基于Multisim 10的16路競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)與仿真
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摘要:應(yīng)用Multisim 10軟件對(duì)16路競(jìng)賽槍答器進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。該16路競(jìng)賽搶答器主要由鎖存器、優(yōu)先編碼器、同步可逆計(jì)數(shù)器、加法器、比較器、555定時(shí)器、數(shù)碼管等主要元件構(gòu)成。結(jié)果表明,該方法仿真效果真實(shí)、準(zhǔn)確,設(shè)計(jì)出的16路競(jìng)賽搶答器具有實(shí)用性強(qiáng),操作簡(jiǎn)單,成本低廉的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:Multisim 10;16路競(jìng)賽搶答器;電路設(shè)計(jì);Protel
競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)是工廠、學(xué)校和電視臺(tái)等單位舉辦各種智力競(jìng)賽等娛樂活動(dòng)中經(jīng)常使用的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一。目前設(shè)計(jì)搶答器的方法很多,采用EDA可以更加快速、靈活地設(shè)計(jì)出符合各種要求的搶答器。其中,周殿鳳提出的16路智力競(jìng)賽搶答器設(shè)計(jì)方案中顯示器是從0~15顯示選手的編號(hào),這不符合實(shí)際競(jìng)賽使用時(shí)對(duì)選手從1~16進(jìn)行編號(hào)的習(xí)慣,不利于實(shí)際推廣使用。以文獻(xiàn)為基礎(chǔ),對(duì)其核心電路進(jìn)行了改進(jìn),并基于Multisim 10軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了16路競(jìng)賽搶答器系統(tǒng),使得顯示器上能從1~16正確顯示選手的編號(hào)。此外,還設(shè)計(jì)了搶答倒計(jì)時(shí)最后5 s報(bào)警提示電路和計(jì)分器,計(jì)分器用于各參賽選手的加分和減分。這種設(shè)計(jì)思路清晰,電路功能齊全,可滿足搶答器的實(shí)際使用要求。
1 Muitisim 10簡(jiǎn)介
Multisim 10是美國NI公司推出的電子線路仿真軟件的新版本。Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件以及電子與電工儀器和儀表,通過軟件將元器件和儀器集合為一體,適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿真分析能力。此外Multisim 10軟件在LabVIEW虛擬儀器、單片機(jī)仿真等技術(shù)方面都有更多的創(chuàng)新和提高,屬于EDA技術(shù)的更高層次范疇。
2 總體設(shè)計(jì)思路
2.1 16路搶答器的功能要求
(1)同時(shí)供16名選手參加比賽。選手的編號(hào)為1~16,各用一個(gè)搶答按鈕,按鈕的編號(hào)分別用16個(gè)按鈕S1~S16表示,與選手的編號(hào)相對(duì)應(yīng)。
(2)給主持人設(shè)置一個(gè)控制開關(guān),用來控制系統(tǒng)的清零和搶答的開始。
(3)搶答器具有鎖存與顯示功能。在主持人將系統(tǒng)復(fù)位發(fā)出搶答指令后,若參賽者按搶答按鈕,則組別顯示電路顯示出搶答者的組別,同時(shí)蜂鳴器發(fā)出“嘀”的報(bào)警音響。此時(shí)電路具備自鎖存功能,使別組的搶答開關(guān)不起作用。
(4)搶答器具有定時(shí)搶答功能,且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定(如30 s)。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始”鍵后,定時(shí)器開始減計(jì)數(shù)并顯示。參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答,搶答有效。如果定時(shí)時(shí)間已到,無人搶答,本次搶答無效,蜂鳴器報(bào)警并封鎖輸入電路,禁止選手超時(shí)搶答,定時(shí)顯示器上顯示“00”。
(5)設(shè)置計(jì)分電路。每組在開始時(shí)預(yù)置分?jǐn)?shù)(如100分),搶答開始后由主持人控制,答對(duì)加分,答錯(cuò)減分。
2.2 系統(tǒng)原理框圖
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
3 電路設(shè)計(jì)及仿真
搶答器由搶答電路、定時(shí)電路、報(bào)警電路、時(shí)序控制電路和計(jì)分電路五部分組成。
3.1 搶答電路
搶答電路的主要作用是分辨出搶答者按鍵按下的先后,鎖存并顯示搶答者的號(hào)碼,同時(shí)能使后搶答者的按鍵無效。搶答電路主要由優(yōu)先編碼器74LS148,RS鎖存器74LS279,加法器74LS283,比較器74LS85,譯碼器74LS48,集成了4個(gè)與門的74LS08,三輸入端或門(CD4075),7段數(shù)碼管,S1~S16十六個(gè)按鈕開關(guān)組成,如圖2所示。
