數(shù)顯搶答器的設(shè)計與制作

數(shù)顯搶答器的設(shè)計與制作 摘要 ： 經(jīng)過本組成員的實驗和討論，研究出 了一種采用數(shù)字電路制作的多功能數(shù)顯搶答器，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，還具有定時報警的功能，和數(shù)顯的功能，當(dāng)搶答開始后，系統(tǒng)會自動倒計時，并且時間是可以預(yù)設(shè)的，期間有人搶答的話系統(tǒng)會停止計時，如果期間沒人搶答，系統(tǒng)會有短暫的報警，提示搶答結(jié)束。 關(guān)鍵字 ： 單片機(jī)、 PLC、搶答、報警、數(shù)顯 一、 設(shè)計目的 在電視和學(xué)校中我們會經(jīng)常看到一些智力搶答的節(jié)目，如果要是讓搶答者用舉手等方法，主持人很容易誤 判，會造成搶答的不公平，比賽中為了準(zhǔn)確、公正、直觀地判斷出第一搶答者，所設(shè)計的搶答器通常由數(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。 二、 方案 制作搶答器可以用好多的方法，可以用單片機(jī)來完成，它的功能強(qiáng)大制作簡單，并且外圍的元件也很少；也可以用 PLC來實現(xiàn)，他的制作也是比較簡單；還可以用我們學(xué)過的 EDA技術(shù)來制作；最后也可以用數(shù)字電路來實現(xiàn)，它的原理比較簡單，集成塊的價格也比較便宜且很容易購買，與我們學(xué)完的數(shù)字電路聯(lián) 系緊密，能將我們所學(xué)知識用于實際，對鞏固所學(xué)知識有重要意義，用了一些成型電路，如NE555標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖電路等，使總體方案易于實現(xiàn)。 方案一采用數(shù)字電路 1、原理方框圖 定時搶答器的總體框圖如圖 1所示，它由主體電路和擴(kuò)展電路兩部分組成。主體電路完成基本的搶答功能，即開始搶答后，當(dāng)選手按動搶答鍵時，能顯示選手的編號，同時能封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。擴(kuò)展電路完成定時搶答的功能。 圖 1 圖 1所示的定時搶答器的工作過程是：接通電源時，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)，編號顯示器滅燈，定時顯示器顯示設(shè)定的時間，當(dāng)節(jié)目主持人宣布 “ 搶答開始 ” ，同時將控制開關(guān)撥到 “ 開始 ” 位置，揚(yáng)聲器給出聲響提示，搶答器處于工作狀態(tài)，定時器倒計時。當(dāng)定時時間到，卻沒有選手搶答時，系統(tǒng)報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答鍵時，搶答器要完成以下四項工作： 優(yōu)先編碼電路立即分辨出搶答者的編號，并由 鎖存器進(jìn)行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號； 揚(yáng)聲器發(fā)出短暫聲響，提醒節(jié)目主持人注意； 控制電路要對輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手再次進(jìn)行搶答； 控制電路要使定時器停止工作，時間顯示器上顯示剩余的搶答時間，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。 方案二采用單片機(jī) 1、原理方框圖 此電路完成的功能如圖 2所示，當(dāng)主持人宣布搶答開始的時候，按下開始按鈕，此時電路進(jìn)入搶答狀態(tài)，選手的輸入采用了掃描式的輸入，之后把相 應(yīng)的信息送往單片機(jī)，再由單片機(jī)輸出到顯示輸出電路中。此時有人第一按下相應(yīng)的搶答按鈕，經(jīng)過單片機(jī)的控制選擇，在八段顯示器上顯示相應(yīng)的號碼，并鎖存，同時禁止其他按鈕的輸入。 （圖 2） 方案三采用 PLC 1、原理方框圖 此電路的功能如圖 3所示，當(dāng)主持人打開啟動開關(guān)后，在設(shè)定時間 TO 內(nèi)，如果某組搶先按下?lián)尨鸢粹o，則驅(qū)動音效電路 發(fā)出聲響，指示燈 LI 亮，并且在 8段數(shù)碼管顯示器上顯示出搶答成功的組號，此時電路實現(xiàn)互鎖，其他組再按下?lián)尨鸢粹o為無效 ； 如果在時間 TO 內(nèi)，無人應(yīng)答，則驅(qū)動音效電路 發(fā)出聲響，指示燈 L2亮 ，表示搶答者均放棄該題 ； 在搶答成功后，主持人打開限時開關(guān) SW2，啟動計時器，在設(shè)定的時間 TI 內(nèi)回答有效，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時間 TI時，驅(qū)動音效電路 ，指示燈 L3亮，表示答題時間到。 （圖 3） 三、 方案選擇 方案比較 數(shù)字電路 單片機(jī) PLC 制作難度 低 一般 一般 實現(xiàn)難度 一般 低 低 價格 低 一般 高 電路原理 簡單 一般 一般 設(shè)計難度 簡單 高 一般 通過上面的方案比較，數(shù)字電路的制作方案比較容易實現(xiàn)，并且在原理方面也是比較簡單，所以我選擇采用第一種方案來完成搶答器電路。 四 、 設(shè)計 系統(tǒng)功能 1.基本功能： （ 1）同時供 8名選手比賽，分別用 8個按鈕 S0 S7表示。 （ 2）設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān) S，該開關(guān)由主持人控制。 （ 3）搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，揚(yáng)聲器發(fā)出聲響提示，并在七段數(shù)碼管上顯示選手號碼。選手搶答實行優(yōu)先鎖存，優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。 2.擴(kuò)展功能： （ 1）搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答的時間由主持人設(shè)定（如 30秒）。當(dāng)主持人啟動 開始 鍵后，定時器進(jìn)行減計時。 （ 2）參賽選手在設(shè)定的時間內(nèi)進(jìn)行搶答 ，搶答有效，定時器停止工作，顯示器上顯示選手的編號和搶答的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。在這段（ 3）如果定時時間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)報警并禁止搶答，定時顯示器上顯示00。 五、 各部分單元電路的設(shè)計 （）搶答器的主體電路設(shè)計 搶答電路的功能有兩個：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，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 DFF鎖存器可以完成上述功能，其電路組成如圖 4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， RS觸發(fā)器的端為低電平，輸出端（ 4Q1Q）全部為低電平。于是 74LS48 的 =0，顯示器滅燈； 74148的選通輸入端 =0， 74LS148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。當(dāng)主持人開關(guān)撥到 “ 開始 ” 位置時，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(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，當(dāng)有選手將鍵按下時 (如按下 S5)， 74LSl48的輸出 =010， =0，經(jīng) RS鎖存器后， CTR=l， =1， 74LS279處于工作狀態(tài)， 4Q3Q2Q=101，經(jīng) 74LS48譯碼后，顯示器顯示出 “5” 。此外， CTR=1，使 74l48 的端為高電平， 74LSl48 處于禁止工作狀態(tài)，封鎖了其它按鍵的輸入。當(dāng)按下的鍵松開后， 74LSl48的為高電平，但由于 CTR維持高電平不變，所以 74LSl48仍處于禁止工作狀態(tài)，其它按鍵的輸入信號不會被接收。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。 （圖 4） 74LS148為 8線 3 線優(yōu)先編碼器，表 1為其功能表。 表 1 74LS148 的功能真值表 （）定時電路設(shè)計 原理及設(shè)計：該部分主要由 555定時器秒脈沖產(chǎn)生電路、十進(jìn)制同步加減計數(shù)器 74LS192減法計數(shù)電路、 74LS48譯碼電路和 2個 7段數(shù)碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖 5所示。兩塊 74LS192實現(xiàn)減法計數(shù)，通過譯碼電路 74LS48 顯示到數(shù)碼管上，其時鐘信號由時鐘產(chǎn)生電路提供。 74192 的預(yù)置數(shù)控制端實現(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)定一次搶答的時間，通過預(yù)置時間電路對計數(shù) 器進(jìn)行預(yù)置，如果要設(shè)置為 30S，就可以在計數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端輸入 00110000。時鐘脈沖由秒脈沖電路提供。按鍵彈起后，計數(shù)器開始減法計數(shù)工作，并將時間顯示在共陰極七段數(shù)碼顯示管上，當(dāng)有人搶答時，停止計數(shù)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 制報警電路報警，同時以后選手搶答無效。具體電路如圖 5所示。 （圖 5） 秒脈沖產(chǎn)生電路：秒脈沖由 NE555提供，它的的 3端輸出的脈沖的頻率為 ，結(jié)合我們的實際經(jīng)驗及考慮到元器件的成本，我們選擇的電阻值為 R1=15K， R2=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脈沖。 （）報警電路的設(shè)計 采用 555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖 6所示。其中 555構(gòu)成多諧振蕩器 ， 其輸出信號經(jīng)三極管推 動揚(yáng)聲器。 PR為控制信號，當(dāng) PR為高電平時，多諧振蕩器工作，當(dāng) PR為低電平的時候，電路停振。 （圖 6） （ 4）時序控制電路設(shè)計 與門 G1 的作用是控制時鐘信號 CP的放行與禁止，門 G2的作用是控制 74LS148的輸入使能端（即圖二中的 5端）。