多功能數(shù)字搶答器設(shè)計(jì)說明說

1 多功能數(shù)字搶答器 設(shè)計(jì)說明說 第 1 章 緒 論 題背景 目前數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，自動(dòng)控制，電子測(cè)量儀表，電視，雷達(dá)，通信等各個(gè)領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中，數(shù)字測(cè)量儀表不僅比模擬測(cè)量儀表精度高，功能高，而且容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化和智能化。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，尤其是中，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用范圍將會(huì)更廣泛地滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，并將產(chǎn)生越來越深刻的影響。隨著現(xiàn)代社會(huì)的電子科技的迅速發(fā)展，要求我們要理論聯(lián)系實(shí)際，通過對(duì)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，熟練掌握設(shè)計(jì)的方法、步驟。 本課題設(shè)計(jì)了一種采用數(shù)字電路制作的多功能數(shù)字搶答器，它主要采用了 74 系列的常用集成電路，它除了具有基本的搶答功能之外，還具有定時(shí)報(bào)警的功能，和數(shù)顯的功能，當(dāng)搶答開始后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)倒計(jì)時(shí)，并且時(shí)間是可以預(yù)設(shè)的，期間有人搶答的話系統(tǒng)會(huì)停止計(jì)時(shí)，如果期間沒人搶答，系統(tǒng)會(huì)有短暫的報(bào)警，提示搶答結(jié)束。 在現(xiàn)在科技進(jìn)步的世界里 ,無論工廠、學(xué)校和電視臺(tái)所舉辦的節(jié)目都可能會(huì)有各種智力競賽 ,當(dāng)遇到搶答環(huán)節(jié)時(shí) ,如果要求主持人自己去用肉眼觀察那一個(gè)選手搶答的速度最快無疑會(huì)對(duì)比賽結(jié)果造成很大的影響 ,使比賽失去了公平和公正性 ,這時(shí)候 我們想到了搶答記分器是必要設(shè)備，我中學(xué)參加過各種競賽 ,我們經(jīng)常遇到有搶答的環(huán)節(jié)，由于條件有限多數(shù)采用讓選手通過舉答題板的方法判斷選手的答題權(quán)，這在某種程度上會(huì)因?yàn)橹鞒秩说闹饔^誤斷造成比賽的不公平性， 所設(shè)計(jì)的搶答器通常由數(shù)碼顯示、燈光、音響等多種手段指示出第一搶答者，為了使這種不為了使這種不公平不發(fā)生，只有靠電子產(chǎn)品的高準(zhǔn)確性來保障搶答的公平性。 2 計(jì)要求 1 具有優(yōu)先搶答功能，先搶答后其余搶答無效電路進(jìn)行鎖存并顯示選手號(hào)碼，同時(shí)報(bào)警（擴(kuò)展功能）并具有計(jì)時(shí)功能。 計(jì)題目和設(shè)計(jì)指標(biāo) 題目： 八路搶答器 技術(shù)指標(biāo)： 4.（擴(kuò)展功能）并具有計(jì)時(shí)功能。 計(jì)功能 主要功能：具有優(yōu)先搶答功能，先搶答后其余搶答者無效。電路進(jìn)行鎖存并顯示選手號(hào)碼，同時(shí)產(chǎn)生報(bào)警、 （擴(kuò)展功能）并具有計(jì)時(shí)功能 。 3 第 2 章 電路的方框圖 機(jī)電路框圖 根據(jù)課題設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求，本電路主要由 鎖存電路、 顯示電路 、譯碼電路、控制電路、定式按鈕、優(yōu)先譯碼電路，等幾部分組成。 整機(jī)電路框圖 如 2圖 2搶答按鈕 優(yōu)先編碼電路 鎖存器 譯碼電路 顯示電路 主持人控制開關(guān) 控制電路 報(bào)警電路 定時(shí)按鈕 譯碼電路 顯示電路 4 路的方框圖的原理 如圖 2通電源時(shí)，節(jié)目主持人將開關(guān)置于 “ 清除 ” 位置，搶答器處于禁止工作狀態(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)顯示器顯示設(shè)定的時(shí)間，當(dāng)節(jié)目主持人宣布 “ 搶答開始 ” ，同時(shí)將控制開關(guān)撥到 “ 開始 ” 位置， 蜂鳴器 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。