三人搶答器設(shè)計(jì)文檔

1、安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 電子課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目： 三人搶答器 指 導(dǎo) 教 師： 郭 慧 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)：電氣2124 班 學(xué) 生 姓 名： 武云 學(xué) 號(hào)：312107040432 起 止 日 期：2014/6/23 7/2總 評(píng) 成 績(jī)： 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：三人搶答器功能描述：設(shè)計(jì)一個(gè)三人搶答器電路，分為搶答成功和失敗的情況；課程設(shè)計(jì)要求：1.搶答成功：在主持人宣布開(kāi)始搶答的前提下，當(dāng)有一個(gè)人在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)比其他兩個(gè)人先按下?lián)尨鸬陌粹o后，顯示器上顯示出搶答者的號(hào)碼，倒計(jì)時(shí)停止。2.搶答失?。涸诔^(guò)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，若有人按了搶答的按鈕，會(huì)發(fā)出警鳴聲。若規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)

2、人搶答，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后蜂鳴器發(fā)出警鳴聲。3.一次搶答完成后，主持人按下復(fù)位鍵（即清零鍵）之后，才可以開(kāi)始第二次搶答。指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日 前言搶答器是一種應(yīng)用非常廣泛的設(shè)備，在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的當(dāng)今社會(huì)評(píng)選優(yōu)勝知識(shí)競(jìng)賽類(lèi)的活動(dòng)越來(lái)越多，針對(duì)主持人的各種提問(wèn)，如果只是讓搶答者用舉手等原始的方法，在某種程度上難免會(huì)造成比賽的不公平性。為了在比賽中更加準(zhǔn)確公平的判斷出第一搶答者，搶答器就充當(dāng)了搶答比賽中必備的工具。在各種競(jìng)賽搶答場(chǎng)合中，搶答器可以迅速、充分客觀(guān)地分辨出最先獲得發(fā)言權(quán)的選手。早期的搶答器只由幾個(gè)三極管、可控硅發(fā)光管組成，現(xiàn)在大多搶答器使用單片機(jī)或集成電路，并且增加了許多功能，可以顯

3、示選手號(hào)碼、倒計(jì)時(shí)、報(bào)警等功能。隨著科技的發(fā)展，搶答器正向著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，可是更加復(fù)雜化的設(shè)計(jì)大大提高了生產(chǎn)成本。市面上的搶答器有的電路復(fù)雜不便于制作，可靠性不高，不易實(shí)現(xiàn)。有的使用專(zhuān)用集成塊制作，制作成本高昂。而數(shù)字邏輯電路則很好地解決了這些問(wèn)題。目錄第一章 概述61.1 設(shè)計(jì)題目61.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求6第二章 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)62.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案62.2硬件設(shè)計(jì)72.2.1 7段顯示譯碼器74LS4872.2.2優(yōu)先編碼器74LS14882.2.3鎖存器74LS279102.2.4 計(jì)數(shù)器74LS192102.2.5 NE55511第三章 模塊電路原理設(shè)計(jì)123.1搶

4、答電路123.2定時(shí)、報(bào)警電路143.3時(shí)序控制電路14設(shè)計(jì)總結(jié)16參考文獻(xiàn)17附錄一 元件清單列表18附錄二 電路設(shè)計(jì)總圖19附錄三 仿真電路圖20第一章 概述1.1 設(shè)計(jì)題目 三人搶答器1.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（1）三個(gè)人參賽，編號(hào)分別為1,2,3，各控制一個(gè)搶答按鈕，按鈕的編號(hào)與選手的編號(hào)一致。給主持人設(shè)置一個(gè)控制開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制系統(tǒng)的清零和搶答的開(kāi)始。（2）搶答器具有數(shù)字鎖存及顯示的功能。搶答開(kāi)始后，若有選手按動(dòng)搶答按鈕，編號(hào)立即鎖定，在數(shù)碼管上顯示選手的編號(hào)，同時(shí)封鎖輸入電路，禁止其他選手搶答。最先搶答的選手的編號(hào)一直保存到主持人將系統(tǒng)清零為止。 （3） 搶答器具有定時(shí)搶答的功能，且一次搶

