課程設計8路智力競賽搶答器.doc

課程設計課程名稱：8路智力競賽搶答器 學 院：電氣工程學院 專 業(yè)：電子信息工程 姓 名： 學 號：070804110248 年 級：電信071 任課教師： 年 月 日目錄摘要11 前言21.1 設計目的21.2 設計意義21.3 技術要求22設計方案論證33 單元電路設計43.1搶答電路部份43.2計時電路部份53.3 報警電路部份74實驗器件介紹84.1 74LS14884.2 七段發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管104.3 BCD碼七段譯碼驅動器114.4 555定時器134.5 74LS190155實驗儀器設備166實驗總結167參考文獻178致謝17八路智力競賽搶答器摘要在現(xiàn)代社會生活中，智力競賽作為一種生動活潑的教育形式和方法能夠引起觀眾極大的興趣。而在競賽中往往分為幾組參加，這時針對主持人提出的問題，各組一般要進行必答和搶答，對必答一般有時間限制，到時有聲響提示；對于搶答，要判定哪組先按鍵，為了公正，這就要有一種邏輯電路搶答器作為裁判員。搶答器是競賽問答中一種常用的必備裝置,從原理上講,它是一種典型的數(shù)字電路,其中包括了組合邏輯電路和時序電路。搶答器的發(fā)展也是比較快的，從一開始的光具有搶答鎖定功能的一個電路，到現(xiàn)在的具有倒計時、定時、自動（或手動）復位、報警（即聲響提示，有的以音樂的方式來體現(xiàn)）、屏幕顯示、按鍵發(fā)光等多種功能的技術合并，這就可以說明其多種功用及發(fā)展的快速。當今智力競賽搶答器、有鎖定功能搶答器、多功能智力搶答器可以說是多不勝數(shù)。搶答器適用于各類知識競賽、文娛綜藝節(jié)目，尤其是在電視上的各種知識競賽，除了可以把各搶答組號、違例組號、搶答規(guī)定時限、答題時間倒計時/正計時在儀器面板上顯示外，還可外接大屏幕顯示屏顯示給賽場與觀眾，活躍現(xiàn)場氣氛，便于監(jiān)督，公平競爭。1 前言1.1 設計目的設計一個8路智力競賽搶答器。1.2 設計意義在現(xiàn)代社會生活中，智力競賽作為一種生動活潑的教育形式和方法能夠引起觀眾極大的興趣。而在競賽中往往分為幾組參加，這時針對主持人提出的問題，各組一般要進行必答和搶答，對必答一般有時間限制，到時有聲響提示；對于搶答，要判定哪組先按鍵，為了公正，這就要有一種邏輯電路搶答器作為裁判員。搶答器是競賽問答中一種常用的必備裝置,從原理上講,它是一種典型的數(shù)字電路,其中包括了組合邏輯電路和時序電路。搶答器的發(fā)展也是比較快的，從一開始的光具有搶答鎖定功能的一個電路，到現(xiàn)在的具有倒計時、定時、自動（或手動）復位、報警（即聲響提示，有的以音樂的方式來體現(xiàn)）、屏幕顯示、按鍵發(fā)光等多種功能的技術合并，這就可以說明其多種功用及發(fā)展的快速。當今智力競賽搶答器、有鎖定功能搶答器、多功能智力搶答器可以說是多不勝數(shù)。搶答器適用于各類知識競賽、文娛綜藝節(jié)目，尤其是在電視上的各種知識競賽，除了可以把各搶答組號、違例組號、搶答規(guī)定時限、答題時間倒計時/正計時在儀器面板上顯示外，還可外接大屏幕顯示屏顯示給賽場與觀眾，活躍現(xiàn)場氣氛，便于監(jiān)督，公平競爭。1.3 技術要求智力競賽搶答器設計一個8路智力競賽搶答器，要求： 給節(jié)目主持人設計一個控制開關，用來控制系統(tǒng)的清零（編號顯示數(shù)碼管滅燈）及搶答的開始。 搶答開始后，當有某一選手首先按下?lián)尨鸢粹o時，選手編號立即被鎖存，編號數(shù)碼管顯示選手編號，并發(fā)出報警聲響，此時搶答器不再接收其他輸入信息。優(yōu)先搶答選手的編號一直保持到主持人將系統(tǒng)清零為止 搶答器具有定時搶答功能，且一次搶答時間由主持人設定（如30s）。當主持人啟動開始鍵后，要求定時器立即進行倒計時，并用顯示器進行顯示，同時揚聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)時間為0.5s左右。 選手在設定的時間內進行搶答，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時刻的時間，并保持到主持人將系統(tǒng)清零為止。如果定時搶答時間已到，卻沒有選手搶答，則本次搶答無效，系統(tǒng)進行短暫的報警，并封鎖輸入電路，禁止選手超時后搶答，定時顯示器上顯示00.2 設計方案論證由于本課程設計是基于數(shù)字電路的設計,所以采用數(shù)字電路的方法定時搶答器的總體框圖如圖1所示，它由主體電路和擴展電路兩部分組成。