當(dāng)選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答鍵時(shí)，搶答 器要完成以下四項(xiàng)工作： 優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號(hào)，并由鎖存器進(jìn)行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號(hào) 。 蜂鳴器 發(fā)出聲響，提醒節(jié)目主持人注意 。 控制電路要對(duì)輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次進(jìn)行搶答 。 控制電路要使定時(shí)器停止工作，時(shí)間顯示器上顯示剩余的搶答時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。當(dāng)選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關(guān)，使系統(tǒng)回復(fù)到禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪搶答。 5 第 3 章 單元電路設(shè)計(jì)、器件的選擇 55 定時(shí)器及其應(yīng)用 件特性 圖 3555 定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插 8 腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號(hào)產(chǎn)生與變換電路。它在波形 的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、定時(shí)電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用。 6 部電路框圖及引腳功能 圖 3555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) R 5i 1(T H )V i 2(T R )V C c o D i 7 555 定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號(hào)和管腳排列分別如圖3 引腳功能： 高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為 ：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為 制電壓端。 出端。 電端。 復(fù)位端。 555 定時(shí)器內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻 R 組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生31個(gè)電壓比較器 個(gè)由與非門 S 觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管 3。 i c 51 2 3 45678G N D o c i 5.( a ) 5 5 5 的邏輯符號(hào)( b ) 5 5 5 的引腳排列圖 3555定時(shí)器邏輯符號(hào)和引腳 8 復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后 , 基本 發(fā)器的 Q 端為 1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后 ，輸出為 0（低電平）。 分析圖 3 555定時(shí)器的 讓 比較器 較器為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定： 當(dāng) 的電壓 32為 ，當(dāng) 的電壓 31，寫為 ，當(dāng) 的電壓 31 ，比較器 論 本 =0，使 Q 1，經(jīng)輸出反相緩沖器后， 0； 時(shí)稱 555定時(shí)器“高觸發(fā)”。 555 定時(shí)器的“低觸發(fā)”、“高觸發(fā)”和“保持”三種基本狀態(tài)和進(jìn)入狀態(tài)的條件（即 0”、“ 1”）必須牢牢掌握。 9 先編碼器 74 374片外觀 4腳功能 圖 374腳功能 746腳的集成芯片，除電源腳 6)和 )外，其余輸入、輸出腳的作用和腳號(hào)如圖中所標(biāo)。其中 I 0 I 7為輸入信號(hào)， 1, I O G 由 74148 真值表可列輸出邏輯方程為： 10 (5+7) (36+7) (357) O O E = 67 使能輸入 時(shí)，禁止編碼、輸出 (反碼 )： 1,全 1。 當(dāng)使能輸入 時(shí)，允許編碼，在 入 余依次為： 5,3,0， 級(jí)排列。 