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1、天天空空 大大学学 本科毕业（设计）论文本科毕业（设计）论文 （ 2011 届） 题目： 八路竞赛抢答器的设计 教学院系 机械学院 专 业 机械设计制造及自动化 学生姓名 小王 指导教师 小张 评 阅 人 小李 二一一 年 六 月 五号 八路竞赛抢答器的设计八路竞赛抢答器的设计 哦哦哦 （天空大学 机械学院，马街 牛庄 655428） 摘摘 要：要：本文介绍了一种用常用数字集成电路设计的数码显示八路抢答器的电路组 成、设计思路及功能。该抢答器除具有基本的抢答和显示选手编号外功能外，还具 有抢答定时报警，倒计时读秒，读选手编号，回答时限显示与语音报警，计分系统 功能。主持人通过时间预设开关预设供
2、抢答的时间，系统在抢答最后定时内，将完 成自动倒计时显示和读秒。若在规定的时间内有人抢答，则计时将自动停止；若在 规定的时间内无人抢答，则系统发出语音发响，提示工作人员本轮抢答无效，实现 报警功能；若有人抢答，则时限回答电路立即显示并立即开始倒计时，限时内回答 问题有效，回答正确，通过主持人按钮加分，回答错误，通过主持人按钮减分。 关键词：关键词：抢答器；设计；定时；倒计时读秒；计分。 The design of the zhuhai vies to answer first competition ooo （ tiankong university Transportation machin
3、ery and civil engineering institute ， ） Abstract: In this paper, the electric circuit and designing thought of an answering racer based on the common-used series of 74 IC with 8-wire is introduced, and its function is also described. The answering races function includes timing, counting, and alarmi
4、ng, besides the basic function of an answering racer. The host sets the provided time for the answering race through the time-setting switch, after this the system will count down the time automatically. If anybody answer the question on time, the counting of time will stop; If nobody answer the que
5、stion on time, the alarm will give out some sound, helping the host know the race in this turn is of no use, so the function of alarming is achieved. Key words：Vies to answer first device; Design; Timing; Countdown DouMiao; Scoring. 目录 1 前言.1 1.1 抢答器的应用1 1.2 无线抢答器1 1.3 有线抢答器2 1.2.2 电子抢答器2 1.2.3 PLC
6、抢答器2 1.2.4 电脑抢答器2 2 设计任务要求及系统功能简介.4 2.1 基本功能.4 2.2 扩展功能4 3 设计分析.5 3.1 基本设计分析5 3.2 抢答设计分析5 3.3 语音设计分析6 3.4 定时设计分析6 3.5 回答时限分析6 3.6 计分系统分析7 4 仿真软件的介绍及仿真部分.8 4.1 Multisim 仿真软件.8 4.2 555 多谐振荡器的仿真11 4.2.1 555 定时器的原理11 4.2.2 555 定时器的应用12 4.2.3 555 构成的多谐振荡器14 4.2.4 555 多谐振荡器的电阻电容计算15 4.2.4 仿真部分及说面.16 5 实现的
