1、1引言各種智力競(jìng)賽越來(lái)越多,在答題的過(guò)程中一般要分為必答和搶答兩種。必答有時(shí)間限制，到時(shí)間要告警。而搶答需要參賽者做好充分準(zhǔn)備，等主持人說(shuō)完題目，參賽者開(kāi)始搶答，誰(shuí)先按鈕，就有這個(gè)參賽者答題，但是很難確定誰(shuí)先按的，因此使用搶答器來(lái)完成這一功能是很有必要的。我們這里所設(shè)計(jì)的搶答器是一種比較容易的搶答器。沒(méi)有使用特別多的，復(fù)雜的元器件。它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、制作方便、操作簡(jiǎn)單、方便、性能可靠，適用于多種智力競(jìng)賽活動(dòng)。本搶答器的電路由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。定時(shí)搶答器的工作過(guò)程是:接通電源時(shí)，節(jié)目主持人將開(kāi)關(guān)置于“清除”位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號(hào)顯示燈滅燈，定時(shí)顯示器顯示設(shè)置時(shí)間。當(dāng)節(jié)目

2、主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，揚(yáng)聲器給出聲響提示，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)，系統(tǒng)報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答。1.1設(shè)計(jì)詳細(xì)任務(wù)與要求1.1.1基本功能1. 搶答器最多可供8名選手參賽，編號(hào)為18號(hào)，各隊(duì)分別用一個(gè)按鈕（s0s7）控制，并設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清零和搶答控制開(kāi)關(guān)s，該開(kāi)關(guān)由主持人控制。2. 搶答器具有數(shù)字鎖存和顯示的功能。搶答開(kāi)始后，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，該選手的編號(hào)立即鎖存，并在led數(shù)碼管上顯示出選手的編號(hào)。此外，要封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清

3、零為止。3. 開(kāi)關(guān)s作為清零及搶答控制開(kāi)關(guān)（由主持人控制）當(dāng)開(kāi)關(guān)s被按下時(shí)搶答電路清零，松開(kāi)后則允許搶答。輸入搶答信號(hào)由搶答按鈕開(kāi)關(guān)s0s7實(shí)現(xiàn)。1.1.2功能1. 定時(shí)搶答功能。搶答器定時(shí)為30s，啟動(dòng)起始鍵后，定時(shí)器工作開(kāi)始，立即減計(jì)，并在顯示器上顯示出來(lái)，同時(shí)揚(yáng)聲器要短暫報(bào)警。2. 參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搶答（30s），搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答時(shí)刻的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。3當(dāng)定時(shí)搶答的時(shí)間已到，還沒(méi)有選手搶答，本次搶答無(wú)效，系統(tǒng)短暫報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答，時(shí)間顯示器上顯示00.2方案設(shè)計(jì)與論證經(jīng)討論研究，初步確定兩種方案如下：

4、方案一：1) 30秒定時(shí)器：可由兩片74ls192構(gòu)成。當(dāng)?shù)谝黄瑸榱悖摧敵?111時(shí)通過(guò)74ls20將脈沖信號(hào)截止，使其顯示為00.2）搶答器部分：由一74ls148優(yōu)先編碼器實(shí)現(xiàn)搶答功能，用74ls279將選手代碼鎖存直到主持人清零為止，然后用7段譯碼器顯示選手代碼。3）脈沖產(chǎn)生電路可由一74ls121來(lái)產(chǎn)生，提供給定時(shí)電路及聲響電路。4報(bào)警部分：由一ne555定時(shí)器來(lái)控制，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)為零時(shí)產(chǎn)生報(bào)警聲響。方案二：1）30秒定時(shí)器：可用一片74ls161來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)74ls161輸出為1111時(shí)通過(guò)與非門將脈沖信號(hào)截止，顯示停留在30上。2）搶答器部分：由8位選手的開(kāi)關(guān)及自己根據(jù)實(shí)際情況用與非門

