搶答器是通過設計電路,以實現如字面上意思的能準確判斷出搶答者的電器。在知識競賽、文體娛樂活動(搶答賽活動)中,能準確、公正、直觀地判斷出搶答者的座位號。更好的促進各個團體的競爭意識,讓選手門體驗到戰場般的壓力感。
傳統搶答器只是大概判斷出搶答成功或犯規選手臺號,無法顯示出每個選手的搶答時間。而今搶答器可以通過數據來說明裁決結果的準確性、公平性。使比賽大大增加了娛樂性的同時,也更加公平、公正。新增無線搶答器更是搶答器史上的一大改革。
本文主要介紹一下基于74LS148的4路搶答器的設計詳解,一起來了解一下。
一、 設計任務和要求:
1.1、設計任務
設計一臺可供4名選手參加比賽的智力競賽搶答器。 用數字顯示搶答倒計時間,由“9”倒計到“0”時,無人搶答,蜂鳴器鳴響。選手搶答時,數碼顯示選手組號,同時蜂鳴器鳴響,倒計時停止。
1.2、設計要求
1) 4名選手編號為:1,2,3,4。各有一個搶答按鈕,按鈕的編號與選手
的編號對應,也分別為1,2,3,4。
2) 給主持人設置一個控制按鈕,用來控制系統清零(搶答顯示數碼管滅
燈)和搶答的開始。
3) 搶答器具有數據鎖存和顯示的功能。搶答開始后,若有選手按動搶答
按鈕,該選手編號立即鎖存,并在搶答顯示器上顯示該編號,同時揚聲器給出音響提示,封鎖輸入編碼電路,禁止其他選手搶答。搶答選手的編號一直保持到主持人將系統清零為止。搶答器具有定時(15秒)搶答的功能。
4) 當主持人按下開始按鈕后,定時器開始倒計時,定時顯示器顯示倒計
時間,若無人搶答,倒計時結束時,揚聲器響。參賽選手在設定時間(15秒)內搶答有效,搶答成功,揚聲器響,同時定時器停止倒計時,搶答顯示器上顯示選手的編號,定時顯示器上顯示剩余搶答時間,并保持到主持人將系統清零為止。
5) 如果搶答定時已到,卻沒有選手搶答時,本次搶答無效。系統揚聲器
報警,并封鎖輸入編碼電路,禁止選手超時后搶答,時間顯示器顯示0。 6) 用石英晶體振蕩器產生頻率為1Hz的脈沖信號,作為定時計數器的CP信號。
二、設計總方案
本設計電路主要由控制電路、脈沖產生電路、鎖存電路、編碼及譯碼顯示電路、倒計時電路和報警產生電路組成。如圖1所示為總體方框圖。其工作原理為:接通電源后,主持人將開關撥到“清零”狀態,搶答器處于禁止狀態,編號顯示器滅燈,定時器顯示設定時間;主持人將開關置;開始“狀態,宣布”開始“搶答器工作。定時器倒計時。選手在定時時間內搶答時,搶答器完成:優先判斷、編號鎖存、編號顯示。當一輪搶答之后,定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作”清除“和”開始“狀態開關。
三、電路設計計算與分析
3.1 搶答器控制電路設計
設計電路見圖2所示。電路選用優先編碼器 74LS148 和鎖存器 74LS279 來完成。
搶答器控制電路是搶答器設計的關鍵,它要完成以下三項功能:
1) 當參賽選手按動搶答鍵時,揚聲器發聲,搶答電路和定時電路停止工作,
同時譯碼顯示電路顯示編號(顯示電路采用七段數字數碼管顯示)。
2) 當設定的搶答時間到,無人搶答時,揚聲器發聲,同時搶答電路和定時電路停止工作。
3)當主持人清零后,可再次進行搶答。
工作過程:
開關J5置于“清除”端時,RS觸發器的 R、S端均為0,4個觸發器輸出置0,使74LS148的優先編碼工作標志端(圖中5號端)=0,使之處于工作狀態。當開關J5斷開,J6置于“開始”時,搶答器處于等待工作狀態,當有選手將搶答按鍵按下時(如按下J2),74LS148的輸出經RS鎖存后,CTR = 1,RBO(圖中4端) =1,七段顯示電路74LS48處于工作狀態,4Q3Q2Q = 010,經譯碼顯示為“2”。此外,CTR=1,使74LS148 優先編碼工作標志端(圖中2號端)=1,處于禁止狀態,封鎖其他按鍵的輸入。當按鍵松開即按下時,74LS148的 此時由于仍為CTR=1,使優先編碼工作標志端為1,所以74LS148仍處于禁止狀態,確保不會出二次按鍵時輸入信號,保證了搶答者的優先性。如有再次搶答需由主持人將J5開關重新置“清除”然后才可能進行。
仿真結果
3.1.1、優先編碼器 74LS148
74LS148為8線-3線優先編碼器,表3.1.1為其真值表,下圖為其管腳圖。
74LS148工作原理如下:
該編碼器有8個信號輸入端,3個二進制碼輸出端。此外,電路還設置了輸入使能端EI,輸出使能端EO和優先編碼工作狀態標志GS。當EI=0時,編碼器工作;而當EI=1時,則不論8個輸入端為何種狀態,3個輸出端均為高電平,且優先標志端和輸出使能端均為高電平,編碼器處于非工作狀態。這種情況被稱為輸入低電平有效,輸出也為低電來有效的情況。當EI為0,且至少有一個輸入端有編碼請求信號(邏輯0)時,優先編碼工作狀態標志GS為0。表明編碼器處于工作狀態,否則為1。