7、原理与单元电路图.18 5.1 数字抢答器总体方框图.18 5.2 抢答电路.19 5.2.1 锁存器 74LS27920 5.2.2 锁存器 74LS279 串电阻计算.20 5.2.3 编码器 74LS14821 5.2.4 编码器 74LS148 前串电阻计算.22 5.2.4 抢答电路中发光二极管 D1 电阻计算.23 5.3 定时电路.23 5.3.1 计数器 74LS19225 5.3.2 译码器 74LS24827 5.3.3 定时电路发光二极管 D2 计算.28 5.4 回答时限电路.29 5.5 计分电路.30 5.5.1 计分电路原理图30 5.5.2 译码器 74LS13
8、8.31 5.6 语音和显示电路.32 5.6.1 集成功率放大器 901332 5.6.2 LED 数码显示管34 5.6.3 显示电路电阻计算.36 5.7 时序控制电路.36 5.7.1 抢答电路的时序控制.36 5.7.2 语音系统的时序控制.38 5.7.3 回答时限的时序控制.38 5.7.4 计分电路的时序控制.38 6 语音电路设计.40 6.1 语音芯片的介绍.40 6.1.1 语音芯片的引脚功能表.40 6.1.2 语音芯片的语音编码表.41 6.1.3 语音芯片的震荡电阻选取.42 6.2 语音电路设计.43 6.2.1 抢答部分语音设计.43 6.2.2 定时部分语音设
9、计.44 6.2.3 答对答错语音设计.45 6.2.4 回答时限语音设计.46 6.3 音频功率放大器 LM38647 6.3.1 LM386 工作原理47 6.3.2 LM386 应用电路47 6.4 扩音器的选择.49 7 组装与调试50 7.1 单元电路检查.50 7.1.1 抢答电路检查50 7.1.2 定时电路检查50 7.1.3 计分电路检查.51 7.2 整机电路检查与调试.51 7.2.1 总体图.51 7.2.2 总体图原理分析.51 7.2.3 总体图检查.52 原件清单.53 总结.55 参 考 文 献.56 指导教师简介.57 致谢.58 1 前言 1 1 前言 1.
10、1 抢答器的应用 抢答器作为一种电子产品， 早已广泛应用于各种智力和知识竞赛场合。智力 竞赛是一种能锻炼人的头脑开发人的 IQ 的一种大众化游戏，也起到娱乐的作用。 现在智力竞赛越来越被多数人喜爱和娱乐，像中央卫视的三星智力快车、金苹果、 幸运 50 等等多档智力竞赛节目都拥有大批的忠实观众。许多娱乐场所或者学校， 电视台等单位有时候会举办各种智力竞赛, 所以抢答记分器是必要设备，在人少 时，一般用四路抢答器，但人较多就需要用到八路或者八路以上的抢答器了。 在举行的各种竞赛中我们经常看到有抢答的环节，举办方多数采用让选手通 过举答题板或者举手的方法判断选手的答题权，这种方式在一定程度上会因为主
11、 持人的主观误断造成比赛的不公平性，在竞赛、文体娱乐活动（抢答活动）中， 抢答器能较准确、公正、直观地判断出优先抢答者。 在一些地方举行的各种智力竞赛游戏中我们经常看到有抢答的环节，举办方 大多数采用让选手通过举答题板的方法或者是举手的方式判断选手的答题权，这 在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性。因此为解决这个问 题，本论文采用了常用数字集成电路，AP8842 语音芯片，555 时机电路，制作了 一个低成本能满足学校等需要的八路数显智力竞赛抢答器。 在市场上可能有很多的八路数显智力竞赛抢答器，但是本论文将提供一种新的 八 路数显智力竞赛抢答器设计方案。 1.2 无线抢答器 无
12、线抢答器功能与有线抢答器译码显示部分相同，二者的差异就是取消了有线 抢答器的抢答按钮与抢答主控机的连线（没有了抢答总线和抢答分线） ，摆脱有线系 统安装的布线麻烦，不受竞赛场地的限制。无线抢答器的通讯直线距离在一定范围 内，超过一定范围，信号输入就无效了，根据无线编码器的输入端口， 一台主机可 连接多达多组无线抢答器。 采用高频段多信道高速通信。无线抢答器的编码和有线 抢答器的区别是：前者利用无线编码器对信号进行编码。 1 前言 2 1.3 有线抢答器 1.2.2 电子抢答器 有线抢答器种类有好几类别，可分为电子抢答器，PLC 抢答器，电脑抢答器。 电子抢答器可以分为用 TTL 系列集成电路和
13、用单片机制作的抢答器， TTL 类别的 主要就利用优先编码器，锁存器，计数器，定时器等来完成抢答功能。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集 成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件，用单片机来 完成抢答功能就比 TTL 简单多了，省去了单独的编码，锁存，定时等。如图 1-1 所 示。是电子抢答器基本控制。 图 1-1 电子抢答器 1.2.3 PLC 抢答器 PLC 抢答器不是很实用，市场上基本看不着之类的抢答器，一般就用作学生实 习之类的用途，不具备和电子电脑抢答器的竞争。 1.2.4 电脑抢答器 电脑抢答器又称局域网抢答器，也有无线和有线
