智力競(jìng)賽搶答器邏輯電路設(shè)計(jì)

1、電路設(shè)智力競(jìng)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(guò)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(jìng)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(kāi)關(guān)啟動(dòng)報(bào)警電路，以上兩部分組成主體電路。通過(guò)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(guò)布線、焊接、調(diào)試等工作后，數(shù)字搶答器成形。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)與

2、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(kāi)始搶答。（3）搶答器開(kāi)始時(shí)數(shù)碼管無(wú)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(kāi)始”開(kāi)關(guān)后，定時(shí)器開(kāi)始減計(jì)時(shí)。當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到，而無(wú)人搶答時(shí)，本次搶答無(wú)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

3、用74LS148優(yōu)先編碼器分辨選手搶答的先后，并通過(guò)RS鎖存器74LS279鎖存搶答者的編號(hào)，再經(jīng)過(guò)74LS48芯片譯碼驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示。方案二采用CC4067作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8421BCD碼即可同時(shí)供16位選手搶答。經(jīng)CC4511七段譯碼器譯碼后驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示，同時(shí)利用CD4069組成一個(gè)多諧振蕩器，作為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC4510的CP脈沖使其計(jì)數(shù)并與D觸發(fā)器CD4013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(jiǎn)單且同樣能實(shí)現(xiàn)其功能，故選用方案一。2.2數(shù)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)

4、展電路兩部分組成。主體部分完成基本的搶答功能，即開(kāi)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。顯示電路主持人控制開(kāi)關(guān)主體電路控制電路秒脈沖產(chǎn)生電路顯示電路譯碼電路定時(shí)電路優(yōu)先編碼電路搶答按鈕譯碼電路鎖存器擴(kuò)展電路圖 1 定時(shí)搶答器的總體框圖圖1所示定時(shí)搶器的工作過(guò)程是：接通電源時(shí)，節(jié)目支持人將開(kāi)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(shuō)一聲“搶答開(kāi)始”，同時(shí)將控制開(kāi)關(guān)撥到“開(kāi)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(méi)有選手搶答時(shí)，輸入電路

5、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)3.1 搶答器電路圖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(wú)效。工作過(guò)程：開(kāi)關(guān)S置于"清除"端時(shí)，RS觸發(fā)器的

6、端均為，個(gè)觸發(fā)器輸出置，使74LS148的 ，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S置于"開(kāi)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)，QQQ=101,經(jīng)譯碼顯示為""。此外，1，使74LS148 ，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開(kāi)即按下時(shí)，74LS148的 此時(shí)由于仍為，使 ，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(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開(kāi)關(guān)重新置?quot;清除"然后再進(jìn)行下一輪搶答。74LS

7、148為線線優(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(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?？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)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo143（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(kāi)關(guān)撥到"開(kāi)始

8、"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(wú)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。圖中，門G1 的作用是控制時(shí)鐘信號(hào)CP的放行與禁止，門G2的作用是控制74LS148的輸人使能端 。圖11、4的工作原理是：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)自于圖11、2中的74LS279的輸出 1Q=0，經(jīng)G3反相， A1，則時(shí)鐘信號(hào)CP能夠

9、加到74LS192的CPD時(shí)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)，1Q1，經(jīng) G3反相， A0，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)

10、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。3.5.1 74LS27974LS279 RS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1，達(dá)到鎖存的目的。表1 174LS279 鎖存器功能輸入1 2 輸出 Q0 0 00 X 1 X 0 1 1 1 0 1 1 1 1110沒(méi)改變 3.5.2 74LS148下圖為74LS148的功能介紹，ST為使能端，控制芯片的工作；當(dāng)無(wú)輸入時(shí)，YEX=1，有輸入時(shí)，YEX=0。其功能真值表如下：表2 74LS148功能表輸

11、入輸出0 1 2 3 4 5 6 72 1 0 1X X X X X X X X1 1 11 101 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 00X X X X X X 00 0 0 0 10X X X X X X 0 10 0 1 0 10X X X X X 0 1 10 1 0 0 10X X X X 0 1 1 10 1 1 0 10X X X 0 1 1 1 11 0 0 0 10X X 0 1 1 1 1 11 0 1 0 10X 0 1 1 1 1 1 11 1 0 0 100 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 13.5.3 74LS48譯碼器 圖6 74LS48譯碼器管

12、腳分布圖原理說(shuō)明：開(kāi)關(guān)S置于"清零"端時(shí)，RS觸發(fā)器的輸入端R均為，個(gè)觸發(fā)器輸出置，使74LS279 中 BI/RBO ，A3A2A1A0=0000,使之處于鎖存狀態(tài)。74LS279不工作，輸出全為0。當(dāng)開(kāi)關(guān)S置于"開(kāi)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,YS =1,74LS48處于工作狀態(tài)，QQQ=101,即74LS279輸入端A3A2A1A0=0101，經(jīng) 74LS279后輸出YgYfYeYdYcYbYa=1101101,經(jīng)譯碼顯示為"5"。3.5.4 55

13、5 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(kāi)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(cè)試4 .1 Protues 的基本操作方法元件選用：打開(kāi)元件庫(kù)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

14、開(kāi)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 ?；蛘哂檬髽?biāo)將導(dǎo)線的端點(diǎn)拖拽離開(kāi)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(kù)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(kāi)始圖11 仿真開(kāi)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5.1.1面包板的使用方法及注意事項(xiàng)為

15、了方便，選擇用面包板來(lái)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(wú)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)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(guò)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(guò)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，

16、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(zhǎng)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。5.2.1調(diào)試的方法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

17、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(wú)論哪種方法，在檢查中都要對(duì)已經(jīng)檢查過(guò)的連線做標(biāo)記， 使用萬(wàn)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(wú)短路，連線 處有無(wú)接觸不良。通電檢查：把經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量的電源電壓加入電路，電源接通之后不要急于測(cè)量數(shù) 據(jù)和觀察結(jié)果，首先要觀察有無(wú)異?，F(xiàn)象，包括有無(wú)冒煙、有無(wú)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(cè)試和調(diào)整兩個(gè)方面。測(cè)試是在安裝后對(duì)電路的

18、參數(shù)及工作狀態(tài)進(jìn) 行測(cè)量；調(diào)整則是在測(cè)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(cè)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(guò)程中我們不能單憑感覺(jué)和印象，要始終借助儀器觀察，5.2.2調(diào)試注意事項(xiàng)測(cè)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) 或出現(xiàn)故障而作出錯(cuò)誤判斷。測(cè)試儀器和被測(cè)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(cè)試的結(jié)果才是準(zhǔn)確的。調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)器件或接線有問(wèn)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(guò)程中，不但要認(rèn)真觀察和檢測(cè)，還要認(rèn)真記錄。包括記

19、錄觀察的現(xiàn)象、測(cè)量的數(shù)據(jù)間關(guān)系，必要時(shí)在記錄中應(yīng)附加說(shuō)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(wèn)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(méi)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(wú)法運(yùn)行，例如，在仿真過(guò)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(kāi)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