由功能表可知,在8個輸入端均無低電平輸入信號和只有輸入0端(優先級別最低位)有低電平輸入時,A2A1A0均為111,出現了輸入條件不同而輸出代碼相同的情況,這可由GS的狀態加以區別,當GS=1時,表示8個輸入端均無低電平輸入,此時A2A1A0=111為非編碼輸出;GS=0時,A2A1A0=111表示響應輸入0端為低電平時的輸出代碼(編碼輸出)。EO只有在EI為0,且所有輸入端都為1時,輸出為0,它可與另一片同樣器件的EI連接,以便組成更多輸入端的優先編碼器。
從功能表不難看出,輸入優先級別的次為7,6,??,0。輸入有效信號為低電平,當某一輸入端有低電平輸入,且比它優先級別高的輸入端無低電平輸入時,輸出端才輸出相對應的輸入端的代碼。例如5為0。且優先級別比它高的輸入6和輸入7均為1時,輸出代碼為010,這就是優先編碼器的工作原理。
3.1.2 鎖存器74LS279
原理:在74ls279中,由于4回路中2回路置位端子為兩個,所以使用其一時,整理兩個置位輸入作為1個使用,或將另一個輸入固定為“H”使用。另外,作為稍微變化74LS279 的使用方法,也可將3組作為RS鎖存器使用,剩余的RS鎖存器作為2輸入NAND門電路使用,復位輸入例如①管腳固定為”L”時其輸入為“H”,所以可構成將②和③作為輸入,輸出為④的2輸入NAND,此變換如圖4.2.所示。
3.1.3 74LS121單穩態觸發器:
3.2 定時時間電路的設計
原理及設計:
該部分主要由555定時器秒脈沖產生電路、十進制同步加減計數器74LS192減法計數電路、74LS48譯碼電路和1個7段數碼管即相關電路組成。具體電路如圖3所示。一塊74LS192實現減法計數,通過譯碼電路74LS48顯示到數碼管上,其時鐘信號由時鐘產生電路提供。74192的預置數控制端實現預置數,由節目主持人根據共陰極七段數碼顯示管DPY_7-SEG 上,當有人搶答時,停止計數并顯示此時的倒計時時間;如果沒有人搶答,且倒計時時間到時, 輸出低電平到時序控制電路,控制74LS48使0閃爍,同時以后選手搶答無效。 由555定時器產生時間基準信號秒脈沖。振蕩周期為15秒脈沖信號經兩級有預置功能的可逆十進制計數器74LS192對時鐘信號進行計數,當計數到達預置的時間,計數器產生溢出而封鎖計數脈沖,使計數器停止計數。數碼管指示時間值。
具體電路如下圖:
仿真結果
3.2.1 計數器74LS192
十進制可逆計數器74LS192(54/74194)兩個引腳圖管腳及功能表如下:74LS192是同步十進制可逆計數器,它具有雙時鐘輸入,并具有清除和置數等功能,其引腳排列及邏輯符號如下所示:
3.3 控制電路和報警電路
由555 芯片構成多諧振蕩電路,震蕩頻率 f=1/(R1+R2)C㏑2≈1.43/(R1+R2)C
555 的輸出信號再經或門控制顯示閃爍。控制電路包括時序和報警兩個電路,如圖所示。控制電路需具有以下幾個功能:
1、主持人閉合開關,多路搶答器電路和計時電路進入正常狀態; ?
2、參賽者按鍵時,搶答電路和計時電路停止工作;
3、搶答時間到,無人搶答,0閃爍 ,搶答電路和計時電路停止工作。
由功能表可以看出,要使電路實現倒計時(減法)功能,應使CR=0,PE非=1,CP+=1,CP-=CP。可用CR端接電平開關來控制計時器的工作與否。 閃爍顯示電路需要在一種情況下做出反應當裁判員給出“請回答”指令后,計時器開始倒計時,若回答問題時間到達限定的時間,揚聲器發聲及燈閃爍。
控制電路由兩部分組成:
一是由門電路組成的搶答與定時控制的時序控制電路,二是74LS121驅動報警電路的時序電路。
門控電路主要由或門組成,它的兩個輸入,一個來自由555 芯片構成多諧振蕩電路,另一個來自計時系統高位計數器的借位信號QB,它說明計時電路在3秒,2秒,1秒,0秒倒計時再向9秒轉化時向高位借位時給出一個負脈沖經反相器得到一個高電平。這個高電平信號或上方波信號就使顯示器閃爍。
集成單穩態觸發器74LS121用于控制報警電路及發聲的時間,具體原理如下:主要由555時鐘電路(用于控制報警聲音頻率)、蜂鳴器即相關的延時電路和控制電路組成。單穩態觸發器74121通過信號/Ys、BO2、S控制報警與否和報警時間,555時鐘電路產生脈沖時鐘。在規定的時間有人搶答時,/Ys由1跳變到0,74121有狀態2,即Q輸出暫態高電平,蜂鳴器連續發聲報警,持續時間為 =2.15秒;如果在規定時間內無人搶答,BO2由1跳變到0,74121有狀態1。
Q輸出暫態高電平,蜂鳴器連續發聲報警持續時間為
結合警電路,分析 計算如下: 。取C=100uF, R=25K,。有=2.15秒。
仿真結果
1、倒計時
2、時間到,蜂鳴器響,綠燈閃爍
3.3.1 振蕩電路
本系統需要產生頻率為500KHZ的脈沖信號,用于觸發器的CP信號,及頻率為1HZ信號用于計時電路。以上電路可用555定時器組成,也可用石英晶體組成的振蕩器經過分頻得到。
主要參數:電源電壓為4.5-18V,最大輸出電流為200mA,工作溫度范圍為-55oC-125oC。
3.3.2 74LS121單穩態觸發器
3.4 整體仿真
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