14、两种分别。无线电脑抢答器的 1 前言 3 构成是由：主机和抢答器专用的软件和无线按钮。无线电脑抢答器利用电脑和投影 仪，可以把抢答气氛活跃起来，一般多使用于电台等大型的活动。有线电脑抢答器 也是由主机和电脑配合起来，电脑在和投影仪配合起来，利用专门研发的配套的抢 答器软件，可以十分完美的表现抢答的气氛。 点按哦抢答器分硬件和软件，可以根 据需要对软件进行修改实现，题目的录入，或者系统的修改，是抢答器中功能和实 用最好的，花样非常多，如图 1-2 和图 1-3 所示。 图 1-2 电脑抢答器 图 1-3 电脑抢答器 2 设计任务要求及系统功能简介 4 2 设计任务要求及系统功能简介 2.1 基本
15、功能 （1）八路智力抢答器可以同时供 8 名选手或 8 个代表队比赛，他们的编号分别是 1，2，3，4，5，6，7，8。 （2）设置一个系统清除和抢答开始控制开关，一对答对答错提示开关，一个计分 系统清零开关，这些开关由节目主持人控制。 （3）抢答器具有锁存与显示功能。即主持人将开关置于开始位置后，扬声器立即 提示开始抢答，若有选手按动按钮，发光二极管闪亮，数码显示管显示选手编号。 选手抢答实行优先原则，优先抢答选手的编号一直保持到节目主持人将系统清除为 止。 2.2 扩展功能 （1）抢答器具有定时与读秒抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定，一般为 30 秒，当主持人启动“开始“键后，当显示
16、只有 10 秒，还无人抢答时，开始用语音 进行倒计时 10 秒读秒，然后时间到，开始报警。读秒过程中如果有选手抢答，立 即终止读秒。 （2）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的时间，同时音响读出相应编号，抢答后回答时限电路系统 立即开始倒计时 30 秒，限时内回答，如回答正确，通过主持人开关，计分系统加 上 10 分；回答错误，减掉 10 分 （3）如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统封锁输入电路，禁止选 手超时后抢答，定时显示器上显示 00，语音系统提示时间到，并报警时间到，禁止 抢答。 3 设计分析 5 3 3 设计分析设计分
17、析 3.1 基本设计分析 抢答器具有抢答，锁存、定时、显示和语音报警功能。即当抢答开始后，选手 抢答按动按钮，锁存器锁存相应的选手编码，这里需要用到编码器。同时用 LED 数码管把选手的编码显示出来，并且开始抢答时间的倒计时，同时用 LED 数码管 把选手的所剩抢答时间显示出来。此处需要译码器和数码显示管。而在选手按键抢 答以及抢答时间倒计时到时的时候都有报警以提醒主持人和选手，这里需要扩音器 和，语音输出芯片。抢答时间一般设定 30 秒。接通电源后，主持人将开关拨到 “清除”状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主 持人将开关置“开始”状态，宣布“开始”抢答器工作。两
18、组计数器同时开始倒计 时。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬 声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。 如果再次抢答必须由主持人再操作“清除”和“开始”状态开关。抢答器电路设计 方案有四个，1 用无线编码芯片设计、2 用单片机设计、3 用可编程控制器 PLC 完成 的，4 用 74LS 系列芯片完成。前三个不利于设计和制作。在一些些实际竞赛的场合， 只要满足显示抢答有效和有效组别即可，而起用不到多少以前“电子电工学”中学 到的知识，为了兼容两者，用 74LS 系列芯片来实现此简易抢答器的功能。这是一个 显示方式简单、价格低廉、经
19、济实用的抢答器。在要求不高的场合，能完全符合需 要。而且与我们学完的电子电工联系紧密，能将我们所学知识用于实际，对巩 固所学知识有重要意义。 3.2 抢答设计分析 对抢答器的设计第一步需要用到编码器，对8个选手的输出信息进行编码，编 码器一般可分为两类，第一类是二十进制编码器，输入的是0到9十个数码，输出 的是对应的二进制代码。简称 BCD 码。但这样的编码器每次只允许一个输入端有 信号，如果出现两个或者两个以上的信号输入就会出错，乱码，显示错误等问题， 例如输入号与号，会可能出现号选手的编码。所以一定的用优先编码器。 3 4 7 优先编码器允许同时在几个输入端有输入信号，编码器按输入信号排定