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，定時顯示器顯示設定的時間，當節(jié)目主持人宣布“搶答開始”，同時將控制開關撥到“開始”位置，揚聲器給出聲響提示，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。當選手在定時時間內按動搶答鍵時，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，并由鎖存器進行鎖存，然后由譯碼顯示電路顯示編號；揚聲器發(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行封鎖，避免其他選手再次進行搶答；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。當選手將問題回答完畢，主持人操作控制開關，使系統(tǒng)回復到禁止工作狀態(tài)，以便進行下一輪搶答。3單元電路設計3.1 搶答電路部份圖2.1 搶答電路圖該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。工作過程：開關S置于清除端時，RS觸發(fā)器的 端均為，個觸發(fā)器輸出置，使74LS148的 ，使之處于工作狀態(tài)。當開關S置于開始時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當有選手將鍵按下時（如按下S5），74LS148的輸出 經(jīng)RS鎖存后，1Q=1, =1,74LS48處于工作狀態(tài)，QQQ=101,經(jīng)譯碼顯示為。此外，1，使74LS148 ，處于禁止狀態(tài)，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，使 ，所以74LS148仍處于禁止狀態(tài)，確保不會出二次按鍵時輸入信號，保證了搶答者的優(yōu)先性。如有再次搶答需由主持人將開關重新?lián)艿健扒宄缓笤龠M行下一輪搶答。74LS148為線線優(yōu)先編碼器。表1 74LS148真值表搶答電路的結構中: 優(yōu)先編碼器選手按鍵譯碼顯示鎖存器部份3.2 計時電路圖2.2 計時部份電路使用時先把開關J22打下來，然后就可以設置定時器的個位，再按一下J21按鈕，通過J10J19開關設置十位。再把開關J22打上去，定時器開始倒數(shù)計時。計時的過程中IO1輸入控制信號為0，當計時結束時輸出控制信號為1工作原理：如圖所示，分為兩個部分，一是秒脈沖，由555定時器構成的多諧振蕩電路，根據(jù)公式振蕩周期為T=0.7（R1+2R2）C，可計算出該振蕩器的振蕩周期為1秒，由于是矩形脈沖，所以一個周期內發(fā)光二極管會發(fā)一次光。另一部分是可預置時間的減計數(shù)器，對于預置端可以采用十進制8421BCD碼設置，當555振蕩器發(fā)出一個脈沖時，74LS192的CP-端就接受一個信號，在cp脈沖的上升沿預置數(shù)就開始自減，當各位減少到0時，BO2就會輸出一個負脈沖，cp2-就會開始減少1，然后74LS192二開始再自減1，直到預置數(shù)最后變成00，最后在BO2輸出一個周期的負脈沖。在時間未到時，BO2一直到是輸出正脈沖，除非最后變成00時，才會輸出負脈沖，這就可以作為定時到的信號，如果是時間到了，輸出是零，時間不到，輸出是1。另外，假如有選手按鍵的話，則最后不會計數(shù)器不會因為自減為00而最后輸出負脈沖，而是應為秒脈沖輸出與1Q的非相與后當作脈沖輸入74LS192的。當沒有選手按鍵時，1Q的非為0，所以cp脈沖就會停止輸入，時間就會停止，所顯示的時間就是該選手搶答的時間，但此時的定時到信號還是1。定時部分電路仿真圖如下，又555定時器構成的多諧振蕩器輸出頻率為1Hz，作為計數(shù)器的脈沖源，定時顯示可實現(xiàn)30秒定時，此部分設計成功。3.3 報警電路2.3 報警部份電路報警電路的由555定時器構成的單穩(wěn)觸發(fā)器構成tw1.1RC工作原理：該報警電路有555定時器構成，有555定時器構成一個多諧振蕩器，其輸出信號可以經(jīng)三極管推動揚聲器。PR為控制信號，當PR為高電平時，4端接高電平，振蕩器正常工作，當為低電平時，振蕩器停止工作，不會發(fā)聲。因為來一個高電平是該報警電路會發(fā)聲，但是只有在一個周期內發(fā)聲，這個周期非常短，只是多諧振蕩器的一個周期，只有一秒鐘，所以中間需要加一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，根據(jù)555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的功能原理，這樣可以延長這個周期，是發(fā)聲信號加長，該定時器用到的電阻是30 k，電容是100uf，根據(jù)公式計算得到的周期是3秒。