5、連接成的簡(jiǎn)單譯碼器，輸出接七段譯碼器，七段譯碼器接數(shù)字顯示器。搶答成功的選手對(duì)應(yīng)的燈亮且數(shù)字顯示及編號(hào)。3）時(shí)基脈沖選用實(shí)驗(yàn)室提供的信號(hào)發(fā)生器。4）報(bào)警部分:當(dāng)計(jì)時(shí)器計(jì)到30時(shí)，輸出一個(gè)高電平使二極管發(fā)光且發(fā)出報(bào)警聲。經(jīng)過(guò)分析及研究我決定用第一種方案，因?yàn)樗麑?duì)我們比較實(shí)際，大部分元件我們已經(jīng)學(xué)過(guò)，而且原理較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在應(yīng)用到設(shè)計(jì)中來(lái)提高我們對(duì)這些元件的記憶，加深對(duì)他們的了解，為以后的設(shè)計(jì)提供了較好的應(yīng)用根據(jù)方案二設(shè)計(jì)出多路智能競(jìng)賽搶答器的組成框圖如圖1圖1 多路智能競(jìng)賽搶答器的組成框圖該設(shè)計(jì)搶答器的電路主要是由搶答開(kāi)關(guān)電路、觸發(fā)電路、觸發(fā)鎖存電路、編碼器、七段顯示譯碼器幾部分構(gòu)成。工作原理為：接

6、通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到"清零"狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開(kāi)關(guān)置“開(kāi)始”狀態(tài)，宣布"開(kāi)始"搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時(shí)后搶答。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開(kāi)始"狀態(tài)開(kāi)關(guān)。3單元電路的設(shè)計(jì)3.1搶答電路的設(shè)計(jì)3.1.1 74ls48

7、芯片介紹74ls48是輸出高電平有效的中規(guī)模集成bcd七段顯示譯碼器，它的功能簡(jiǎn)圖和管腳引線 如圖所示。其真值表見(jiàn)表1所示。 圖6十進(jìn)制數(shù)或功能表輸入ibr非ybr非輸出lt非ibr非a3a2a1a0abcdefg01100001111111011x00011011000021x00101110110131x00111111100141x01001011001151x01011101101161x01101001111171x01111111000081x10001111111191x100111110011101x1010100011011111001110011001121x1100101

8、00011131x110111001011141x111010001111151x111110000000滅燈xxxxxx00000000置零10000000000000表1 74ls48bcd七段譯碼驅(qū)動(dòng)器真值表3.1.2搶答電路的設(shè)計(jì)該部分電路要完成兩個(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。選用優(yōu)先編碼器74ls148和rs鎖存器74ls279可以完成上述功能，所組成的電路圖1所示。這個(gè)電路的工作原理過(guò)程：當(dāng)主持人控制開(kāi)關(guān)s置于"清零"端時(shí)，rs觸發(fā)器的r非端均為低電平，個(gè)觸發(fā)器輸輸出（4q、3q

9、、2q、1q）全部為低電平，使74ls48的bi的非 ，顯示器燈滅；74ls148的選通輸入端st非=0，使74ls48處于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存電路處于不工作狀態(tài)。當(dāng)主持人把開(kāi)關(guān)s置于"開(kāi)始"時(shí)，優(yōu)先編碼器和鎖存電路同時(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i7,i6,i5,i4,i3,i2,i1,i0的信號(hào)輸入，當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)（如按下s5），74ls148的輸出y2y1y0的非=010，yex的非=0，經(jīng)rs鎖存后，ctr=1，bi的非=1，74ls279處于工作狀態(tài)，4q3q231q =101,74ls48處于工作狀態(tài)，經(jīng)74ls148譯碼后，顯示器顯示為

10、""。此外，ctr=1，使74ls148的st的非為高電平，74ls148處于禁止工作狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按下的鍵松開(kāi)時(shí)，74ls148的yex的非為高電平， 但由于ctr維持高電平不變，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)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。如有再次搶答需由主持人將開(kāi)關(guān)重新置“清除”，電路復(fù)位。圖2 搶答器電路然后再進(jìn)行下一輪搶答。3.3定時(shí)電路的設(shè)計(jì)3.3.1 74ls192介紹74ls192具有下述功能：1)異步清零：cr=1，q3q2q1q0=0000 2)異步置數(shù)：cr=0，ld=0，q3q2q1q0=d3