20、的优先顺 3 设计分析 6 序，只对同时输入的几个信号中优先权最高的一个进行编码。在优先编码器电路中 允许同时输入两个以上编码信号，优先编码器只按优先级高的输入信号编码，优先 级低的信号则不起作用。 3.3 语音设计分析 部分简单八路智力抢答器的设计，其语音部分基本都用 555 定时器来实现的， 其优点是简单，缺点是语音系统简单，没有读秒，复杂语音提示功能。有选手按动 按钮后会读不出选手编号的，而起没有 10 秒倒计时功能，但是语音芯片可以实现 这样的功能。 设计中需要设计到抢答提示语音，选手编号语音读出，倒计时读秒，抢答过时 报警，回答时限报警，答对答错提示语音的设计。 3.4 定时设计分析
21、 当主持人将开关置于开始位置时，需要有一个定时器能够在一定时间内允许抢 答者可以抢答，但过了主持人预置的时间，抢答将为无效，参照了一些抢答电路， 一般都用秒脉冲产生电路，用脉冲来触动计数器，实现定时功能。秒脉冲有许多的 选择，可以用单机片来实现，可以用 32768HZ 晶体谐振器，原理：在石英晶体的 两个极板上加一个电场，晶片会产生机械变形，对极板施加机械力使其变形，又会 在极板上产生相应的电荷，这叫压电效应。如果在两个极板上加上交变的电压，晶 片便会产生机械变形震荡，同时这种机械震荡还会产生交变的电场（比较的微小）， 但是当外加交变的电压的频率与晶片固有的频率（由其形状和尺寸决定）相等时，
22、机械振动的幅度会加剧，产生交变电场也增大。叫做压电谐波。 配上 HC4060 电路实现，HC 代表 CMOS 电路，以绝缘栅场效应晶体管为开 关元件的计数/分频器，但有些复杂，也可以用高频石英钟电路来实现，现在市场上 较难买到 5512F 集成电路块了，555 定时器也可以完成秒脉冲的任务，电路简单， 简单容易。 3.5 回答时限分析 当有选手抢答成功后，应该立即触动回答时限部分的计数器，限时为 30 秒， 4 仿真软件的介绍及仿真部分 7 当过了 30 秒，语音系统立即被触动，发出语音提示，提示限时玩，禁止回答，回 答失败，主持人按下开关也提示回答失败，当 30 秒之内回答正确，主持人按下开
23、 关，几分系统则加一百分，但是在没有选手抢答的时候，此处显示器应该是熄灭的， 一旦有人抢答，此处显示器立即显示 30 秒的字样，并立即开始减计数。 3.6 计分系统分析 当有选手抢答成功后，而且回答正确后，主持人需要按动开关，开关的信号应 该和答对选手的抢答信号与上，输入到选手前面的计数器上，实现 10 分的加上。 而且做到分值不会加错，只会加到相应回答选手的前的显示器上，例如 5 号选手回 答了，不会加错了 6 号选手计分显示器上，只会加到 5 号选手计分器上；回答错误 时，系统减掉 10 分，系统最低底线是 0 分，一旦选手分值为 0 分时，不进行减分。 4 仿真软件的介绍及仿真部分 8
24、4 4 仿真软件的介绍及仿真部分仿真软件的介绍及仿真部分 4.1 Multisim 仿真软件 如图 4-1 所示，Multisim 本是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics 简称 IIT 公司)推出的以 Windows 为基础的仿真工具，被美国 NI 公司 收购后， 图 4-1 Multisim 仿真软件 更名为 NI Multisim ，而 V10.0 是其（即 NI，National Instruments）最新推出的 Multisim 最新版本。目前美国 NI 公司的 EWB 的包含有电路仿真设计的模块 Multisim、PCB 设计软件
25、Ultiboard、布线引擎 Ultiroute 及通信电路分析与设计模块 Commsim 4 个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。 Multisim、Ultiboard、Ultiroute 及 Commsim 4 个部分相互独立，可以分别使用。 Multisim、Ultiboard、Ultiroute 及 Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional） 、专业版（Professional） 、个人版（Personal） 、教育版（Education） 、 学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显 4 仿