4器件介紹4.1 74LS148在優(yōu)先編碼器電路中，允許同時輸入兩個以上編碼信號。不過在設計優(yōu)先編碼器時，已經(jīng)將所有的輸入信號按優(yōu)先順序排了隊。在同時存在兩個或兩個以上輸入信號時，優(yōu)先編碼器只按優(yōu)先級高的輸入信號編碼，優(yōu)先級低的信號則不起作用。 74148是一個八線-三線優(yōu)先級編碼器。如圖所示的是八線-三線編碼器74148的慣用符號及管腳圖引腳圖。 圖4.1 74LS148 優(yōu)先級編碼74148優(yōu)先編碼器為16腳的集成芯片，除電源腳VCC(16)和GND(8)外，其余輸入、輸出腳的作用和腳號如圖中所標。其中I0I7為輸入信號，A2,A1,A0為三位二進制編碼輸出信號，IE是使能輸入端，OE是使能輸出端，GS為片優(yōu)先編碼輸出端。 由74148真值表可列輸出邏輯方程為： A2 = (I4+I5+I6+I7)IE A1 = (I2I4I5+I3I4I5+I6+7)IE A0 = (I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7)IE 使能輸出端OE的邏輯方程為：OE=I0I1I2I3I4I567IE 當使能輸入IE=1時，禁止編碼、輸出(反碼)： A2,A1,A0為全1。(如表5.1.2第一行所示。) 當使能輸入IE=0時，允許編碼，在I0I7輸入中，輸入I7優(yōu)先級最高，其余依次為：I6,I5,I4,I3,I2,I0，I0等級排列。 OE為使能輸出端，它只在允許編碼(IE=0)， 而本片又沒有編碼輸入時為0。如表5.1.2中第二行所示)。 擴展片優(yōu)先編碼輸出端GS的邏輯方程為： GS = (I0+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7)IE GS為片優(yōu)先編碼輸出端，它在允許編碼(IE=0)，且有編碼輸入信號時為0(如表5.1.2中第三至第十行)；若允許編碼而無編碼輸入信號時為1(如表5.1.2第二行)；在不允許編碼(IE=1)時，它也為1(如表5.1.2第一行)。 GS = 0表示“電路工作，而且有編碼輸入” 4.2 74148優(yōu)先編碼器真值表4.2 七段發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器，圖65(a)、(b)為共陰管和共陽管的電路，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位09十進制數(shù)和一個小數(shù)點。小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個發(fā)光二極管的點亮電流在510mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數(shù)字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當?shù)尿寗幽芰ΑD4.3 七段數(shù)碼管管腳圖4.3 BCD碼七段譯碼驅動器此類譯碼器型號有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CC4511（共陰）等，本實驗系采用CC4511 BCD碼鎖存七段譯碼驅動器。驅動共陰極LED數(shù)碼管。下圖為CC4511引腳排列 圖4.4 CC4511引腳排列其中 A、B、C、D BCD碼輸入端a、b、c、d、e、f、g 譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅動共陰極LED數(shù)碼管。測試輸入端，“0”時，譯碼輸出全為“1”消隱輸入端，“0”時，譯碼輸出全為“0”LE鎖定端，LE“1”時譯碼器處于鎖定（保持）狀態(tài)，譯碼輸出保持在LE0時的數(shù)值，LE0為正常譯碼。表62為CC4511功能表。CC4511內接有上拉電阻，故只需在輸出端與數(shù)碼管筆段之間串入限流電阻即可工作。譯碼器還有拒偽碼功能，當輸入碼超過1001時，輸出全為“0”，數(shù)碼管熄滅。 