O E 為使能輸出端 ，它只在允許編碼 ()，而本片又沒有編碼輸入時(shí)為 0。擴(kuò)展片優(yōu)先編碼輸出端 G S 的邏輯方程為： (1+3+5+7) 片優(yōu)先編碼輸出端，它在允許編碼 ()，且有編碼輸入信號(hào)時(shí)為 0 若允許編碼而無編碼輸入信號(hào)時(shí)為 1在不允許編碼 ()時(shí)，它也為 1 0 表示“電路工作，而且有編碼輸入”。 4值表 表 34值表 輸 入 輸 出 C A S 1 d d d d d d 0 1 1 1 1 11 1 1 0 d d d d d 0 0 d d d d 0 1 0 d d d d 1 1 1 1 1 11 1 1 1 10 0 0 0 01 0 0 1 01 0 1 0 01 11 0 d d d d 01 1 1 0 d d d 0 11 1 1 0 d d 0 1 11 1 1 0 d 0 1 1 11 1 1 0 0 1 1 1 11 1 1 0 1 1 01 1 0 0 01 1 0 1 01 1 1 0 01 1 1 1 01 由真值表可知，輸入 輸出 有效工作電平均為低電平 0 入端中，下角標(biāo)號(hào)碼越大的優(yōu)先級(jí)越高。例如， 為 1 ， 0 時(shí)，輸出按優(yōu)先級(jí)較高的 碼，即 001，而不是按優(yōu)先級(jí)較低的 碼。此后，若 為 1，則按 碼 ,11 。若 變?yōu)?1，輸出才按 碼， 10。輸入 輸出工作狀態(tài)選擇端 (或稱允許輸入端 )，當(dāng) 時(shí)，編碼器工作，反之不進(jìn)行編碼工作； 允許輸出端，當(dāng)允許編碼 (即 )而無信號(hào)輸入時(shí)， 0。 不允許編碼 (即 )，或者雖允許編碼 ()但無信號(hào)輸入 (即 為 1)時(shí) ,。換而言之，允許編碼且有信號(hào)輸入 (即 至少有一個(gè)為 0)時(shí)， 。 出公共端符號(hào) 輸入信號(hào) 1,三位二進(jìn)制編碼的呼出信號(hào) 使能輸入端 是使能輸出端 片優(yōu)先編碼輸出端 電源 12 地 4腳功能 （ a）引腳排列 (b) 邏輯符號(hào) 圖 34腳排列及邏輯符號(hào) 加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端， 減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。 預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。 進(jìn)位輸出： 1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出， 借位輸出： 0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。 13 4能表 表 3 74能表 14 第 4 章 整機(jī)電路的組成 答電路 圖 4答電路 （）搶答器的主體電路設(shè)計(jì) 搶答電路的功能有兩個(gè)：一是能分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，供譯碼顯示電路用；二是要使其他選手的按鍵操作無效。選用優(yōu)先編碼器 74148 和 存器可以完成上述功能，其電路組成如圖所示。其工作原理是：當(dāng)主持人控制開關(guān)處于 “清除 ”位置時(shí)， 發(fā)器的端為低電平，輸出端（ 4Q1Q）全部為低電平。于是 74 =0，顯示器滅燈； 74148的選通輸入端 =0， 74于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存電路不工作。當(dāng)主持人開關(guān)撥到 “開始 ”位置時(shí)，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時(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 7. 0輸入信號(hào)，當(dāng)有選手將鍵按下時(shí) (如按下 74010， 15 =0，經(jīng) 存器后， l， =1， 74于工作狀態(tài)，401，經(jīng) 74碼后，顯示器顯示出 “5”。此外，使 74端為高電平， 74于 禁止工作狀態(tài)，封鎖了其它按鍵的輸入。當(dāng)按下的鍵松開后， 74由于 以 74處于禁止工作狀態(tài)，其它按鍵的輸入信號(hào)不會(huì)被接收。這就保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。當(dāng)優(yōu)先搶答者回答完問題后，由主持人操作控制開關(guān) S，使搶答電路復(fù)位，以便進(jìn)行下一輪搶答。 