26、真软件的介绍及仿真部分 9 的差异。 NI Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪 表，实现了“软件即元器件” 、 “软件即仪器” 。NI Multisim 10是一个原理电路设计、 电路功能测试的虚拟仿真软件。 如图4-2所示， NI Multisim 10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用， 同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂 商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。 图 4-2 Multisim 的元器件库 如图 4-3 所示，NI Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一
27、般实验用的 通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实 验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、 失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 NI Multisim 10 具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态 分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、 离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设 计人员分析电路的性能。 4 仿真软件的介绍及仿真部分 10 图 4-3 Multisim 中的虚拟测试仪器仪表 NI Multisim 10 可以设计、测试和演示各种
28、电子电路，包括电工学、模拟电路、 数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设 置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路 工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电 路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 NI Multisim 10 有丰富的 Help 功能，其 Help 系统不仅包括软件本身的操作指 南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help 中这种元器件功能解说有利于使用 EWB 进行 CAI 教学。另外，NI Multisim10 还提供了与国内外流行的印刷电路板
29、设 计自动化软件 Protel 及电路仿真软件 PSpice 之间的文件接口，也能通过 Windows 的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。支持 VHDL 和 Verilog HDL 语言的电路仿真与设计。 利用 NI Multisim 10 可以实现计算机仿真设计与虚拟实验， 与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行， 可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全， 可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直 接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件， 4 仿真
30、软件的介绍及仿真部分 11 实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计 和实验成功的电路可以直接在产品中使。NI Multisim 10 易学易用，便于电子信息、 通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有 利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。 4.2 555 多谐振荡器的仿真 4.2.1 555 定时器的原理 555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路的使用灵活、方便， 外围电路简单；只需少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐振荡器和施密特触发器。 被广泛地用于信号的产生、变换、控制与检测。 目前生产的定时器有双极型（