輸 入輸 出LEDCBAabcdefg顯示字形01111111010000000消隱0110000111111001100010110000011001011011010110011111100101101000110011011010110110110110110001111101101111110000011100011111110111001111001101110100000000消隱01110110000000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱01111110000000消隱111鎖 存鎖存表4.2 CC4511管真值表4.4 555 555的管教如下圖圖4.5 555定時器管腳圖它是美國Signetics公司1972年研制的用于取代機械式定時器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設計有三個5k的電阻而得名。此電路后來竟風靡世界。目前，流行的產品主要有4個：BJT兩個：555，556（含有兩個555）；CMOS兩個：7555，7556（含有兩個7555）。 555定時器可以說是模擬電路與數(shù)字電路結合的典范。兩個比較器 C1和 C2各有一個輸入端連接到三個電阻R組成的分壓器上，比較器的輸出接到RS觸發(fā)器上。此外還有輸出級和放電管。輸出級的驅動電流可達200mA。比較器C1和C2的參考電壓分別為UA和UB，根據(jù)C1和C2的另一個輸入端觸發(fā)輸入和閾值輸入，可判斷出RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。當復位端為低電平時，RS觸發(fā)器被強制復位。若無需復位操作，復位端應接高電平。555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖 2.9.1 和圖 2.9.2 所示。它內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC /3 和 2VCC /3 555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 A1 的輸出為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。NE555是時基集成電路，它在應用和工作方式上一般可歸納為3類。每類工作方式又有很多個不同的電路。在實際應用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個單穩(wěn)、多個雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。 NE555時基電路封形式有兩種，一是DIP雙列直插8腳封裝，另一種是SOP-8小型（SMD）封裝形式。其他HA17555、LM555、CA555分屬不同的公司生產的產品。內部結構和工作原理都相同。NE555屬于CMOS工藝制造，圖1是NE555的外形圖，圖2是它的內部功能原理框圖，圖3是它的內部等效電路。NE555的內部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復位Reset端，通過比較器A1，復位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權是R、T、TH。 4.5 74LS19074LS190是一個十進制可預置同步加減計數(shù)器。 它的管腳圖如圖7.7其中：CP是計數(shù)輸入端；S是使能端，=l時為保持態(tài)，=0時為計數(shù)狀態(tài)；M是加減工作方式控制端M=0時為加計數(shù)，Ml時為減計數(shù)，S端或M端必須在CP=1時才允許改變狀態(tài)，否則會影響計數(shù)器正常計數(shù)。D3D2D1Do是預置數(shù)的數(shù)據(jù)輸入端； LD是直接置數(shù)端，= 1時為計數(shù)狀態(tài)，= 0時為置數(shù)狀態(tài)，在此狀態(tài)能把D3D2D1D0的數(shù)直接置入Q3Q2Q1Qo；QccQCB，是進位借位輸出端，輸出為正脈沖，寬度與計數(shù)脈沖的周期相同；QCR是進位時鐘脈沖輸出端，輸出為負脈沖i它與計數(shù)脈沖的負脈沖同步等寬 圖4.6 74LS190管腳圖5 實驗儀器設備1. 數(shù)字實驗箱。2. 集成電路74LS148 1片，74LS279 1片，74LS48 3片，74LS192 2片，NE555 2片，74LS00 1片，74LS121 1片。3. 電阻 510 2只，1K 9只，4.7k l只，5.1k l只，100k l只，10k 1只， 15k 1只， 68k l只。4. 電容 0.1uF 1只，10uf 2只，100uf 1只。5. 二極管 3DG12 2只。6. 其它：發(fā)光二極管2只，共陰極顯示器3只。6 實驗總結電路中存在不足之處如：由于是用的優(yōu)先編碼器，所以當有同