5、答的時(shí)間為9秒，當(dāng)主持人啟動(dòng)開(kāi)始鍵后，計(jì)時(shí)器開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，并用顯示器顯示。（4） 參賽選手在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)搶答有效，其余均視為無(wú)效。（5）確定設(shè)計(jì)方案，按功能模塊的劃分選擇元器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計(jì)分電路，畫(huà)出總體電路原理圖，闡述基本原理。第二章 系統(tǒng)總體方案及硬件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案圖（1） 系統(tǒng)總體方案工作原理：接通電源后，主持人將開(kāi)關(guān)撥到“清零”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器燈滅，定時(shí)顯示器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開(kāi)關(guān)設(shè)置“開(kāi)始”狀態(tài)，宣布“開(kāi)始”搶答器處于工作狀態(tài)，定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，卻沒(méi)有選手搶答時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，禁止選手超時(shí)后搶答。當(dāng)選手在設(shè)定的時(shí)

6、間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成以下四項(xiàng)工作：（1）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，然后由譯碼器顯示編號(hào)（2） 揚(yáng)聲器暫停聲響，提醒主持人注意（3）控制電路要對(duì)輸入編碼電路進(jìn)行封鎖，避免其他選手進(jìn)行搶答（4）控制電路要使定時(shí)器停止工作，當(dāng)選手將問(wèn)題回答完畢時(shí)，主持人操控開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)清除禁止工作狀態(tài)，以便進(jìn)行下一輪搶答。2.2硬件設(shè)計(jì) 本課程設(shè)計(jì)，采用集成電路74LS148，74LS279，74LS48，74LS192，NE555定時(shí)器和其他器件，實(shí)現(xiàn)定時(shí)搶答功能。2.2.1 7段顯示譯碼器74LS487段顯示譯碼器74LS48是輸出高電平有效的譯碼器，工作電壓:5V 圖（2） 7

7、4LS48/SN74LS48 引腳功能圖74LS48除了有實(shí)現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA）和輸出（YaYg）端外，7448還引入了燈測(cè)試輸入端（LT）和動(dòng)態(tài)滅零輸入端（RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動(dòng)態(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。由7448真值表可獲知7448所具有的邏輯功能：（1）7段譯碼功能（LT=1，RBI=1）在燈測(cè)試輸入端（LT）和動(dòng)態(tài)滅零輸入端（RBI）都接無(wú)效電平時(shí)，輸入DCBA經(jīng)7448譯碼，輸出高電平有效的7段字符顯示器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，顯示相應(yīng)字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低電平，見(jiàn)表1中116行。（2）消隱功能（BI=0）此時(shí)B

8、I/RBO端作為輸入端，該端輸入低電平信號(hào)時(shí)，表1倒數(shù)第3行，無(wú)論LT和RBI輸入什么電平信號(hào)，不管輸入DCBA為什么狀態(tài)，輸出全為“0”，7段顯示器熄滅。該功能主要用于多顯示器的動(dòng)態(tài)顯示。表1：74LS48真值表2.2.2優(yōu)先編碼器74LS14874LS148為8線(xiàn)3線(xiàn)優(yōu)先編碼器。它允許多個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)有效，但只對(duì)一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的輸入信號(hào)進(jìn)行編碼。圖（3）74LS148管腳圖表2: 74LS148 8線(xiàn)3線(xiàn)二進(jìn)制編碼器真值表74LS148工作原理如下： 該編碼器有8個(gè)信號(hào)輸入端，3個(gè)二進(jìn)制碼輸出端。此外，電路還設(shè)置了輸入使能端ST非，輸出使能端YS和優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志YEX非。 當(dāng)ST非=

9、0時(shí)，編碼器工作；而當(dāng)ST非=1時(shí)，則不論8個(gè)輸入端為何種狀態(tài)，3個(gè)輸出端均為高電平，且優(yōu)先標(biāo)志端和輸出使能端均為高電平，編碼器處于非工作狀態(tài)。這種情況被稱(chēng)為輸入低電平有效，輸出也為低電來(lái)有效的情況。當(dāng)ST非為0，且至少有一個(gè)輸入端有編碼請(qǐng)求信號(hào)（邏輯0）時(shí)，優(yōu)先編碼工作狀態(tài)標(biāo)志YEX非為0。表明編碼器處于工作狀態(tài)，否則為1。從功能表不難看出，輸入優(yōu)先級(jí)別的次序?yàn)?，6，0。輸入有效信號(hào)為低電平，當(dāng)某一輸入端有低電平輸入，且比它優(yōu)先級(jí)別高的輸入端無(wú)低電平輸入時(shí)，輸出端才輸出相對(duì)應(yīng)的輸入端的代碼。例如5為0。且優(yōu)先級(jí)別比它高的輸入6和輸入7均為1時(shí)，輸出代碼為010，這就是優(yōu)先編碼器的工作原理。