31、NE555、NE556 等）和 CMOS 型 （C7555、C7556）两种，结构和原理基本相同。它们的特点各自是：双极型的功耗 大，但带负载能力强，电源电压范围大致为 516V，最大输出电流可达 200mA；可 以直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载；单极型（CMOS）的功耗极小，输入阻 抗高，电源范围为 318V，最大负载电流小于 4mA。555 定时器的电路功能图如图 4-4 输入 分压器 输入 电压比较器一 电压比较器一 基本 RS 触发 器 缓 冲 器 放电三极管回路 图 4-4 定时器的电路功能图 定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制 RS 触发器和放电晶体管 Q 的状态。
32、下图 4-5 为 555 定时器的原理图。 4 仿真软件的介绍及仿真部分 12 & R4100 GND G1 R2 5k + G2 G4 RD - + U2A 3 2 G3 + uic ui1 & R1 5k R3 5k ui2 uo uo Vcc Q1 1& - + U1A 3 2 图 4-5 555 定时器的原理图 脚为直接复位输入端：当接低电平时，无论输入的状态如何，输出 uo 都是为 低电平；工作是应接为高电平，或者直接接电源 Vcc。所以，如需要复位，该脚必 须接低电平。低电平有效 （1）当脚悬空（通常通过一个小瓷片电容接地，以避免由于干扰而导致电路误操 作）此时 U1A、U2A 电
33、压比较器的比较电压分别为 2Vcc/3 和 Vcc/3， 当比较器 G1输出低电平，G2输出高电平，RS 触发器被置 “0” ，三极管 Q 导通， 输出为低电平； （2）当比较器 G1输出高电平，G2输出低电平，RS 触发器被置 “1” ，三极管 Q 截 止，输出为高电平； （3）当比较器 G1输出高电平，G2输出高电平，RS 触发器维持原状态，三极输出 和三极管均保持原来的状态不变； 如果脚加一个外加电压（其值小于 Vcc）两个比较器的参考电压也将随之变 化，从而影响电路的工作状态。 4.2.2 555 定时器的应用 555 定时器在外围接少量的阻容元件就可灵活地构成各种应用极广的电路，其中
34、 4 仿真软件的介绍及仿真部分 13 由 555 构成的单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器是这些电路的核心。 单稳态触发器 单稳态触发器的特点： （1）电路只有一个稳态，一个暂稳态； （2）在外加的触发信号作用下，电路由稳态立即翻转到暂稳态； （3）电路处于暂稳态的时间取决于外接的 RC 延时环节的作用，随后电路自动回到 稳态，工作原理图为图 4-6。 C1 R2 5k R1 5k 1 - + U1A 3 2 & Q1 GND G1 & ui R4100 - + U2A 3 2 G4 G3 R3 5k +Vcc uo R G2 C & 图 4-6 单稳态触发器工作原理图 工作原理：工作原理
35、： （1）如图 4-7 电源接通后，电源通过 R 对 C 充电，当 Vc 上升到 2Vcc/3 时，触发 器复位，Q 导通，电容放电，电路输出为低电平；进入稳态 （2）当输入端加入一个触发信号（uiVcc /3） ，触发器翻转，输出为高电平，Q 截 止，电路进入暂稳态。此后，电源通过 R 对 C 充电，当 Vc 上升到 2Vcc/3 时，触发 器复位，Q 导通，电容放电，电路输出为低电平；电路自动回到稳态。 4 仿真软件的介绍及仿真部分 14 5 7 C1 0.01uF C +Vcc 4 6 2 3 IC1 R 8 NE555 ui uo 1 0 ui 0 t uc uo 0 2Vcc/3 t
36、 t ui 图 4-7 由 555 定时器组成的单稳态触发器电路的电原理简图及工作波形 多谐振荡器： 555 定时器构成的多谐振荡器如图 4-8。555 集成定时器是一种将模拟功能与数 字功能结合在一起的多用途的集成器件。用它加上少量阻容元件，就能方便地构成 多谐振荡器、单稳触发器、施密特触发器，因而在定时、检测、控制和报警等许多 方面有着广泛的应用。 555 定时器有双极型和 CMOS 型两类，双极型具有较大的带负载能力，而 CMOS 型具有功耗低，输入阻抗大，电源范围广等特点。这两类定时器的型号有多种，但 结构、工作原理和逻辑功能基本相似，而外部引脚排列几乎相同。 4.2.3 555 构成
