā)器輸出置0,使74LS279中 BI/RBO = 0 , AAAA=OOOO,使之處于鎖存狀態(tài)。74LS279不工作，輸出全為 0。當(dāng)開關(guān)S置于"開始"時(shí)，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有 選手將鍵按下時(shí)（如按下S5）, 74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后， 1Q=1,

13、%=1,74LS48處于工作狀態(tài)，4 Q3 Q2 Q=101，即 74LS279 輸入端 AAAA=0101 , 經(jīng) 74LS279后輸出 YgYfYeYdYcYbYa=110110經(jīng)譯碼顯示為"5"。3.5.4 555 定時(shí)器555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字/模擬混合集成電路，具 有開關(guān)特性，可以構(gòu)成各種單元脈沖電路圖 7 555 定時(shí)器引腳圖4 系統(tǒng)仿真與測試4 .1 Protues 的基本操作方法 元件選用：打開元件庫欄，移動(dòng)鼠標(biāo)到需要的元件圖形 上，按下左鍵，將元件符號(hào)拖拽到工作區(qū)。元件的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)制和刪除：用鼠標(biāo)單擊元 件符號(hào)選定，用相應(yīng)的菜單、工具欄，或

14、單擊右鍵激活彈出 菜單，選定需要的動(dòng)作。元器件參數(shù)設(shè)置：雙擊元件，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。 導(dǎo)線的連接：要包括導(dǎo)線的連接、彎曲導(dǎo)線的調(diào)整、導(dǎo) 線顏色的改變及連接點(diǎn)的使用。連接：鼠標(biāo)指向一元件的端點(diǎn)，出現(xiàn)小圓后，按下左鍵 并拖拽導(dǎo)線到另一個(gè)元件的端點(diǎn)， 出現(xiàn)小圓后松開鼠標(biāo)左鍵。刪除和改動(dòng)：選定該導(dǎo)線，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選 delete 。或者用鼠標(biāo)將導(dǎo)線的端點(diǎn)拖拽離開它與 元件的連接點(diǎn)。4.2 仿真步驟（ 1）根據(jù)自己所畫好的電路圖， 在 protues 元器件庫選 擇相應(yīng)的元器件。（2）用導(dǎo)線將元器件按圖連接好。（3）將元器件相應(yīng)參數(shù)設(shè)置好。（4）進(jìn)行電路仿真，根據(jù)仿真修改相應(yīng)的參數(shù)。4.3

15、仿真結(jié)果及分析總體電路圖 8 電路總體仿真圖搶答電路圖9 搶答電路仿真圖定時(shí)器圖10 定時(shí)電路仿真圖仿真開始圖11 仿真開始電路仿真倒計(jì)時(shí)圖12 仿真倒計(jì)時(shí)中選手搶答，顯示選手位置，定時(shí)器停止工作圖13 搶答定時(shí)5 安裝與調(diào)試5.1 安裝為了方便，選擇用面包板來實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，面包板 是專為電子電路的無焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的。由于各種電子元 器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，節(jié)省了電路 的組裝時(shí)間，而且元件可以重復(fù)使用，所以非常適合電子電 路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。安裝分立元件時(shí)，為了便于看到其極性和標(biāo)志，將元件 引腳理直后， 在需要的地方折彎。 為了防止裸露的引線短路， 必須使用帶套管的導(dǎo)

16、線，一般需剪斷元件引腳，因?yàn)檫@樣， 元件才會(huì)插得穩(wěn)且牢固，但是為了防止插錯(cuò)時(shí)要二次使用， 故引腳不宜剪得過短。一般不要插入引腳直徑 0.8mm 的元 器件，以免破壞插座內(nèi)部接觸片的彈性。對(duì)多次使用過的集成電路的引腳，必須修理整齊，引腳 不能彎曲，所有的引腳應(yīng)稍向外偏，這樣能使引角與插孔可 靠接觸。要根據(jù)電路圖確定元器件在面包板上的排列方式， 目的是走線方便。為了能夠正確布線并便于查線，所有集成 電路的插入方向要保持一致，不能為了臨時(shí)走線方便或縮短 導(dǎo)線長度而把集成電路倒插。根據(jù)信號(hào)流程的順序，采用邊安裝邊調(diào)試的方法。元器 件安裝之后，先連接電源線和地線。為了查線方便，連線盡 量采用不同顏色。例