10、2.2.3鎖存器74LS279每片74LS279中包含四個(gè)獨(dú)立的用與非門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器。其中第一個(gè)和第三個(gè)觸發(fā)器各有兩個(gè)Rd輸入端(S1和S3)，在任一輸入端上加入低電平均能將觸發(fā)器置1；每個(gè)觸發(fā)器只有一個(gè)Rd輸入端(R)。 圖（4）74LS279引腳圖2.2.4 計(jì)數(shù)器74LS19274LS192具有下述功能： 異步清零：CR=1，Q3Q2Q1Q0=0000 異步置數(shù)：CR=0，LD=0，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0保持： CR=0，LD=1，CPU=CPD=1,Q3Q2Q1Q0保持原態(tài) 加計(jì)數(shù)：CR=0, LD=1，CPU=CP，CPD=1，Q3Q2Q1Q0按加法規(guī)律計(jì)數(shù) 減計(jì)

11、數(shù)：CR=0, LD=1，CPU=1，CPD= CP，Q3Q2Q1Q0按減法規(guī)律計(jì)數(shù)74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。 CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。 CO為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出 BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出。 圖（5）74LS192管腳圖2.2.5 NE555圖（6） 555定時(shí)器外引腳圖555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)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(dāng)5腳懸空時(shí)則電壓比較器C1的反向輸入端電壓為2VCC/3，

12、C2的同相輸入端電壓為VCC/3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC/3，則比較器C2的輸出為1，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端OUT=0.如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC/3，則C1的輸出為1，C2的輸出為0，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為低電平。綜上所述可知，555定時(shí)器不僅提供了一個(gè)復(fù)位電平為2VCC/3、置位電平為VCC/3，且可通過(guò)端直接從外部進(jìn)行置0的基本RS觸發(fā)器，而且還給出了一個(gè)狀態(tài)受該觸發(fā)器端控制的晶體管開(kāi)關(guān)，因此使用起來(lái)極為靈活。第三章 模塊電路原理設(shè)計(jì)3.1搶答電路圖（7）搶答電路圖如圖（7），這個(gè)電路的工作原理過(guò)程：當(dāng)主持人控制開(kāi)關(guān)S置于清

13、零端時(shí)，RS觸發(fā)器的R非端均為，個(gè)觸發(fā)器輸出（Q4Q1）全部置，使74LS48的BI的非 ，顯示器燈滅；74LS148的選通輸入端ST的非=0，使之處于工作狀態(tài)，此時(shí)鎖存電路不工作。當(dāng)主持人把開(kāi)關(guān)S置于開(kāi)始時(shí)，優(yōu)先編碼器和鎖存電路同時(shí)處于工作狀態(tài)，即搶答器處于等待工作狀態(tài)，等待輸入端的信號(hào)輸入，當(dāng)有選手將鍵按下時(shí)（如按下S2），74LS148的輸出Y2Y1Y0的非=110，YEX的非=0，經(jīng)RS鎖存后，CTR=1，BI的非=1，74LS279處于工作狀態(tài)，Q4Q3Q2 =010,74LS48處于工作狀態(tài)，經(jīng)74LS48譯碼后，顯示器顯示為2。此外，CTR=1，使74LS148的ST的非為高電平