37、的多谐振荡器 对计数器而言，必须又脉冲的输入，因此必须在 tw 期间产生脉冲，多谐振荡器 是一种自激振荡电路，该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和 振幅的矩形脉冲波或方波。这正符合设计要求。在此选用 555 定时器构成的多谐振 荡器，如图 4-8 所示，表 4-9 为 555 定时器的功能表。 4 仿真软件的介绍及仿真部分 15 U202 555_VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI R204 15k R207 68k R203 650 C202 100nF C201 10uF D2 R206 50% VCC 5V VSS 0V 图 4-
38、8 555 定时器构成的多谐振荡器 输入输出 THTRREOUT V 状态 xx00 导通 Vcc 3 2 Vcc 3 1 10 导通 Vcc 3 1 1 保持原状态保持原状态 表 4-9 555 定时器的功能表 4.2.4 555 多谐振荡器的电阻电容计算 此处 555 秒脉冲，多谐振荡器要求输出频率为 1HZ，周期为 1 秒的秒脉冲，占 空比要求： %55 R2R RR q 21 21 555 秒脉冲充电时间为： ）（ 211 RR7 . 0tp （4-1） 4 仿真软件的介绍及仿真部分 16 555 秒脉冲放电时间为： CR7 . 0tp 22 （4-2） 一个周期就为； CR2R0.7
39、T 21 ）（ （4-3） 2 9 R R %55 R2R RR q 2 1 21 21 秒）（1CR2R0.7T 21 假定 F1010uF10C 6- 由上面三个等式可以算出 K5 .67RK 3 . 14R 21 ； 选取 E24 系列电阻得， K68RK15R 21 ； 此时 秒，基本符合要求。）（057 . 1 F10101510.7CR2R0.7T 5-3 21 4.2.4 仿真部分及说面 仿真图如图 4-10 所示，接通电源后，如图 4-2-3 所示电容被充电，Vcc 上 201 C 升，当 Vcc 上升到Vcc 时，触发器复位，此时为低电平；电容通过通过 R2 3 2 0 V
40、201 C 放电，使 Vcc 下降。当 Vcc 下降到Vcc 时，触发器又复位，翻转为高电平。电 3 1 0 V 容放电所需要的时间为：tp1=RPCIn2=0.7R2C，当放电结束时，Vcc 将通过 201 C 3 C R200、RP21向电容器充电，Vc 由Vcc 上升到Vcc 所需时 tph=(R1+RP) 201 C 3 1 3 2 In2=0.7(R200+RP21)C，当 Vc 上升到Vcc 时，触发器又翻转，如此周而复始，在输 3 2 出端就得到一个周期性的矩形波。从上可知，多谐振荡器的周期（脉冲）为： T=tp1+tph=0.7(R200+2RP21)C。通过确定 R1、RP、
41、C 的值就知道脉冲的周期。在 tw 期 5 实现的原理与单元电路图 17 间内通过的脉冲波的数目就是计数器的计数。通过如上就可实现脉冲的产生，电路 图可设计稳定的周期脉冲。下面的仿真图是在 12 个周期内的仿真，12 秒内出现了 12 个脉冲。 图 4-10 仿真图 5 实现的原理与单元电路图 18 5 5 实现的原理与单元电路图实现的原理与单元电路图 5.1 数字抢答器总体方框图 如图 5-1 所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关置与 锁存器 S 位置，宣布“开始“，第一二组定时器同时开始倒计时，扬声器同时给出 “开始抢答”语音提示。选手在定时时间内 20 秒前抢答时，显
42、示器显示选手编号， 通过时序控制扬声器不在进行 10 秒倒计时读秒提示；选手在定时时间内 20 秒到 30 秒之间抢答，显示器也显示选手编号，扬声器也读出抢答编号，而起期间扬声器 给出 10 秒倒计时读秒提示，一旦有人抢答，输出信号立即触动语音芯片，不在读 秒报警，此时定时电路 3 被触动，立即显示 30 秒字样，并立即开始减计数。30 秒 内回答问题有效，回答对，计分系统加上 10 分，回答错或者不答不加分。若 30 秒 后无人抢答，30 秒内无回答，语音给出报警声，锁定编码器，不许在输入信号，直 到主持人将开关拨到清除后，又开始的位置，进行下一轮抢答。 图 5-1 设计总体框图 5 实现的
