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智力抢答器.docx

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智力抢答器.docx

智力抢答器

总结...........................................................................................................................................28

绪论

随着我国经济和文化事业的发展，在很多竞争场合都要求有快速公正的额竞争裁决，例如证券、股票交易及各种智力竞赛等。

在现代生活中，智力竞赛更是作为一种生动活泼的教育形式和方法能够引起观众的极大兴趣。

而在竞赛中往往分为几组参加，这时针对主持人提出的问题，各组一般都要进行必答和抢答，对必答一般有时间限制，到时有声响提示；对于抢答，要判定哪组先按键，为了公正，这就要有一种逻辑电路抢答器作为裁判员，一般抢答器由很多门电路组成，线路复杂，可靠性低，特别是抢答路数增多时，实现起来就更加困难。

本文介绍了一种利用数字电路实现的抢答系统，具有很强的实用性。

数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。

优先编码器、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制器和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。

抢答器具有数据锁存和显示功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在数码显示器上显示选手编号，同时扬声器给出提示音；同时所存输入电路，禁止其他选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答时间为10秒。

当主持人启动“开始”按钮后，要求定时器立即进行加计时，并用显示器显示通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。

参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止；如果定时抢答时间已到，而没有选手抢答时，本次抢答无效，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示9并保持。

经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器完成。

第1章总体方案的设计

1.1任务要求

（1）4名选手编号为：

K1，K2，K3，K4。

各有一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号对应，也分别为1，2，3，4。

（2）给主持人设置一个控制按钮，用来控制系统清零（抢答显示数码管灭灯）和抢答的开始。

（3）抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，该选手编号立即锁存，并在抢答显示器上显示该编号，同时扬声器给出音响提示，封锁输入编码电路，禁止其他选手抢答。

抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

（4）抢答器具有定时（10秒）抢答的功能。

当主持人按下开始按钮后，定时器开始计时，定时显示器显示计时间间，若无人抢答，计时结束时，扬声器响，音响持续1秒。

参赛选手在设定时间（10秒）内抢答有效，抢答成功，扬声器响，音响持续1秒，同时定时器停止计时，抢答显示器上显示选手的编号，定时显示器上显示抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。

（5）如果抢答定时已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效。

系统扬声器报警（音响持续1秒），并封锁输入编码电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器显示9。

（6）可用石英晶体振荡器或者555定时器产生频率为1Hz的脉冲信号，作为定时计数器的CP信号。

1.2总体电路框图

当主持人宣布开始，定时电路开始秒脉冲电路的作用而进行倒记时，并通过译码器在显示器中显示。

报警电路给出声音提示。

当选手首先按某一开关键时，可通过触发锁存电路被触发并锁存，在输出端产生相应的开关电平信息，同时为防止其它开关随后触发而产生紊乱，最先产生的输出电平变化又反过来将触发电路锁定。

然后在译码器中译码，将触发器输出的数据转换为数码管需要的逻辑状态。

最后在显示电路中显示出所按键选手的号码。

若有多个开关同时按下时，则在它们之间存在着随机竞争的问题，结果可能是它们中的任一个产生有效输出。

如图1-1

开关阵列

触发器

锁存电路

译码电路

主持人控制开关

控制电路

报警电路

秒脉冲产生电路

定时电路

译码电路

显示电路

图1-1系统框图

第2章单元电路的设计

2.1抢答电路

抢答电路包括：

开关阵列电路K1~K4、、编码器74LS148、译码器4511BP_5V、七段字符显示器；

开关阵列电路K1~space

开关阵列用于选手抢答和主持人控制抢答开关作用，当主持人关闭抢答时即电路接低电平时，其余四组抢答开关无效，并且主持人开关具有清零上一次抢答结果的作用；当主持人开启抢答器时，其余四组开关开始起抢答控制器作用即开始抢答；如图2-1-1所示为开关阵列。