圖 7的工作原理是：主持人控制開關(guān)從 清除 位置撥到 開始 位置時，來自于圖 2中的 74LS279 的輸出 1Q,即 CTR=0，經(jīng) G3反相， 輸出為 1，則 NE555 產(chǎn)生的時鐘信號 CP能夠加到 74LS192的 CPD時鐘輸入端，定時電路進(jìn)行遞減計時。同時，在定時時間未到時，則 定時 到信號 為 1，門 G2的輸出 =0，使 74LS148處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)選手在定時時間內(nèi)按動搶答按鍵時， CTR 1，經(jīng) G3反相，輸出為 0，封鎖 CP信號，定時器處于保持工作狀態(tài)；同時，門 G2的輸出 =1， 74LS148處于禁止工作狀態(tài)。當(dāng)定時時間到時，則 定時到信號 為 0， /ST=1，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，禁止選手進(jìn)行搶答。同時，門 G1處于關(guān)門狀態(tài)，封鎖時鐘 CP信號，使定時電路保持 00狀態(tài)不變，此次搶答結(jié)束。 （圖 7） 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74LS121用于控制報警電路及發(fā)聲的時間（其功能表見表 2） ,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(guān)的延時電路和控制電路組成。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(chǎn)生脈沖時鐘。在規(guī)定的時間有人搶答時， /Ys由 1跳變到 0， 74121有狀態(tài) 2，即 Q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警，持 續(xù)時間為 =2.15秒；如果在規(guī)定時間內(nèi)無人搶答， BO2 由 1跳變到 0， 74121有狀態(tài) 1， Q輸出暫態(tài)高電平，蜂鳴器連續(xù)發(fā)聲報警持續(xù)時間為 結(jié)合圖 6所示報警電路，分析 計算如下： 。取 C 100uF, R=25K,。有 2.15秒。（原理圖見圖 8） （圖 8） 表 2 74121 功能表 (6) 電源電路 電源電路采用三端集成線性穩(wěn)壓集成塊， L7805CV，因為它的外圍電路比較簡單，并且工作比較穩(wěn)定，很適合 74系列的集成塊 。它的穩(wěn)壓精度為 2%，工作電流 1.5A，封裝為 TO-220(A)，工作溫度也很不錯，并且具有過溫保護(hù)和短路保護(hù)，最大輸入電壓為 35V，能對電路的長時間工作有很大的保障。 六、 總結(jié) 結(jié)束語： 經(jīng)過小組認(rèn)真透徹的分析，還有指導(dǎo)老師的專業(yè)指導(dǎo)，我們覺得，這次的小組實驗相當(dāng)成功。不僅僅讓我們對大學(xué)三年所學(xué)習(xí)的東西再次鞏固，而且還讓我們增強(qiáng)了團(tuán)隊協(xié)作的意識，同時，在老師的教導(dǎo)下，也讓我們了解到自己的知識范圍還有很多不足之處，再次感謝老師的教導(dǎo)。 在這次的畢業(yè)設(shè)計中，我發(fā)現(xiàn)了自己不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾點： (1) 對平 時所學(xué)的知識掌握不牢固 ,沒有及時的用于實踐中。 (2) 平時的動手操作比較少。 (3) 沒有根據(jù)所學(xué)的知識更廣的去擴(kuò)展。 畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。下面我對整個畢業(yè)設(shè)計的過程做一下簡單的總結(jié)。 第一，接到任務(wù)以后進(jìn)行選題。選題是畢業(yè)設(shè)計的開端，選擇恰當(dāng)?shù)摹⒏信d趣的題目，這對于整個畢業(yè)設(shè)計是否能夠順利進(jìn)行關(guān)系極大。好比走路，這開始的第一步是具有決定意義的，第一步邁向何方，需要慎重考慮。否則，就可能走許多彎路、費許多周折，甚至南轅北轍，難以到達(dá)目的地。因此，選；題時一定要 考慮好了。 第二，題目確定后就是找資料了。查資料是做畢業(yè)設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作，好的開端就相當(dāng)于成功了一半，到圖書館、書店、資料室去雖說是比較原始的方式，但也有可取之處的。總之，不管通過哪種方式查的資料都是有利用價值的，要一一記錄下來以備后用。 第三，通過上面的過程，已經(jīng)積累了不少資料，對所選的題目也大概有了一些了解，這一步就是在這樣一個基礎(chǔ)上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。 第四，有了研究方向，就應(yīng)該動手實現(xiàn)了。其實以前的三步都是為這一步作的鋪墊。 通過這次設(shè)計，我對數(shù)字電路設(shè)計中的邏輯關(guān)系等有了 一定的認(rèn)識，對以前學(xué)的數(shù)字電路又有了一定的新認(rèn)識，溫習(xí)了以前學(xué)的知識，就像人們常說的溫故而知新嘛，但在設(shè)計的過程中，遇到了很多的問題，有一些知識都已經(jīng)不太清楚了，但是通過一些資料又重新的溫習(xí)了一下數(shù)字電路部分的內(nèi)容。 致謝： 在此要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝老師給我這樣的機(jī)會鍛煉。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力