長沙理工大學(xué)電子0902班八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計

1、 八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY電子技術(shù)課程設(shè)計設(shè)計題目： 八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電子信息工程專業(yè)0902班 學(xué)生姓名： 馬 小 弟 學(xué) 號： 2 0 0 9 5 7 0 5 0 2 3 3 指導(dǎo)老師： 徐 理 英 、唐國紅 設(shè)計時間： 2011年12月5日2011年12月16日 第 17 頁 共 17 頁八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計摘要本文介紹了一種用74系列常用集成電路設(shè)計的數(shù)碼顯示八路搶答器的電路組成、設(shè)計思路及功能。該搶答器除具有基本的搶答功能外，還具有定時、計時和報警

2、功能。主持人通過開關(guān)控制開始，清零，計時電路在開始后系統(tǒng)將完成自動倒計時。若在規(guī)定的時間內(nèi)有人搶答，則計時將自動停止；若在規(guī)定的時間內(nèi)無人搶答，則系統(tǒng)中的蜂鳴器將發(fā)響，提示主持人本輪搶答無效，實現(xiàn)報警功能；若在支持人開始前，有人搶答，即為犯規(guī)，鎖存，搶答無效并亮燈提示且在數(shù)碼管上顯示犯規(guī)編號。發(fā)揮部分為計分器，可手動獨立操作完成加減不同分值，初始值50分。通過Multisim 10.0仿真調(diào)試，得出了預(yù)期目的，并完成了這次報告。關(guān)鍵詞:八路數(shù)顯搶答器；設(shè)計；定時；計時；報警；計分目 錄1 緒論11.1 課題背景及目的11.2 設(shè)計任務(wù)及系統(tǒng)功能簡介11.2.1 基本功能11.2.2 拓展功能2

3、2 實現(xiàn)的原理與電路32.1 數(shù)字搶答器總體方框圖32.2 單元電路設(shè)計42.2.1 搶答器電路42.2.2 定時器電路52.2.3 報警器電路72.2.4 時序控制電路72.2.5 計分器電路93 組裝與調(diào)試103.1 使用的主要儀器儀表103.2 電路調(diào)試103.2.1 單元電路檢測103.2.2 整機(jī)電路檢測113.3 合理布局123.3.1 合理布局的基本原則123.3.2 合理布局的注意事項124 結(jié)論13致謝14參考文獻(xiàn)15附錄A 元件清單16附錄B 整機(jī)電路圖171 緒論1.1 課題背景及目的在現(xiàn)在科技進(jìn)步的世界里,無論工廠、學(xué)校和電視臺所舉辦的節(jié)目都可能會有各種智力競賽,當(dāng)遇到

4、搶答環(huán)節(jié)時,如果要求主持人自己去用肉眼觀察那一個選手搶答的速度最快無疑會對比賽結(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)，這在某種程度上會因為主持人的主觀誤斷造成比賽的不公平性，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，為了使避免這種不公平發(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。本課題設(shè)計了一種采用數(shù)字電路制作的可定時的八路數(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

5、報警的功能，和數(shù)顯的功能以及不同分值加減計分功能。當(dāng)搶答未開始時，有人在主持人開始前按下開關(guān)，系統(tǒng)就會亮燈提示有人犯規(guī)，并顯示齊序號。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。1.2 設(shè)計任務(wù)及系統(tǒng)功能簡介1.2.1 基本功能：（1）搶答器同時供8名參賽選手，分別用8個按鈕J1表示，設(shè)置為0、1、2、3、4、5、6、7對應(yīng)鍵盤數(shù)字控制搶答。（2） 設(shè)置一個系統(tǒng)清除和搶答控制開關(guān)Z，接地端即為清零，該開關(guān)由主持人控制，對應(yīng)鍵盤Z控制開關(guān)，開始后揚聲器發(fā)出聲響提示。（3）搶答器具有鎖存與顯示功能。即選手

6、按動按鈕，鎖存相應(yīng)的編號，揚聲器發(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。提前搶答就算犯規(guī)，數(shù)碼管會顯示犯規(guī)選手。1.2.2 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。 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。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，定時顯示器上無顯示。（2）計分器具有加減自定義分值，有手動控制，