時(shí)電路 圖 4時(shí)電路 （ 2）定時(shí)電路設(shè)計(jì) 原理及設(shè)計(jì)：該部分主要由 555定時(shí)器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器 7474段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖所示。兩塊 74過譯碼電路 74時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。 74192的預(yù)置數(shù)控制端實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)，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，如果要設(shè)置為 30S，就可以在計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端輸入 00110000。時(shí)鐘脈沖由秒脈沖電路提 16 供。按鍵彈起后，計(jì)數(shù)器開始減法計(jì)數(shù)工作，并將時(shí)間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上，當(dāng)有人搶答時(shí)，停止計(jì)數(shù)并顯示此時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；如果沒有人搶答，且倒計(jì)時(shí)時(shí)間到時(shí)，輸出低電平到時(shí)序控制電路，控制報(bào)警電路報(bào)警，同時(shí)以后選手搶答無效。 警電路 圖 4警電路 采用 555定時(shí)器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路如圖所示。其中 555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率 其輸出信號(hào)經(jīng)三極管推動(dòng) 蜂鳴器 。 高電平時(shí)，多諧振蕩器工作，當(dāng) 路停振 序控制電路 圖 4序控制電路 17 與門 作用是控制時(shí)鐘信號(hào) 放行與禁止，門 作用是控制 74輸入使能端。主持人控制開關(guān)從 清除 位置撥到 開始 位置時(shí)， 741Q,即 ，經(jīng) 出為 1，則 生的時(shí)鐘信號(hào) 夠加到 74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 定時(shí)到信號(hào) 為 1，門 =0，使 74選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)按動(dòng)搶答按鍵時(shí)， 1，經(jīng) 出為 0，封鎖 時(shí)器處于保持工作狀態(tài)；同時(shí)，門 =1， 74定時(shí)時(shí)間到時(shí)，則 定時(shí)到信號(hào) 為 0， /， 74于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進(jìn)行搶答。同時(shí)，門 鎖時(shí)鐘 定時(shí)電路保持 00狀態(tài)不變，此次搶答結(jié)束。 18 第 5 章 電路的組 裝與調(diào)試 器件的檢測(cè) 電路組裝調(diào)試之前首先要對(duì)所用元器件進(jìn)行檢測(cè)，判斷元器件的好壞和確定元器件的引腳及極性。下面將分別介紹電路中所用到的元器件的檢測(cè)方法。 一 、 三極管引腳極性的檢測(cè) 大家知道，三極管是含有兩個(gè) 據(jù)兩個(gè)以分為 測(cè)試三極管要使用萬用電表的歐姆擋，并選擇 R100 或 R1表筆所連接的是表內(nèi)電池的負(fù)極，黑表筆則連接著表內(nèi)電池的正極 (電流：紅進(jìn)黑出 )。假定我們并不知道被測(cè)三 極管是分不清各管腳是什么電極。 *：測(cè)試的第一步是判斷哪個(gè)管腳是基極。 這時(shí)，我們?nèi)稳蓚€(gè)電極 (如這兩個(gè)電極為 1、 2)，用萬用電表兩支表筆顛倒測(cè)量它的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度；接著，再取 1、 3兩個(gè)電極和 2、 3兩個(gè)電極，分別顛倒測(cè)量它們的正、反向電阻，觀察表針的偏轉(zhuǎn)角度。在這三次顛倒測(cè)量中，必然有兩次測(cè)量結(jié)果相近：即顛倒測(cè)量中表針一次偏轉(zhuǎn)大，一次偏轉(zhuǎn)??；剩下一次必然是顛倒測(cè)量前后指針偏轉(zhuǎn)角度都很小，這一次未測(cè)的那只管腳就是我們要尋找的基極。 