工作過程為:當(dāng)主持人將開關(guān)處于“清除”位置時(shí),RS鎖存器的端為0,5個(gè)RS鎖存器的輸出Q全部置0,使74LS48的,顯示器燈滅。與此同時(shí)優(yōu)先編碼器74LS148的選通輸入端,使之處于工作狀態(tài),此時(shí)鎖存器不工作。當(dāng)主持人將控制開關(guān)撥向“開始”時(shí),優(yōu)先編碼器和鎖存器同時(shí)處于工作狀態(tài),即搶答器處于等待工作狀態(tài),等待輸入端的信號(hào)輸入。對(duì)參加比賽的16名選手從1~16進(jìn)行編號(hào),同時(shí)需要用到2個(gè)顯示器,當(dāng)選手編號(hào)大于9時(shí)高位顯示器顯示1,小于等于9時(shí)高位顯示器顯示0。預(yù)置比較器74LS85的字B為8,即輸人端B3B2B1B0為1000,當(dāng)選手編號(hào)小于等于9時(shí),即比較器74LS85的字A小于等于8,A≤B即YA>B輸出為0;當(dāng)選手編號(hào)大于9時(shí),即比較器74LS85的字A大于8,A>B即YA>B輸出為1,與高位顯示器數(shù)字一致,所以可以直接用74LS85的YA>B腳控制高位顯示器的A0,高位顯示器的A3,A2,A1全部置0。再引入3個(gè)與門(74LS08)和1個(gè)三輸入端或門(CD4075),3個(gè)與門的一端置011,另一端與比較器的YA>B相連,或門的三輸入端分別與比較器的YA> B,YA-B,YA<B相連。當(dāng)選手編號(hào)大于9時(shí),需要加7才能在顯示器上正確顯示選手的編號(hào),如當(dāng)16號(hào)選手優(yōu)先搶答時(shí),選手編號(hào)大于9,比較器的A3A2A1A0為1111,YA>B=1,加法器的A3A2A1A0為1111,B3B2B1B0為0111,通過加法器加0111,得到2進(jìn)制數(shù)值為“00010110”,兩個(gè)顯示器顯示為“16”,與選手實(shí)際編號(hào)一致。當(dāng)選手編號(hào)小于等于9時(shí)只用到低位顯示器,不能加7,如當(dāng)1號(hào)選手優(yōu)先搶答時(shí),選手編號(hào)小于9,比較器的A3A2A1A0為0000,YA>B=0,YA<B=1,3個(gè)與門輸出為0,或門輸出為1,加法器的A3A2A1A0為0000,B3B2B1B0為0001,通過加法器加0001,得到二進(jìn)制數(shù)值為“00000001”,兩個(gè)顯示器顯示為“01”,與選手實(shí)際編號(hào)一致。
當(dāng)選手按下的鍵松開后,74LS148的為高電平,但由于端維持高電平不變,所以74LS148仍然處于“禁止”工作狀態(tài),其他按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被接受,這就保證了搶答者的優(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S開關(guān)重新置“清除”,使搶答電路復(fù)位,然后再進(jìn)行下一輪搶答。
3.2 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。定時(shí)電路主要實(shí)現(xiàn)搶答倒計(jì)時(shí),同時(shí)通過輸出接口與時(shí)序控制電路相接,實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制,當(dāng)無人搶答且時(shí)間到時(shí)報(bào)警??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(電路包括555定時(shí)器,2塊74LS192計(jì)數(shù)器,2塊74LS48顯示譯碼器)。采用555設(shè)計(jì)的秒脈沖產(chǎn)生電路,555定時(shí)器接成的多諧振蕩器的振蕩頻率為:f=1/T=1/[(R1+2R2)Cln 2]。
采用的電阻和電容值分別是:R1=82 kΩ,R2=33 kΩ,C1=10μF,滿足上式,即得到的是秒脈沖。
3.3 報(bào)警控制電路
當(dāng)有選手搶答或者搶答時(shí)間已到,搶答電路和定時(shí)電路都要停止工作,優(yōu)先編碼器要處于禁止工作狀態(tài),74LS148的選通輸入端=1,所以可以利用74LS148的選通輸入端來報(bào)警。為了避免因蜂鳴器分流導(dǎo)致端電壓太低而不能使優(yōu)先編碼器處于禁止工作狀態(tài),用一個(gè)與門74LS08來控制蜂鳴器,與門的兩個(gè)輸入端分別接5 V電源和選通輸入端,輸出端接蜂鳴器,如圖4所示。
