數(shù)字智力競賽搶答器的設計

1、 電子技術綜合設計報告題目:數(shù)字智力競賽搶答器的設計院(系:機械與電子工程學院專業(yè)年級(班:電信15XX 學生:XXXXXX 學號: 2015XXXXXX 指導教師:秦立峰龍燕胡瑾完成時間: 2018/1/9摘要本次課程設計要求做一個數(shù)字智力競賽搶答器,供四組搶答使用,實現(xiàn)5分和10分步進,有加、減和置數(shù)功能,具有超時報警功能,根據(jù)題目要求,搶答部分選用一個鎖存器存儲組別信號并用數(shù)碼管顯示;步進電路選用移位寄存器提供5個或者10個高低電平交替的信號,形成計數(shù)脈沖;計分部分選用加減計數(shù)器完成計分功能;超時報警部分通過計數(shù)器借位輸出端控制蜂鳴器報警。經(jīng)過Proteus仿真,結果表明,電路可以正常工

2、作,并完成所有功能。關鍵詞:搶答器;分數(shù)步進;超時報警;計數(shù)器目錄1 設計目的及要求 (11.1設計目的 (11.2題目與要求 (12 方案設計 (22.1數(shù)字智力競賽搶答器系統(tǒng)的組成框架 (22.2數(shù)字智力競賽搶答器系統(tǒng)的工作原理 (23 電路設計及仿真 (33.1搶答電路 (33.2組別信號電路 (63.3步進電路 (73.4報警電路 (93.5計分電路 (103.6總體電路及仿真結果分析 (114 硬件電路連接與測試 (144.1電路測試 (144.2PCB板 (154.3元件清單 (155 總結 (16參考文獻 (171 設計目的及要求1.1 設計目的搶答器是一種應用非常廣泛的設備,在

3、各種競賽、搶答場合中,它能迅速、客觀地分辨出最先獲得發(fā)言權的選手。早期的搶答器由三極管、可控硅、發(fā)光管等組成,能通過發(fā)光管的亮暗辨認出選手的號碼?，F(xiàn)在大多數(shù)搶答器均使用單片機或數(shù)字集成電路,并增加了許多新功能,如選手號碼顯示、搶答前或搶答后的計時、選手得分顯示等功能。本次課程設計是設計一種采用數(shù)字電路制作的可定時四路數(shù)顯搶答器,它主要采用74系列的常用集成電路,它除了具有基本的搶答功能之外,還具有超時報警的功能、數(shù)顯功能及不同分值加減計分功能。本次課程設計要完成全流程的電子線路設計工作。課程設計分為選題、方案設計、電路設計和仿真、焊接實物等幾個環(huán)節(jié)。(1通過對數(shù)字智力競賽搶答器進行建模仿真,一

4、方面掌握搶答器設計方法,加深對相關電路的基本原理的理解,同時訓練通過計算機軟件(Proteus、AltiumDesigner進行電路輔助設計和仿真的一般方法,熟悉軟件的應用;(2通過實際元器件的選擇、電路焊接,掌握硬件電路從圖紙到實物的中間過程,增強動手能力、實踐能力;(3通過對數(shù)字智力競賽搶答器的測試,了解和掌握一般硬件電路的測試流程和基本方法。1.2 題目與要求本次課程設計題目的具體要求為:(1搶答器可供四組使用,組別鍵(信號可以鎖存;搶答器指示用數(shù)碼管或發(fā)光二極管(LED;(2計分部分獨立(不受組別信號控制,至少用2位二組數(shù)碼管指示,步進有10分,5分兩種選擇,并且具有預置,遞增,遞減功

5、能;(3自動計分(受組別信號控制;當主持人分別按步進得分鍵、遞增鍵或遞減鍵后能夠將分數(shù)自動累加在某組記分器上;(4超時報警。2 方案設計2.1數(shù)字智力競賽搶答器系統(tǒng)的組成框架根據(jù)題目要求,本設計將數(shù)字邏輯信號測試系統(tǒng)分為7個組成部分,各部分的組合如圖1所示。 圖1 數(shù)字智力競賽搶答器系統(tǒng)框圖2.2數(shù)字智力競賽搶答器系統(tǒng)的工作原理搶答開關由四個按鍵組成,按鍵公共端接地,另一端分別接74LS373寄存器Q0Q3端。搶答控制電路由74LS373寄存器、與非門組成。74LS373寄存器存儲按鍵信息,按鍵信息經(jīng)與非門輸出鎖存信號,保持74LS373鎖存器信息不被后來搶答的信息干擾。組別顯示由74LS14