43、原理与单元电路图 19 5.2 抢答电路 设计抢答器电路如图 5-2 所示，电路选用优先编码器 74LS148 ，锁存器 74LS297 ，译码器 74LS248 来完成。该电路主要完成三个功能：一是分辨出选 手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号（显示电路 采用七段数码显示管）；二是禁止其他选手按键，其按键操作无效；三是语音提示 抢答开始。 R127 510 12345678 U104 74LS148N A0 A1 A2 GS D3 D4 D5 D2 D1 D0 D7 D6 EI EO U101A74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2
44、 U102A74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2 U102B74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2 SW102SW103SW104 SW109 U105A 74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2 R126 10k R125 10k U103B74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2 U103A74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2 U101B74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2 SW101S
45、W108SW105SW106SW107 GND 0V U109 AP8842 S7 IRP SBT S4 S3 VDD S2 S1 VPP S6 S8 OUT1 Vout1 Vout2 VSS OUT2 OUT3 Count OSC S5 D1 A A VCC1 4.5V R128 270k U110 A B C D E F G CA R145 10k VCC VCC Q335Q336Q333Q334Q321Q322Q337 R140 100 R141 100 R142 100 R136 100 R137 100 R138 100 R139 100 U107 A 7 B 1 C 2 D 6 O
46、A 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 LT 3 RBI 5 BI/RBO 4 VCC R143 10k R144 10k R146 10k U113A 7410N U112A 74LS04N R101R116 10K16 R117R124 10K8 R129R135 10K7 U105B 74LS279N 1Q1 1Q2 1S1 1S2 1R1 1S3 1R2 主 主 主 主 VCC 5V GND GND GND VCC1 VCC 74LS247N 5 实现的原理与单元电路图 20 图 5-2 抢答电路 工作过程为：主持人将开关置于“清除“端时，RS
47、触发器的 R、端为 0，s 端为 1，输出低电平，此时 2 个触发器 4 个输出端为 0，此时 显示器熄灭。触发器介绍 如下。 5.2.1 锁存器 74LS27974LS279 74LS279 是一种数字 RS 锁存器，如表 5-3 当 S 为低电平， R 为高电平时，输出 端 Q 为高电平。当 S 为高电平， R 为低电平时，Q 为低电平。当 S 和 R 均为高电平 时，Q 被锁存在已建立的电平。当 S 和 R 均为低电平时，Q 为不稳定的高电平状态。 引出端符号 1Q1，1Q2 为输出端 ，1S11S3 是置位端（低电平有效） ，1R11R2 是复 位端（低电平有效） 。 表 5-3 74
48、LS279 功能真值表 当 RS 锁存器输出端全为 0 时，A 信号反馈使 74LS148 的优先编码器使能输 入端0，使之处于工作状态。 5.2.2 锁存器 74LS27974LS279 串电阻计算串电阻计算 74LS279 在抢答选手和主持人控制开关前，作为消隐开关，略去电平的波动。 TTL 芯片参数：输入高电平 2V 时输入电流 20uA；输入低电平 0.8v，输入电流 0.4mA。 1R 端端输入高电平时 (min)IHCC 4/U-VR IH I）（ （5-1） K5 .37 A41002 . 0 4 V3 I4 U-V R mA02 . 0 IV2U 3- minIH IHCC max minIHIH ）（ ）（ ； 输入输出 SRQ HHQ0 LHH HLL LL 5 实现的原理与单元电路图 21 2R 端输入为低电平时 ILILCC I /U-VR）（ （5-2） 5 实现的原理与单元电路图 21 K 5 . 10 A104 . 0 V2 . 4 I U-V R