11、d2d1 d03)保持： cr=0，ld=1，cpu=cpd=1, q3q2q1q0保持原態(tài) 4)加計(jì)數(shù)：cr=0, ld=1，cpu=cp，cpd=1，q3q2q1q0按加法規(guī)律計(jì)數(shù) 5)減計(jì)數(shù)：cr=0, ld=1，cpu=1，cpd= cp，q3q2q1q0按減法規(guī)律計(jì)數(shù)（異步級(jí)聯(lián)異步級(jí)聯(lián)方式的特點(diǎn)是：用前級(jí)計(jì)數(shù)器的輸出作為后級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。）如圖所示，用兩片74ls192構(gòu)成m=100的計(jì)數(shù)器。圖7 中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)異步級(jí)聯(lián)74ls192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。cpu為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，cpd為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。ld為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 cr為復(fù)位輸入端，高電

12、平有效，異步清除。co為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出bo為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。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)，具體電路如圖3所示。圖3 定時(shí)定路3.4報(bào)警電路的設(shè)計(jì)這部分電路我們是用由555定時(shí)器和三極管構(gòu)成。報(bào)警電路如下圖所示。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率fo143（r12r2）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；而當(dāng)pr為低電平時(shí)，電路停振。圖4 報(bào)警電路3.5時(shí)

13、序控制電路的設(shè)計(jì)時(shí)序控制電路是八路搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)樗瓿梢韵氯?xiàng)功能：1）主持人將控制開(kāi)關(guān)撥到"開(kāi)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)。2）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。圖5 時(shí)序控制電路3）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。根據(jù)上面的功能要求以及搶答器電路，我們?cè)O(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st的非。電路圖的工作原理是：主持人控制開(kāi)關(guān)從"清除"位置撥到

14、"開(kāi)始"位置時(shí)，來(lái)自于搶答電路中的74ls279的輸出ctr=0，經(jīng)g3反相, a1，則從555輸出端來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)cp能夠加到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)，來(lái)自于定時(shí)電路的74ls192的錯(cuò)位輸入端bo2的非=1，門g2的輸出st的非=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)，ctr=1，經(jīng)g3反相， a=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st的非=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)，來(lái)自74ls192的bo2的

15、非=0，st的非=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。同理，可分析設(shè)計(jì)將集成單穩(wěn)觸發(fā)器74ls121用于控制報(bào)警電路及發(fā)聲的時(shí)間。關(guān)于參數(shù)：發(fā)聲延遲0.5秒，fo143（r12r2）c，權(quán)衡考慮到元器件的成本和74ls121的相關(guān)性質(zhì)（下文有說(shuō)明），最終選擇的電阻值為r1=15k，r2=68k，c=10u。整機(jī)電路的設(shè)計(jì)通過(guò)上面各單元電路的設(shè)計(jì)，可以畫出設(shè)計(jì)的八路搶答器的整機(jī)電路。如附頁(yè)所示。4主要元器件介紹4.3 74ls14874ls148是8：3線優(yōu)先編碼器。它允許多個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)有

16、效，但只對(duì)一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的輸入信號(hào)進(jìn)行編碼。圖8 74ls148的功能真值表4.4 74ls279r=1,s=0時(shí)，qn+1=1,觸發(fā)器置1狀態(tài)r=0,s=1時(shí)，qn+1=0,觸發(fā)器置0狀態(tài)r=1,s=1時(shí)，qn+1=qn,觸發(fā)器保持原來(lái)狀態(tài)r=0,s=0時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)不穩(wěn)（不允許這種輸入存在）以ttl集成觸發(fā)器74ls279為例，其邏輯符號(hào)如圖(a)所示，每片74ls279包含四個(gè)獨(dú)立的與非門組成的基本rs觸發(fā)器。其中第一個(gè)和第三個(gè)觸發(fā)器個(gè)有兩個(gè)rd輸入端（s1和s5）,在任一輸入端加上低電平均能將觸發(fā)器置1；每個(gè)觸發(fā)器只有一個(gè)rd輸入端（r）。圖（b）為第一個(gè)觸發(fā)器的邏輯電路。(a)邏輯符