二、 管型 找出三極管的基極后，我們就可以根據(jù)基極與另外兩個(gè)電極之間 萬用表的黑表筆接觸基極，紅表筆接觸另外兩個(gè)電極中的任一電極，若表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很大，則說明被測(cè)三極管為 表頭指針偏轉(zhuǎn)角度很小，則被測(cè)管即為 三、 順箭頭，偏轉(zhuǎn)大 找出了基極 b，另外兩個(gè)電極哪個(gè)是集電極 c，哪個(gè)是發(fā)射極 這時(shí)我們可以用測(cè)穿透電流 (1) 對(duì)于 萬用電表的黑、紅表筆顛倒測(cè)量兩極間的正、反向電阻 然兩次測(cè)量中萬用表指針偏轉(zhuǎn) 19 角度都很小，但仔細(xì)觀察，總會(huì)有一次偏轉(zhuǎn)角度稍大，此時(shí)電流的流向一定是：黑表筆 c 極 b 極 e 極 紅表筆，電流流向正好與三極管符號(hào)中的箭頭方向一致 (“ 順箭頭 ”) ，所以此時(shí)黑表筆所接的一定是集電極 c，紅表筆所接的一定是發(fā)射極 e。 (2) 對(duì)于 理也類似于 電流流向一定是：黑表筆 e 極 b 極 c 極 紅表筆，其電流流向也與三極管符號(hào)中的箭頭方向一致，所以此時(shí)黑表筆所接的一定是發(fā)射極e，紅表筆所接的一定是集電極 c 路的組裝與調(diào)試 檢測(cè)完元器件的 好壞及引腳極性后便可以進(jìn)行電路的組裝了，根據(jù)電路原理圖首先在面包板上搭接電路。搭接電路時(shí)要注意集成芯片和集成芯片的引腳不要接錯(cuò)，電解電容的引腳極性不要弄反。在面包板上搭接好電路后就可以進(jìn)行電路的調(diào)試了。 合設(shè)計(jì)要求便可以在萬能板上焊接了，在焊接過程中和焊接好后調(diào)試過程中需要注意以下事項(xiàng)。 不允許帶電使用烙鐵焊接，要確認(rèn)烙鐵不帶電，最好把烙鐵的外殼接地，對(duì) 采用 6 焊接時(shí) 要 焊牢，焊錫的堆積、氣孔容易造成虛焊。焊接時(shí) 間一般不超過 3秒鐘，烙鐵的功率應(yīng)用內(nèi)熱式 25焊接好的集成電路要仔細(xì)查看，最好用歐姆表測(cè)量各引腳間有否短路，確認(rèn)無焊錫粘連現(xiàn)象再接通電源。 20 理布局 電路在安裝前要將各級(jí)進(jìn)行合理布局，一般按照電路的順序一級(jí)一級(jí)地布局，在此過程中我們本著以下原則： 1. 了解元件管腳功能。 2. 布線盡可能少，合理進(jìn)行布線。 3. 電源線用紅線，地線用黑線。 4. 布線規(guī)律有制 ,盡量減少交叉。 5美觀大方。 注意事項(xiàng)： 1 電路板各個(gè)所用電源，地都連起來。 2 防止接線短路。 3 元件 不可接反、接錯(cuò)。 4 焊盤上不可壓線。 21 結(jié) 論 八路搶答器 有優(yōu)先搶答功能，先搶答后其余搶答無效 電路進(jìn)行鎖存并顯示選手號(hào)碼，同時(shí)報(bào)警，并具有計(jì)數(shù)功能。 2數(shù)碼管正確顯示選手號(hào)碼。 3搶答完畢聲音報(bào)警提醒。 通過我們的付出與努力，完成了本次的設(shè)計(jì)，并且達(dá)到了預(yù)期的效果，實(shí)現(xiàn)了其要求的功能和各項(xiàng)指標(biāo)并做了擴(kuò)展功能，也達(dá)到了預(yù)期的效果。 但是在 設(shè)計(jì)的過程中，還是存在一些不足之處，遇到了許多不太好解決的問題。然后對(duì)電路進(jìn)行足部的細(xì)致的檢查與分析。在團(tuán)隊(duì)的不斷努力下解決了我們遇到的各種問題 22 收獲與體會(huì) 通過本次 電子線路課程設(shè)計(jì)，我對(duì)萬用板、示波器、萬用表和 555 定時(shí)器等電子儀器和電子元件的基本應(yīng)用方法有了更深一步的理解，既檢驗(yàn)了以前學(xué)過的理論知識(shí)又為以后的學(xué)習(xí)打下了非常堅(jiān)實(shí)有力的基礎(chǔ)，也了解到了過去學(xué)習(xí)所未了解到的知識(shí)，真正做到了理論與實(shí)踐相結(jié)合，更擴(kuò)充了自己的知識(shí)面，而且還加深了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和互助精神，知道了 在一個(gè)集體中，個(gè)人的力量是渺小的，只有團(tuán)隊(duì)的力量統(tǒng)一起來，事情才變得不再難辦。在這次課程設(shè)計(jì)中，我們從開始選課題到電路設(shè)計(jì)過程中，遇到了一些分歧，經(jīng)過大家不斷交流分歧得以消除。同時(shí)也有過迷茫，制作出的電路有段時(shí)間一直有錯(cuò)誤，我和小組的其他同學(xué)一起討論了好長時(shí)間一直沒有找到，最后再請(qǐng)教劉老師，劉老師在看過電路圖之后，一語道破玄機(jī)，所有的問題和迷茫都迎刃而解。在制作電路時(shí)，我們?cè)谥谱麟娐分?，曾做過三、四個(gè)方案，經(jīng)過理論分析之后，挑