6、8優(yōu)先編碼器、74LS48、共陰極七段數(shù)碼管和LED發(fā)光二極管構成。74LS373寄存器存儲的按鍵信息直接用LED燈顯示,按鍵信息同時經(jīng)74LS148編碼后,利用74LS48和七段共陰極數(shù)碼管顯示組號。555脈沖電路是由555定時器構成的多諧振蕩器提供脈沖。其中為倒計時電路提供1 Hz脈沖,為步進電路提供47 Hz脈沖。倒計時報警電路由搶答時間報警電路和回答時間報警電路構成。其中,搶答時間電路由74LS192計數(shù)器、74LS48和七段共陰極數(shù)碼管組成一位十進制減法計數(shù)器,可預置09秒搶答時間,報警信號由192計數(shù)器借位輸出端控制;回答時間電路由74LS192、74LS48和七段共陰極數(shù)碼管組成

7、兩位十進制減法計數(shù)器,基于本設計,此部分電路預置30秒回答時間,報警信號由192計數(shù)器借位輸出端控制。組別信號控制電路由74LS138譯碼器和非門組成。74LS373寄存器存儲的按鍵信息經(jīng)74LS138譯碼器和非門輸出組別信號,控制四組計分電路。步進電路由74LS198移位寄存器和74LS194移位寄存器組成。通過置零和置一,可實現(xiàn)一次提供5個脈沖或者10個脈沖,實現(xiàn)步進5分和10分。步進電路提供的脈沖信號頻率由555脈沖電路所提供的脈沖決定。四組獨立計分電路由74LS192、74LS48、七段共陰極數(shù)碼管構成的兩位十進制計數(shù)器,可實現(xiàn)清零和預置數(shù)。3 電路設計及仿真3.1 搶答電路 圖2 搶

8、答電路 圖3 74LS373引腳圖圖2中按鍵14代表各組搶答按鈕,按鍵5是復位鍵。搶答前,74LS373鎖存器的OE端接地,LE端為高電平,Dn端信息可鎖存至Qn端,此時D0、D1、D2、D3端均為高電平;開始搶答后,當D0D3端有一個變?yōu)榈碗娖胶?經(jīng)兩個四輸入與非門輸出的低電平,可使74LS373鎖存器保持Qn信息不變,即可鎖存搶答信號,若再有鍵按下,搶答信號不會再鎖存。當按鍵5按下,LE端變?yōu)楦唠娖?可重新鎖存信號,即開始新一輪搶答。表1 74LS373真值表Q nD n LE OE1 1 0 10 1 0 0X 0 0 Q nX X 1 高阻態(tài)四個紅色LED燈公共端接電源,當有出現(xiàn)低電平

9、信號,即可點亮相應LED燈。 圖4 74LS148引腳圖當有按鍵按下時,對應的Q0Q3中只有一個輸出低電平,為使74LS148編碼器能正常編碼組號,接線需從“6”端開始接,“7”端接高電平。圖四是74LS148引腳圖,表二是74LS148真值表。表2 74LS148真值表EI 0 1 2 3 4 5 6 7 A2 A1 A0 GS EO1 X X X X X X X X 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 X X X X X X X 0 0 0 0 0 10 X X X X X X 0 1 0 0 1 0 10 X X X X X 0 1 1 0 1 0

10、 0 10 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 10 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 10 X X 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 10 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 10 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 圖5 74LS48引腳圖74LS48的A、B、C、D端口分別接74LS148的A0、A1、A2輸出和地,使74LS48的相應輸出驅動七段共陰極數(shù)碼管顯示組號。表3 74LS48真值表LTRBI D C B A BI/RBO a b c d e f g 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 01 X 0 0

11、 0 1 1 0 1 1 0 0 0 01 X 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 11 X 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 11 X 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 11 X 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 11 X 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 11 X 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 01 X 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 11 X 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 11 X 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 11 X 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 11 X 1 1 0