图2-1-1开关阵列电路

2.1.2优先编码器74LS148

74LS148为8线－3线优先编码器，图2-1-2为其管脚,表2-1为其真值表。

图2-1-274LS148管脚图

表2-174LS1488线—3线二进制编码器真值表

74LS148工作原理如下：

该编码器有8个信号输入端，3个二进制码输出端。

此外，电路还设置了输入使能端EI，输出使能端EO和优先编码工作状态标志GS。

当EI=0时，编码器工作；而当EI=1时，则不论8个输入端为何种状态，3个输出端均为高电平，且优先标志端和输出使能端均为高电平，编码器处于非工作状态。

这种情况被称为输入低电平有效，输出也为低电来有效的情况。

当EI为0，且至少有一个输入端有编码请求信号（逻辑0）时，优先编码工作状态标志GS为0。

表明编码器处于工作状态，否则为1。

由功能表可知，在8个输入端均无低电平输入信号和只有输入0端（优先级别最低位）有低电平输入时，A2A1A0均为111，出现了输入条件不同而输出代码相同的情况，这可由GS的状态加以区别，当GS＝1时，表示8个输入端均无低电平输入，此时A2A1A0=111为非编码输出；GS＝0时，A2A1A0=111表示响应输入0端为低电平时的输出代码（编码输出）。

EO只有在EI为0，且所有输入端都为1时，输出为0，它可与另一片同样器件的EI连接，以便组成更多输入端的优先编码器。

从功能表不难看出，输入优先级别的次为7，6，……，0。

输入有效信号为低电平，当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出相对应的输入端的代码。

例如5为0。

且优先级别比它高的输入6和输入7均为1时，输出代码为010，这就是优先编码器的工作原理。

2.1.3CD4511引脚图

图2-1-3CD4511

其功能介绍如下：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

5脚是锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

表2-2CD4511的逻辑功能表

输入

输出

显示字符

BI非

LT非

ⅹ

灭

ⅹ

不变

维持

灭

2.1.3七段数码显示管

图2-1-4七段数码显示管

7段数码管是由7个独立的二极管采用共阴或共阳的方法连接而成。

通常将这7个独立的二极管做成a、b、c、d、e、f、g这7个笔划。

通过一个7位的二进制电平信号就可以显示出想要的结果。

例如，点亮二极管b、c，数码管将会显示数字1，点亮a、b、c、d、e、f、g，数码管将会显示数字0。

所以，数码管的显示需要有7根连线。

每个数字对应的二进制码如表2-2所示。

表2-3七段数码显示器功能表

显示数字

本电路是采用共阴极LED数码管，输入高电平有效，其公共端接地。

2.2计时器电路

计时器电路包括：

计数器74LS160加法计数器（四位二进制）、译码器4511BP_5V、七段字符显示器；

2.2.1计数器74LS160加法计数器（四位二进制）

图2-2-174LS160管脚图

各种管脚的功能如下：

16号管脚：

VCC:

接5伏电压15号管脚：

CO进位输出14~11号管脚：

信号输出10号管脚：

CTT9号管脚：

置数端8号管脚：

GND接地7号管脚：

CTP6~3号管脚：

信号输入2号管脚：

接CP

1号管脚为异步清零端，当CR非=0时，Q0~Q3均为0。

10号管脚LD非（低电平有效）为置入控制端，当CR非=1、LD非=0时，在CP时钟的上升沿作用下，外加输入数据D0~D3同时置入，及Q0=D0，Q1=D1，Q2=D2，Q3=D3。

CTP，CTT为计数控制信号，在CR非=1，LD非=1的情况下，CTP=1,CTT=1完成4为二进制加法计数；CTT=0，CTP=1时，电路中各级触发器的状态处于保持状态，而输出CO=0；CTT=1，CTP=0时电路各级触发器均处于保持。

表2-374LS160逻辑功能表

输入

输出

~CLK

~CLR

~LOAD

ENP

ENT

ⅹ

↑

ⅹ

保持

ⅹ

保持

↑

ⅹ

计数

2.2.2其它元件

译码器4511BP_5V、七段数码显示器同2.1.3译码器4511BP_5V、2.1.4七段字符显示器。

2.3报警电路

报警电路包括：

分频器（两个74LS00组成）、蜂鸣器BUZZER；

分频器（两个74LS00组成）

分频器主要用于降低多谐振荡器产生的秒脉冲信号使蜂鸣器获得低电平从而发出报警音，图2-3-1为由两个74LS00组成的分频器。

图2-3-1分频器

蜂鸣器BUZZER

蜂鸣器主要用于产生报警信号，在本设计中采用低电平报警器，在选手开始抢答时，一旦某选手率先抢答成功就发出提示音，抢答时间结束（显示器显示9时）蜂鸣器发出提示音，图2-3-2所示为该蜂鸣器