7、分值設(shè)有0、5、10三種分值，根據(jù)所給題目分值來定，加減分是單刀雙擲開關(guān)，鍵盤J控制，系統(tǒng)給定默認(rèn)分值為50分，最大計數(shù)95，最小00。2 實現(xiàn)的原理與電路2.1 數(shù)字搶答器總體方框圖如圖1所示為總體方框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到"清零"狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號顯示器滅燈，犯規(guī)提前搶答在主持人開始后顯示犯規(guī)選手編號，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置；開始"狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、

8、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作"清除"和"開始"狀態(tài)開關(guān)。圖1 設(shè)計框圖發(fā)揮部分為計分器電路，完成手動加分減分，起始分為50分，可自由設(shè)定每次加減的分值0、5、10，八位選手的計分獨立，互不影響，由于原理相同，且作為仿真電路，本次課題只設(shè)計一個計分器，計分器在許多方面應(yīng)用廣泛，例如，數(shù)字電子時鐘、加油站油位價格表、空調(diào)溫度設(shè)置、數(shù)字萬年歷等。2.2 單元電路設(shè)計2.2.1 搶答器電路設(shè)計電路如圖2所示。電路選用一個七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器74LS48、一個優(yōu)先編碼器 74LS148和鎖存器 兩個74LS279來完成。該電路主要完成兩個

9、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（顯示電路采用七段數(shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管）；二是禁止其他選手按鍵，其按鍵操作無效。工作過程：開關(guān)Z置于"清除"端時，RS觸發(fā)器的 R、S端均為0，4個觸發(fā)器輸出置0，使74LS148的優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中5號端）0，使之處于工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)S置于"開始"時，搶答器處于等待工作狀態(tài)，當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時（如按下5），74LS148的輸出經(jīng)RS鎖存后，CTR=1,RBO(圖中4端) =1,七段顯示電路74LS48處于工作狀態(tài)，4Q3Q2Q=101,經(jīng)譯碼顯示為“5”。此外，CTR

10、1，使74LS148 優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中5號端）1，處于禁止?fàn)顟B(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開即按下時，74LS148的 此時由于仍為CTR1，使優(yōu)先編碼工作標(biāo)志端（圖中5號端）1，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(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Z開關(guān)重“新置”準(zhǔn)備然后再進(jìn)行下一輪搶答。74LS148為8線3線優(yōu)先編碼器，表1為其功能表。圖2 數(shù)字搶答器電路表1 74LS148的功能真值表2.2.2 定時器電路原理及設(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)

11、碼管即相關(guān)電路組成。具體電路如圖3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，計數(shù)器的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，BI/RBO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。下面結(jié)合圖4具體講一下標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖產(chǎn)生電路的原理。結(jié)合圖4，圖中電容C

12、的放電時間和充電時間分別為 ，于是從NE333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R3=15K，R4=68K，C=10uF，代入到上式中即得，即秒脈沖。圖3 可預(yù)置時間的定時電路表2 555定時器功能表Rui1ui2uOT的工作狀態(tài)0××0導(dǎo)通1<<1截止1<從<變化到>1截止1>>0導(dǎo)通1從>變化到<>0導(dǎo)通圖4 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖產(chǎn)生電路2.2.3 報警器電路由555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖5示。其中NE555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率1.43（R52R6）C3，T

13、=1/ 其輸出信號經(jīng)三極管推動揚聲器。PR為時序控制電路輸出的控制信號，當(dāng)PR為高電平時，多諧振蕩器工作，反之，電路停振。圖5 報警電路2.2.4 時序控制電路時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下兩項功能：主持人在開始前，有人搶答，則提示犯規(guī)，數(shù)碼管鎖存犯規(guī)選手編號。主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)，揚聲器發(fā)出開始搶答信號。當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器自動報警，表示此次搶答無效。 圖 6 時序控制電路集成單穩(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3）,具體原理如下：主要由555時鐘電路（用于控制報警聲音頻率）