14、，74LS148處于禁止工作狀態(tài)，封鎖其他按鍵的輸入。當(dāng)按鍵松開(kāi)即按下時(shí)，74LS148的YEX的非為高電平， 但由于CTR維持高電平不變，所以74LS148仍處于禁止?fàn)顟B(tài)，確保不會(huì)出現(xiàn)二次按鍵時(shí)輸入信號(hào)，保證了搶答者的優(yōu)先性以及搶答電路的準(zhǔn)確性。如有再次搶答需由主持人將開(kāi)關(guān)重新復(fù)位。3.2定時(shí)、報(bào)警電路圖（8）定時(shí)報(bào)警電路圖該部分主要由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74LS192減法計(jì)數(shù)電路、74LS48譯碼電路和1個(gè)7段數(shù)碼管及相關(guān)電路組成。具體電路如圖所示。一塊74LS192實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，通過(guò)譯碼電路74LS48顯示到數(shù)碼管上，其時(shí)鐘信號(hào)由時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供。主持人打開(kāi)控

15、制開(kāi)關(guān)，倒計(jì)時(shí)8秒開(kāi)始，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(méi)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74LS48顯示0并保持，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)此后選手搶答視為無(wú)效。3.3時(shí)序控制電路時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)樗瓿梢韵氯?xiàng)功能： （1）主持人將控制開(kāi)關(guān)撥到開(kāi)始位置時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)。（2）當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器停止發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作。（3）當(dāng)設(shè)定的搶答時(shí)間到，無(wú)人搶答時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時(shí)搶答電路和定時(shí)電路停止工作。 圖（9） 時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)總結(jié)隨著我國(guó)搶答器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，與之相關(guān)的核心

16、生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，作為一種廣泛應(yīng)用于各知識(shí)競(jìng)賽場(chǎng)合的實(shí)用性電子產(chǎn)品，更低成本的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)對(duì)業(yè)內(nèi)企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。在本次設(shè)計(jì)中，如何讓搶答器在接受一位選手的搶答后不再響應(yīng)其他選手的操作是搶答器功能的關(guān)鍵所在，設(shè)計(jì)時(shí)鎖存與譯碼電路的組合保證了搶答功能的可靠性。相較于傳統(tǒng)亮燈指示搶答選手的設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)中采用了數(shù)碼管顯示搶答選手號(hào)碼的方式，顯示結(jié)果更加直觀(guān)。搶答電路中還加入了計(jì)時(shí)模塊與報(bào)警模塊，在主持人宣布搶答開(kāi)始打開(kāi)搶答計(jì)時(shí)開(kāi)關(guān)的同時(shí)，計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示剩余搶答時(shí)間并伴有蜂鳴器提示音，若倒計(jì)時(shí)結(jié)束仍無(wú)人搶答，報(bào)警器響起提示主持人時(shí)間到本題作廢。這些設(shè)計(jì)都提高了搶

17、答效率，方便了主持人的操作。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)中由于存在缺乏經(jīng)驗(yàn)和有限的知識(shí)面等問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)還存在一些問(wèn)題。如電路布局不夠合理連線(xiàn)較亂的問(wèn)題，由于仿真軟件的數(shù)據(jù)記憶等限制，一次搶答結(jié)束必須重啟搶答系統(tǒng)否則無(wú)法再次正常搶答的問(wèn)題（真實(shí)電路設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)芯片電源開(kāi)關(guān)的控制解決）。對(duì)于本次搶答器的設(shè)計(jì)，我認(rèn)為還可以加入計(jì)分、答題計(jì)時(shí)等設(shè)計(jì)來(lái)豐富其功能。但由于目前知識(shí)技能的匱乏，現(xiàn)階段的知識(shí)儲(chǔ)備還無(wú)法完成更多功能的設(shè)計(jì)，在后期的課程學(xué)習(xí)中我將繼續(xù)研究和豐富自己的知識(shí)，來(lái)設(shè)計(jì)出更完善的電路。參考文獻(xiàn)1 胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M. 北京：清華大學(xué)出版社，第2版，2003.2 陳明熒. 8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材M. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.3.3 汪德彪. MCS-51單片機(jī)原理及接口技術(shù)M. 北京:電子工業(yè)出版社，2003.4 吳金戌，沈慶陽(yáng)，郭庭吉. 8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用M. 北京：清華大學(xué)出版社. 2002.9附錄一 元件清單列表電阻Resistors數(shù)量標(biāo)號(hào)屬性5R1-R3, R5, R710k1R45101R61001R1015k1R1168k1R131k電容Capacitors數(shù)量標(biāo)號(hào)屬性1C110uF1C20.1uF芯片Integrated Circuits數(shù)量:標(biāo)號(hào)屬性1U174LS14