图2-3-2蜂鸣器

2.4振荡电路

555定时器是一种多功能的中规模集成器件，它的结构比较复杂，在定时器内部，一般包含20多只晶体管，10多个电阻和数值电容。

本系统需要产生频率为500KHZ的脉冲信号，用于为161道计数提供CP信号，及频率为1HZ信号用于计时电路。

以上电路可用555定时器组成，如图2-4-1

图2-4-1脉冲振荡电路

2.4.1555_VIRTUAL芯片

图2-4-1555_VIRTUAL芯片管脚图

555芯片的VCC和GND端分别为电源端和接地端，OUT为输出端，输出时钟脉冲信号，RST为复位端，低电平有效；CON为电压控制端，当不用时，为提高电路的稳定性，常把其经一0.01uF的电容接地；THR为高电平触发端；DIS为放电端，也可以作为集电极开路输出端使用；TRI为低电平触发端。

第3章整机电路的工作原理

本电路由三大部分组成：

抢答电路、计时电路、报警电路。

其中抢答电路主要由锁存器74LS175、优先编码器74LS148、译码器4511BP_5V（即CD4511）；抢答电路：

通过J5开关主持人控制CLR控制锁存器，当主持人开关打在高电平1时，抢答开始，K1、K2、K3、K4四位选手按下抢答开关.

下面以K2选手率先抢答为例：

主持人key=space按下开关开始抢答，K2号选手率先按下抢答开关，抢答信号输入以高电平信号表示，这里视为1当高电平信号号传输到锁存器74LS175时，~2Q脚输出高电平，输入编码器74LS148，该数据编码经过编码器编码后输出三位编码代码，然后经过非门电路转换后经由译码器CD4511译码为抢答成功选手的代码，并在七段数码显示器上显示该号码。

同时在主持人按下开始开关时，输入信号经由锁存器传输到与非门电路转变为低电平信号0，然后经过非门电路转换为高电平信号1，从而触发计数器74LS160开始计数，计数代码经过译码器CD4511译码为0-9的加计时数码，并在多谐振荡脉冲电路的脉冲信号作用下呈现递增输出0-9十个数；在计数电路作用的同时报警电路接收到由抢答电路转换传输过来的选手抢答信号，并在信号到来时发出报警音，报警器为低电平报警器，由多谐振荡电路提供脉冲信号，并经过分频器分频出低电平信号，从而发出报警音；并且反馈一个抢答完成信号到锁存器锁存端CLK锁存显示的选手编码，并阻止其他选手抢答。

当无人抢答时：

主持人按下开关开始抢答，在没有选手抢答时抢答电路处于未触发状态；抢答器显示器不现实数据。

主持人按下开关锁存器74LS175传出一个信号到74LS20然后经过74LS00转换后传输到计时器74LS160开始编码计时，并将编码信号传输到译码器451BP_5V然后在显示器屏幕上显示0-9的加计时，多谐振荡电路输出一个cp脉冲信号到74LS160使其开始脉冲编码，产生计时编码；当显示器显示9时另一个多谐振荡电路迅速作用产生信号提供给锁存器74LS1745使其锁存代码，关闭抢答电路，是所有选手无法抢答，同时多谐振荡电路产生的信号为低电平报警器提供报警信源，报警器开始报警，提示选手已经无法抢答。

该抢答器主要具有抢答超时报警，编码锁存，计时显示等功能。

第4章系统仿真与调试

4.1multisim系统介绍

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，如图4-1为multisim10的启动界面。

图4-1启动界面

软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。

Multisim的主窗口界面。

启动Multisim10后，将出现如图4-2所示的界面。

图4-2　multisim10主界面

界面由多个区域构成：

菜单栏，各种工具栏，电路输入窗口，状态条，列表框等。

通过对各部分的操作可以实现电路图的输入、编辑，并根据需要对电路进行相应的观测和分析。

用户可以通过菜单或工具栏改变主窗口的视图内容。

4.1.1菜单栏　　

菜单栏位于界面的上方，通过菜单可以对Multisim的所有功能进行操作。

　　不难看出菜单中有一些与大多数Windows平台上的应用软件一致的功能选项，如File，Edit，View，Options，Help。

此外，还有一些EDA软件专用的选项，如Place，Simulation，Transfer以及Tool等。

　　1.File　　File菜单中包含了对文件和项目的基本操作以及打印等命令。

　　命令　　功能　　New　　建立新文件　　Open　　打开文件　　Close　　关闭当前文件　　Save　　保存　　SaveAs　　另存为　　NewProject　　建立新项目　　OpenProject　　打开项目　　SaveProject　　保存当前项目　　CloseProject　　关闭项目　　VersionControl　　版本管理　　PrintCircuit　　打印电路　　PrintReport　　打印报表　　PrintInstrument　　打印仪表　　RecentFiles　　最近编辑过的文件　　RecentProject　　最近编辑过的项目　　Exit　　退出Multisim　　2.Edit　　Edit命令提供了类似于图形编辑软件的基本编辑功能，用于对电路图进行编辑。