17、號(hào) （b）邏輯電路圖9 74ls79集成電路4.5 74ls121ttl集成器件74ls121是一種不可重復(fù)觸發(fā)器集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器關(guān)于定時(shí)：?jiǎn)畏€(wěn)態(tài)電路的定時(shí)取決于定時(shí)電阻和定時(shí)電容的數(shù)值。74ls121的定時(shí)電容連接在芯片的10、11引腳之間。若輸出脈寬較寬而采用電解電容時(shí)，電容c的正極連接在c輸出端（10腳），對(duì)于定時(shí)電阻使用者可有兩種選擇：采用內(nèi)部定時(shí)電阻（2k）,此時(shí)將9號(hào)引腳（rint）接置電源vcc(14腳)。采用外接定時(shí)電阻（阻值在1.440 k之間），此時(shí)9腳懸空，電阻接在11、14腳之間。74121的輸出脈沖寬度t0.7rc。通常r的數(shù)值取在230k之間，c的數(shù)值取在10pf1

18、0f之間，得到的取值范圍可達(dá)到20ns200ms。該試中的r可以是外接電阻r，也可以是芯片內(nèi)部電阻r(約2k),如希望得到較寬的輸出脈沖，一般使用外接電阻。圖10 74ls121表2 74ls121功能表4.6發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱led，采用砷化鎵、鎵鋁砷、和磷化鎵等材料制成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)pn結(jié)，具有單向?qū)щ娦浴?當(dāng)在發(fā)光二極管pn結(jié)上加正向電壓時(shí)，pn結(jié)勢(shì)壘降低，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于漂移運(yùn)動(dòng)，致使p區(qū)的空穴注入到n區(qū)，n區(qū)的電子注入到p區(qū)，這樣相互注入的空穴與電子相遇后會(huì)產(chǎn)生復(fù)合，復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的能量大部分以光的形式出現(xiàn)，因此而發(fā)光。 常用的發(fā)光二極管應(yīng)用電路有四種，即直流驅(qū)動(dòng)電路、交流

19、驅(qū)動(dòng)電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路、變色發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路。 使用led作指示電路時(shí)，應(yīng)該串接限流電阻，該電阻的阻值大小應(yīng)根據(jù)不同的使用電壓和led所需工作電流來(lái)選擇。 發(fā)光二極管的壓降一般為1.52.0 v，其工作電流一般取1020 ma為宜。4.7 ne555ne555是時(shí)基集成電路，它在應(yīng)用和工作方式上一般可歸納為3類。每類工作方式又有很多個(gè)不同的電路。在實(shí)際應(yīng)用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個(gè)單穩(wěn)、多個(gè)雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無(wú)穩(wěn)，雙穩(wěn)和無(wú)穩(wěn)的組合等。 ne555時(shí)基電路封形式有兩種，一是dip雙列直插8腳封裝，另一種是sop-8小型（smd）封裝形式。其他ha17555、lm555、ca

20、555分屬不同的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理都相同。ne555屬于cmos工藝制造，圖1是ne555的外形圖，圖2是它的內(nèi)部功能原理框圖，圖3是它的內(nèi)部等效電路。ne555的內(nèi)部中心電路是三極管q15和q17加正反饋組成的rs觸發(fā)器。輸入控制端有直接復(fù)位reset端，通過(guò)比較器a1，復(fù)位控制端的th、比較器a2置位控制的t。輸出端為f，另外還有集電極開(kāi)路的放電管dis。它們控制的優(yōu)先權(quán)是r、t、th。5心得體會(huì)以往每做一次課程設(shè)計(jì)，感覺(jué)自己的收獲總會(huì)不少，這次也不例外。做課程設(shè)計(jì)是為了讓我們對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識(shí)并加以綜合提高，學(xué)會(huì)將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的方法，提高分析和解決問(wèn)題的能力。一個(gè)星期課程設(shè)計(jì)使我們對(duì)數(shù)電的基礎(chǔ)知識(shí)又有了論知識(shí)有了進(jìn)一步的了解，通過(guò)設(shè)計(jì)也培養(yǎng)了我們的動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)配合能力。尤其增強(qiáng)了對(duì)數(shù)字電子技術(shù)這門課程的興趣。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們通過(guò)軟件仿真，我們的動(dòng)手能力得到了很大的提高。設(shè)計(jì)階段，我們到網(wǎng)上及圖書管查找相關(guān)元件資料，了解了更多電子元件的功能和原理，實(shí)現(xiàn)了電路的預(yù)定功能。在設(shè)計(jì)中，我們相互幫助，同學(xué)協(xié)作能力得到了