12、0 1 0 1 0 0 0 1 11 X 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 11 X 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 11 X 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 圖6 七段共陰極數(shù)碼管引腳圖3.2 組別信號電路 圖7 組別信號控制電路 圖8 74LS138引腳圖74LS373的Q0Q3端同一時間只有一個為低電平,Q0Q2接74LS138的A、B和C端,因為當Q0Q2全為高電平就是Q4為低電平,所以用

13、Q0Q2可正常譯碼出組別信息。Yn接非門,即可將相應組別信號變?yōu)楦唠娖?其余組為低電平。表4 74LS138真值表G1 G2+G3 C B A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7X 1 X X X 1 1 1 1 1 1 1 10 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 11 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 11 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 11 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 11 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 11 0 1

14、 1 0 1 1 1 1 1 1 0 11 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 03.3 步進電路 圖9 步進電路 1-GND 2-觸發(fā)3-輸出4-復位5-控制電壓6-門檻7-放電8-Vcc圖10 555定時器引腳圖利用555定時器構成多諧振蕩器,圖10中,接通電源后,電容C4被充電,當uc 上升到2/3V CC時,使“3”輸出為低電平,同時放電三極管T導通,此時電容C4通過R20和T放電,uc下降。當uc下降到1/3V CC時,uo翻轉為高電平。電容C4放電所需時間為:t2=R20*C*ln20.7*R20*C4 (1 電容充電時間:t1(R19+R20*C4*ln20.7(R19+

15、R20*C4(2 電路的頻率:f=1tt1+tt2=1.43(RR19+2RR20CC (3 為使移位寄存器的移位速度較快,在按鍵6按下的瞬間,需要完成將所有的信號向右移位,故這里參數(shù)R19選取1K,R20選取1K,C4選取1uF,產生的脈沖頻率為f 47.67Hz. 圖11 74LS198引腳圖圖12 74LS194引腳圖第一個74198的輸入用A1G1表示,輸出用Q1AQ1G表示,第二個74198的輸入用A2G2,輸出用Q2AQ2G表示,74LS194的輸入用A3D3表示,輸出用Q3A Q3D 表示。A1、C1、E1、G1和A2接在單刀雙擲開關7,C2、E2、G2、A3和C3接在單刀雙擲開

16、關8;Q1G接在SR2,Q2G接在SR3,目的是使前一個移位寄存器輸出的電平信號串行輸入到下一個移位寄存器,這樣便可形成連續(xù)的“0”“1”交替的信號,從而形成特定個數(shù)的脈沖;三個SL接地;三個S0接電源,三個S1接到步進按鍵6,當按鍵未按下時,移位寄存器將輸入端的數(shù)置入輸出端;當按鍵按下時,移位寄存器在555產生的移位脈沖下開始向右移位,形成連續(xù)的脈沖。按鍵6松開時,又將輸入端的數(shù)置入輸出端,即可開始下一次加分或減分。表5 74198真值表CLRS1 S0 CLK SR SL AH Q A Q H0 X X X X X X X 0 01 X X 0 X X X X Q A Q H 1 1 1

17、X X a h a h1 0 1 X 0 X X 0- Q AQ G1 0 1 X 1 X X 1- Q Q G 1 1 0 0 X X X Q B Q H-0 1 1 0 1 X X X Q B Q H-11 0 0 X X X X X Q A Q H表6 74194真值表CLRS1 S0 CLK SR SL AD Q A Q D0 X X X X X X X 0 01 X X 0 X X X X Q A Q D 1 1 1 X X a d a d1 0 1 X 0 X X 0- Q AQ C1 0 1 X 1 X X 1- Q A Q C1 1 0 0 X X X Q B Q D-01 1

18、 0 1 X X X Q B Q D-11 0 0 X X X X X Q A Q D3.4 報警電路 圖13 74LS192引腳圖 圖14 報警電路首先用555定時器產生一個1Hz的秒脈沖,根據(jù)公式(1(3,可選取R15=R16=1M, C1=470nF。圖14左邊是搶答時間倒計時,撥碼開關DSW5可實現(xiàn)預置不同的時間,74LS192計數(shù)器從0減到9時,借位輸出端TCD引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?可作為報警電路的控制信號。置數(shù)端PL由搶答控制電路(見圖7第二個與非門輸出提供,當沒有人搶答時,第二個與非門輸出高電平,搶答倒計時電路啟動,計數(shù)器在09的變化時,借位輸出信號控制蜂鳴器發(fā)聲,此時主持人可