　　命令　　功能　　Undo　　撤消编辑　　Cut　　剪切　　Copy　　复制　　Paste　　粘贴　　Delete　　删除　　SelectAll　　全选　　FlipHorizontal　　将所选的元件左右翻转　　FlipVertical　　将所选的元件上下翻转　　90ClockWise　　将所选的元件顺时针90度旋转　　90ClockWiseCW　　将所选的元件逆时针90度旋转　　ComponentProperties　　元器件属性　　3．View　　通过View菜单可以决定使用软件时的视图，对一些工具栏和窗口进行控制。

　　命令　　功能　　Toolbars　　显示工具栏　　ComponentBars　　显示元器件栏　　StatusBars　　显示状态栏　　ShowSimulationErrorLog/AuditTrail　　显示仿真错误记录信息窗口　　ShowXSpiceCommandLineInterface　　显示Xspice命令窗口　　ShowGrapher　　显示波形窗口　　ShowSimulateSwitch　　显示仿真开关　　ShowGrid　　显示栅格　　ShowPageBounds　　显示页边界　　ShowTitleBlockandBorder　　显示标题栏和图框　　ZoomIn　　放大显示　　ZoomOut　　缩小显示　　Find　　查找　　4．Place　　通过Place命令输入电路图。

　　命令　　功能　　PlaceComponent　　放置元器件　　PlaceJunction　　放置连接点　　PlaceBus　　放置总线　　PlaceInput/Output　　放置输入/出接口　　PlaceHierarchicalBlock　　放置层次模块　　PlaceText　　放置文字　　PlaceTextDescriptionBox　　打开电路图描述窗口，编辑电路图描述文字　　ReplaceComponent　　重新选择元器件替代当前选中的元器件　　PlaceasSubcircuit　　放置子电路　　ReplacebySubcircuit　　重新选择子电路替代当前选中的子电路　　5．Simulate　　通过Simulate菜单执行仿真分析命令。

　　命令　　功能　　Run　　执行仿真　　Pause　　暂停仿真　　DefaultInstrumentSettings　　设置仪表的预置值　　DigitalSimulationSettings　　设定数字仿真参数　　Instruments　　选用仪表（也可通过工具栏选择）　　Analyses　　选用各项分析功能　　Postprocess　　启用后处理　　VHDLSimulation　　进行VHDL仿真　　AutoFaultOption　　自动设置故障选项　　GlobalComponentTolerances　　设置所有器件的误差　　6．Transfer菜单　　Transfer菜单提供的命令可以完成Multisim对其它EDA软件需要的文件格式的输出。

　　命令　　功能　　TransfertoUltiboard　　将所设计的电路图转换为Ultiboard（Multisim中的电路板设计软件）的文件格式　　TransfertootherPCBLayout　　将所设计的电路图以其他电路板设计软件所支持的文件格式　　BackannotateFromUltiboard　　将在Ultiboard中所作的修改标记到正在编辑的电路中　　ExportSimulationResultstoMathCAD　　将仿真结果输出到MathCAD　　ExportSimulationResultstoExcel　　将仿真结果输出到Excel　　ExportNetlist　　输出电路网表文件　　7．Tools　　Tools菜单主要针对元器件的编辑与管理的命令。

　　命令　　功能　　CreateComponents　　新建元器件　　EditComponents　　编辑元器件　　CopyComponents　　复制元器件　　DeleteComponent　　删除元器件　　DatabaseManagement　　启动元器件数据库管理器，进行数据库的编辑管理工作　　UpdateComponent　　更新元器件　　8．Options　　通过Option菜单可以对软件的运行环境进行定制和设置。

　　命令　　功能　　Preference　　设置操作环境　　ModifyTitleBlock　　编辑标题栏　　SimplifiedVersion　　设置简化版本　　GlobalRestrictions　　设定软件整体环境

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