14、、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BI、BO、Z控制報警與否和報警時間，555時鐘電路產(chǎn)生脈沖時鐘。圖6中，4、5腳接與門，在規(guī)定的時間有人搶答時，BI由1跳變到0，74121有狀態(tài)2（見表3狀態(tài)編碼），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=4.3秒；如果在規(guī)定時間內(nèi)無人搶答，BO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5所示報警電路，分析計算如下：取100uF, =51K,。有4.3秒。表3 74121功能表 2.2.5 計分器電路計分器是由可手動加減不同分值控制的計分器電路，本次課題為發(fā)揮部分，

15、其中包括三塊74LS179芯片，一個與門74S11，兩個單刀雙擲開關(guān)，一個單刀單置開關(guān)，兩個組合開關(guān)控制記分分值，以及一個時鐘脈沖電壓源。電路是獨立于搶答電路，可設(shè)計八組，分別負(fù)責(zé)統(tǒng)計八組參賽選手的分?jǐn)?shù)，每次“分值選項”通過開關(guān)設(shè)置鍵盤W（5分），S（A或10分），同時撥上0分，同時撥下F或15分。“復(fù)位”開關(guān)是對分值的清零，返回起始分50分，開始后進(jìn)入計分狀態(tài)?！凹訙p分”開關(guān)是設(shè)置本題答對加分，答錯或犯規(guī)減分的控制?！斑\算”開關(guān)是對分值選項的累加，每次打到“運算”后加（減）分，打到“準(zhǔn)備”則進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，再打回“運算”后計分。圖7 計分器電路3調(diào)試與仿真3.1 使用的主要儀器儀表時間脈沖電源

16、（1kHz，5V）一個數(shù)碼管黃、藍(lán)、綠、橙各一個小燈泡紅、黃、橙、綠各一個揚聲器（3V，300kHz）一個5片74LS192,74LS279、LM555CM各2片,74LS148、74LS48、SN74121各1片3.2 電路調(diào)試3.2.1單元電路檢測（1）搶答器電路把主持人的控制開關(guān)設(shè)置為“準(zhǔn)備”位置，用萬用表檢查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4端/BI/RBO=0，顯示器滅燈；74LS148的5端/ST=0，74LS148處于工作狀態(tài)，此時鎖存電路不工作。然后把主持人的控制開關(guān)撥到“開始”位置，優(yōu)先編碼電路和鎖存電路同時處于工作狀態(tài)，給8路搶答端

17、口給上低電平的輸入信號，如當(dāng)有選手將搶答按鍵按下時（如按下），74LS148的輸出=010，=0，經(jīng)RS鎖存器后，74279的輸出1Q,即CTR=1，/BI/RBO =1，74LS279處于工作狀態(tài)，輸出端4Q3Q2Q=101，=0，經(jīng)RS鎖存器后，出“5”。此外，CTR=1，使74LS148仍處于禁止工作狀態(tài)，其它按鍵的輸入信號不會被接收。（2）定時器電路用示波器檢查555的輸出波形是否為1Hz的方波信號，對555的外圍電路進(jìn)行調(diào)整達(dá)到要求為止。給74LS192的數(shù)據(jù)輸入端設(shè)定一次搶答的時間，如35秒（00110101）的八位數(shù)據(jù)。觀察顯示器的顯示時間是否進(jìn)行減計數(shù)。有問題按原理進(jìn)行修改。（

18、3）時序控制及報警電路主持人在開始前，有人搶答，則提示犯規(guī)，數(shù)碼管鎖存犯規(guī)選手編號。主持人將控制開關(guān)撥到“開始”位置時，搶答電路和定時電路進(jìn)入正常搶答工作狀態(tài)，揚聲器發(fā)出開始搶答信號當(dāng)設(shè)定的搶答時間到，無人搶答時，揚聲器自動報警，表示此次搶答無效。（4）計分器電路起始分值為50分，答對加分，打錯或犯規(guī)減分，每次加減的分值手動控制0、5、A、F四種分值，在計分前先選擇加減開關(guān)，然后打開復(fù)位，并運算。每組分?jǐn)?shù)獨立，互不影響，根據(jù)參賽選手?jǐn)?shù)目，來完成計分，最后計分器3.2.2整機(jī)電路調(diào)試開始時，主持人將控制開關(guān)接地，搶答電路部分鎖存器74LS279的狀態(tài)輸出全為0，74LS48的滅燈輸入與鎖存器74