17、如：正電源一般采用紅色絕緣皮導(dǎo)線， 而負(fù)電源及接地一般采用黑色絕緣皮導(dǎo)線。 不通電檢查 電路安裝完畢后，不要急于通電，應(yīng)首先 認(rèn)真檢查接線是否正確， 包括多線、少線、錯(cuò)線等，尤其是 電源線不能接錯(cuò)或接反，以免通電后燒壞電路或元器 件。查 線的方式有兩種：一種是按照設(shè)計(jì)電路接線圖檢查安裝電路， 在安裝好的電路中 按電路圖一一對(duì)照檢查連線；另一種方法 是按實(shí)際線路，對(duì)照電路原理圖按兩個(gè)元件接 線端之間的連 線去向檢查。無論哪種方法，在檢查中都要對(duì)已經(jīng)檢查過的 連線做標(biāo)記， 使用萬用表檢查連線很有幫助。 直觀檢查 ：連線檢查完畢后，直觀檢查電源，元器 件接線端之間有無短路，連線 處有無接觸不良。 通

18、電檢查 ：把經(jīng)過準(zhǔn)確測量的電源電壓加入電路，電源接通之后不要急于測量數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果，首先要觀察有 無異常現(xiàn)象，包括有無冒煙、有無異常氣味、觸摸元件是 否 有發(fā)燙現(xiàn)象、電源是否短路等。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)立即切斷 電源，排除故障后可重新 通電。 分塊調(diào)試：包括測試和調(diào)整兩個(gè)方面。測試是在安裝后對(duì)電路的參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn)行測量；調(diào)整則是在測試的基礎(chǔ)上對(duì)電路的結(jié)構(gòu)或參數(shù)進(jìn)行修正，使之滿足設(shè)計(jì)要求。為了使測試能夠順利進(jìn)行，設(shè)計(jì)的電路圖上應(yīng)標(biāo)出 各點(diǎn)的電位值，以及其他參考數(shù)值。調(diào)試過程中我們不能單 憑感覺和印象，要始終借助儀器觀察， 測試之前要熟悉各種儀器的使用方法，并仔細(xì)加以檢 查，避免由于儀器使用不當(dāng) 或

19、出現(xiàn)故障而作出錯(cuò)誤判斷。 測試儀器和被測電路應(yīng)具有良好的共地，只有使儀器 和電路之間建立一個(gè)公共地 參考點(diǎn)，測試的結(jié)果才是準(zhǔn)確 調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)器件或接線有問題需要更換或修改時(shí)，應(yīng)關(guān)斷電源，待更換完 畢認(rèn)真檢查后方可重新通電。 調(diào)試過程中， 不但要認(rèn)真觀察和檢測， 還要認(rèn)真記錄。 包括記錄觀察的現(xiàn)象、測量的數(shù)據(jù)間關(guān)系，必要時(shí)在記錄中應(yīng)附加說明，尤其是 那些和設(shè)計(jì)不符合的現(xiàn)象更是要注意。6 收獲與體會(huì)這一次課程設(shè)計(jì)，它加深與鞏固了我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ) 課程，例如數(shù)電和模電，并將其綜合運(yùn)用，提高了我們綜合 運(yùn)用知識(shí)的能力還有就是將理論運(yùn)用于實(shí)踐，另一方面，培 養(yǎng)了我們對(duì)專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的趣；同時(shí)也提高了我們分析問題 的能力。這次課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程我采用分塊的設(shè)計(jì)順序，優(yōu)化 了設(shè)計(jì)流程使之更符合邏輯性。但是需要注意的是，在其中 每個(gè)環(huán)節(jié)必須認(rèn)真進(jìn)行，如果某模塊電路沒有設(shè)計(jì)好，或者 存在錯(cuò)誤，則總的電路必然會(huì)受到影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該 考慮到實(shí)際情況。有時(shí)候會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)極小的疏忽而導(dǎo)致整個(gè) 電路無法運(yùn)行，例如，在仿真過程中由于我忘記接地導(dǎo)致輸 出老是不對(duì)。另外，該課程設(shè)計(jì)也要求我具備扎實(shí)的理論知 識(shí)，剛開始由于理論知識(shí)掌握的不牢靠，在進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)時(shí) 也一度使我碰壁，浪費(fèi)了很多時(shí)間，最后不得不捧著書本， 再把一些學(xué)的