此外還設(shè)置了最后5 s報(bào)警提示,即倒計(jì)時(shí)電路還剩最后5 s時(shí)會(huì)報(bào)警提示參賽選手離此次搶答結(jié)束還有5 s的時(shí)間。用兩個(gè)比較器74LS 85,一個(gè)比較器的輸入端A3A2A1A0加在十位計(jì)數(shù)器74LS192的Q3Q2Q1Q0上,預(yù)置十位比較器74LS85的輸入端B3B2B1B0為0000,當(dāng)Q3Q2Q1Q0= 0000時(shí)A=B,十位比較器的YA=B輸出為1;另一個(gè)比較器的輸入端A3A2A1A0加在個(gè)位計(jì)數(shù)器74LS192的Q3Q2Q1Q0上,預(yù)置個(gè)位比較器74LS85的輸入端B3B2B1B0為0101,當(dāng)Q3Q2Q1Q0=0101時(shí)A=B,個(gè)位比較器的YA=B輸出為1。兩個(gè)比較器的輸出端YA=B分別接在與門74LS08的兩個(gè)輸入端上,與門的輸出端接蜂鳴器。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)電路倒計(jì)到05 s時(shí),與門的輸出端輸出為1,蜂鳴器就會(huì)報(bào)警提示。
3.4 時(shí)序控制電路
時(shí)序控制電路如圖5所示。時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,其工作原理是:主持人控制開關(guān)從“清除”位置撥到“開始”位置時(shí),來自圖2中的74LS279的輸出CTR=0,經(jīng)74LS04反相輸出1,則時(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),則74LS192的借位輸出端為1,74LS00與非門的輸出,使74LS148處于正常工作狀態(tài)。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)74LS04反相輸出0,封鎖CP信號(hào),定時(shí)器處于保持工作狀態(tài);同時(shí),74LS00的輸出為1,74LS148處于禁止工作狀態(tài)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí),則74LS192的借位輸出端為0,=1,74LS148處于禁止工作狀態(tài),禁止選手進(jìn)行搶答。同時(shí),74LS11輸出為0,封鎖CP信號(hào),使定時(shí)電路保持00狀態(tài)不變。當(dāng)=1時(shí)就會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。
3.5 計(jì)分電路
設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)分器,用于各參賽選手的加分和減分,電路由十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器74LS192,7段顯示譯碼器74LS48,7段數(shù)碼管、2輸入端4與門74LS08,按鈕開關(guān),電阻等組成(見圖6)。當(dāng)某參賽選手回答問題結(jié)束后,主持人做出正確與錯(cuò)誤的判斷,并宣布所加減的分?jǐn)?shù)值,根據(jù)計(jì)分值的多少按相應(yīng)的按鍵。加分值小于10時(shí)按個(gè)位加分鍵,減分值小于10時(shí)按個(gè)位減分鍵;加分值在10~100分之間按十位加分鍵,減分值在10~100分之間按十位減分鍵;加分值在100分以上按百位加分鍵,減分值在100分以上按百位減分鍵。記分電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)位用于累加總分。按下清零按鈕,各位數(shù)值歸零。此外,電子記分電路還可單獨(dú)用于藍(lán)球、排球、乒乓球等體育比賽項(xiàng)目的記分器,具有廣泛推廣使用價(jià)值。
由于開關(guān)按鈕是機(jī)械觸點(diǎn),當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí),會(huì)有抖動(dòng),使開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中不可能像數(shù)字系統(tǒng)所期望的那樣產(chǎn)生干凈的數(shù)字信號(hào)輸出,因此可以采用防斗開關(guān)來替代按鈕開關(guān)獲取穩(wěn)定的脈沖,輸入到計(jì)數(shù)器脈沖輸入端使計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。
4 電路制作與調(diào)試
根據(jù)需求選擇電路的設(shè)計(jì)單元進(jìn)行組合,完成系統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì),運(yùn)用Protel軟件制作PCB板,或者用面包板,按照裝配圖或原理圖進(jìn)行器件裝配,裝配好之后進(jìn)行電路的調(diào)試。
5 結(jié)語
利用Multisim 10對(duì)16路競(jìng)賽搶答器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該電路設(shè)計(jì)合理,具有比較可靠的工作方式和更強(qiáng)的適用性,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和要求。所設(shè)計(jì)的搶答器電路采用組合邏輯和時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì),無需編程語言,具有電路簡(jiǎn)單,成本低廉,操作方便,靈敏可靠,易于制作等優(yōu)點(diǎn),而且在實(shí)際生活中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。