19、LS279的Q1相接，故搶答電路無顯示（清除）；與此同時，在計時電路部分，減法計數(shù)器74LS192的預(yù)置數(shù)端為0，將事先的預(yù)置數(shù)送入減法計數(shù)器中。當(dāng)主持人按鍵彈起時，計數(shù)器開始計數(shù)工作，搶答開始。在沒有人按鍵且搶答時間沒到時，計數(shù)器BO2輸出為1，74148的5端，即0, 而優(yōu)先編碼器和計數(shù)器都正常工作；當(dāng)在規(guī)定時間有人按下?lián)尨鸢存I時，/YEX輸出為“0”， CTR=1，/ST=1，優(yōu)先編碼器停止工作，此后選手的搶答無效，電路將按鍵者的編號顯示在LED上；同時，CTR=1，計數(shù)部分的計數(shù)脈沖=0，計數(shù)器停止工作，此時的倒計時時間記錄并顯示在LED上；74148的/Ys端由1跳變到0，74121

20、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=4.3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)2， 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=4.3 秒；ST=1，搶答電路停止工作，此后的搶答按鍵無效。3.3 仿真本次課程設(shè)計仿真采用Multisim 10.0軟件圖8 Multisim10.0 整機(jī)仿真電路3.3.1整機(jī)電路整機(jī)電路仿真如圖8所示，詳見附錄B，此刻顯示為剩余22秒時，2號選手搶答并顯示已搶答，74LS148鎖存，報警器亮燈并發(fā)出聲響，在其之后其他選手搶答無效本次共演示三組：（1）提前搶答犯規(guī)，提前搶答犯規(guī)，在主持人Z開始后搶答無效

21、。（2）主持人開始后搶答，如圖8，鎖存2。（3）主持人開始后無人搶答或超時，揚聲器發(fā)出聲響，綠燈亮3.3.2 拓展部分拓展電路如圖7所示，此刻顯示為總得分55分，答對加5分，本題分值5分，當(dāng)執(zhí)行運算開關(guān)Y后可進(jìn)行加減分，計分加減控制J，復(fù)位F控制。本次共演示三組：（1）起始分50分，加分，5分，運算，顯示55分（2）總得分55分，減分，5分，運算，顯示50分（3）總得分50分，加分，10分，運算，顯示60分4 結(jié)論4.1 課程設(shè)計題目八路數(shù)顯搶答器的設(shè)計4.2 電路功能具有優(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碼，同時報警，并具有倒計時功能。發(fā)揮部分為計分器，通過計分器電

22、路實現(xiàn)手動不同分值加減，顯示總得分級題目分值，起始分50分，復(fù)位開關(guān)控制計分。4.3 技術(shù)指標(biāo)是：1具有優(yōu)先搶答功能。2數(shù)碼管正確顯示選手號碼3搶答完畢聲音報警提醒。4.4 設(shè)計感受與體會通過我們的付出與努力，完成了本次的設(shè)計，并且達(dá)到了預(yù)期的效果，實現(xiàn)了其要求的功能和各項指標(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)計的過程中，還是存在一些不足之處，遇到了許多不好解決的問題。在對電路進(jìn)行逐步的細(xì)致的檢查與分析，組員共同努力下解決了我們遇到的許多問題。雖然我們沒有將實際電路組裝和烙印下來，但是，通過理論與Multisim的仿真模擬，我們的電路達(dá)到了其本要求以及發(fā)揮部分?？傮w感覺還是比較的興奮，很有成就感，對比課程設(shè)計之前的想法，現(xiàn)在覺得當(dāng)初好搞笑，迷茫與懵懂，糾結(jié)與困惑，這是每個設(shè)計者開始就有的共同問題。正因為自己實際動手操作，才發(fā)現(xiàn)原來一切都是可以簡單化的。致謝兩周時間的課程設(shè)計終于結(jié)束了，通過兩周以來的努力，在徐老師的指導(dǎo)下，我們完成了這次的課程設(shè)計。在這次設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。在此要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝電子系老師，老師給我這樣的機(jī)會