19、斷開開關7,停止倒計時。當有人搶答時第二個與非門輸出低電平,使計數(shù)器置數(shù)。圖14右邊是回答時間倒計時,置數(shù)30。兩個74LS192計數(shù)器采用串聯(lián)形式,第二個計數(shù)器的借位輸出端TCD作為報警電路的控制信號。置數(shù)端PL由搶答控制電路(見圖7第一個與非門輸出提供,當沒有人搶答時,第一個與非門輸出低電平,搶答倒計時置數(shù);當有人搶答時第一個與非門輸出高電平,回答倒計時電路啟動,標號為“192-2”的計數(shù)器在09的變化時,借位輸出信號控制蜂鳴器發(fā)聲。表7 74LS192真值表CP U CP D模式MR PL1 X X X 清零0 0 X X 置數(shù) 3.5 計分電路 圖15 計分電路計分電路共有四組,結構一

20、致,這里只介紹第二組計分電路。使用兩個74LS192加減計數(shù)器構成十進制兩位記分器。通過一個單刀雙擲開關和八位撥碼開關實現(xiàn)置數(shù)功能,當置數(shù)為零時,即實現(xiàn)清零功能。組別控制信號(見圖7和移位寄存器產生的特定個數(shù)脈沖進行與非運算,通過一個單刀雙擲開關SW8控制加分或者減分。3.6 總體電路及仿真結果分析仿真電路圖見附件一。 圖16 總體電路啟動由于系統(tǒng)設計的原因,在系統(tǒng)啟動時存在兩個問題:第一,搶答時間倒計時不能置啟動時不是低電平。第二,系統(tǒng)啟動時四組獨立計分部分加一數(shù),原因是置數(shù)端(PL(若是控制加減分的開關在減分,則系統(tǒng)啟動減一。針對以上兩個問題,解決辦法是對系統(tǒng)進行初始化:首先斷開開關7,按

21、下按鍵14中的任意一個,使回答時間倒計時置數(shù),隨后再按下復位鍵(開關5;其次,使四組獨立計分部分置數(shù)為0。通過以上兩步即可完成系統(tǒng)的初始化,使系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。圖17是系統(tǒng)初始化后的狀態(tài)。 圖17 系統(tǒng)初始化后 圖18 搶答電路仿真圖18仿真第一組搶答,組別LED燈和數(shù)碼管均正常顯示。仿真結果表明系統(tǒng)正常工作,可完成組別鎖存和顯示的功能。 圖19 步進、加減分仿真圖19是對第一組加5分,第二組加10分,第三組減5分和第四組減10分的模擬。仿真結果表明系統(tǒng)正常工作,可完成加減5分或10分的功能。 (a (b (c圖20 報警電路仿真圖20(a是系統(tǒng)未報警時的狀態(tài),蜂鳴器兩端均為低電平,(b是

22、搶答時間倒計時報警狀態(tài),(c是回答時間倒計時報警狀態(tài)。(b和(c中蜂鳴器一端為高電平,驅動蜂鳴器發(fā)聲報警。仿真結果表明系統(tǒng)工作正常,可正常報警。4 硬件電路連接與測試4.1電路測試由于電路復雜,器材準備不充分,實物只搭建出兩個模塊。圖21是搭好的實物圖,圖22是搭好的555多諧振蕩測試圖。 圖21 實際電路搭建 圖22 555多諧振蕩器4.2 PCB板搶答器系統(tǒng)電路PCB如圖23所示。 圖23 PCB電路圖4.3 元件清單本設計所用元器件如表8所示。表8 元器件列表元件參數(shù)/規(guī)格數(shù)量7段譯碼器74LS48 12 4位2進制加減計數(shù)器74LS192 11定時器NE555 283優(yōu)先編碼器74LS148 138譯碼器74LS138 1三態(tài)輸出8D鎖存器74LS373 18位雙向移